高温作用下煤系岩层介质的蠕变损伤演化规律研究

本项研究主要应用实验测试、理论分析等方法与手段，对岩样不同温度和应变率下的力学性质与高温蠕变特性进行系统研究，主要研究内容：（1）通过不同应变率下煤系岩石的高温实验，研究不同的温度和应变率对煤系岩石力学性能参数的影响，得出煤系岩层介质损伤演化规律及破坏机理；（2）分析煤系岩石在不同温度和应变率作用下断口的微观破坏形貌特征，建立煤系岩石的微观破坏特征及其力学机制模式与宏观特征之间的关系；（3）通过高温蠕变试验，得到岩样蠕变曲线、蠕变损伤演化和蠕变下限、长期强度 、应变率 、粘滞系数等随温度的变化规律，建立煤系岩层介质在温度作用下的蠕变本构方程。本项研究可为高温环境下岩石工程问题的研究提供可靠的理论及试验基础，也为岩石力学理论的发展提供重要依据。

研究工作完全按照原计划的框架进行。.在煤与油页岩的地下气化、地热资源开发、煤层瓦斯的安全抽放和综合利用等工程所涉及的岩土工程问题往往与温度、荷载、应力波等有关，理论和试验证明，岩石在承受不同加载速率作用时，其本构关系和力学特性有很大差异，在常温和高温状态下岩石的力学性能也具有很大差异。而这正是研究岩体爆破机理、破坏判据以及岩体工程参数优化与长期稳定性等的理论基础。因此开展岩石不同温度和应变率下岩石力学性质演化研究，深入了解岩石高温蠕变变形及其破坏规律，对于岩石工程建设具有十分重大的现实意义。.本项目利用带高温装置的MTS810伺服试验机对煤系岩石进行了实时加温加载的单轴压缩实验及高温蠕变单轴试验。运用电镜扫描、压汞分析、X衍射分析等实验手段分析了温度与应变率对煤系岩石力学性质和行为的影响，研究了其细观力学机制。运用损伤力学、粘弹性理论和热力学理论，探讨了煤系岩层介质高温作用下的蠕变力学特性、本构方程、损伤演化规律。主要工作和研究成果如下：.1、采用电液伺服材料力学试验系统对常温～800℃温度作用下石灰岩、砂岩、泥岩岩样的力学特性进行了实验研究，取得了岩样的全应力-应变曲线、峰值应力、弹性模量、峰值应变、破坏方式等随温度及应变率的变化规律，揭示了岩样随温度升高和应变率增加的脆延转化特性。.2、依据岩石损伤力学与统计强度理论，结合高温作用下煤系泥岩岩样的力学性能，分别建立了考虑温度及应变率效应的泥岩损伤演化方程和本构模型，并依据煤系泥岩的应力应变试验曲线确定了本构方程的具体参数。经比较，所建立的本构模型与试验结果具有很好的印证性。.3、基于试样物质组分及断口形貌特征的X射线衍射分析试验及扫描电镜试验，得到了不同温度与应变率作用下泥岩试样组分结构的变化特征、影响泥岩力学性能的组分因素、试样的损伤破裂模式的变化特征。一定程度上揭示了不同温度及应变率作用下煤系泥岩宏观破裂特征的微观机制。.4、通过对常温及高温（700℃）作用下泥岩的分级加载蠕变试验，得到了相应的蠕变曲线，给出了泥岩的蠕变经验方程，并初步建立了考虑温度效应的泥岩蠕变本构模型，包括：泥岩的蠕变方程、卸载方程和松弛方程。.研究成果可为煤系岩层结构的破坏规律及工程稳定性分析提供重要参考。