西部白垩系地层煤矿立井人工冻结软岩蠕变损伤力学特性研究

Freezing method is an effective construction method to pass through the thickest alluvium for coal mine shaft. It is more important to research the creep damage mechanical characteristics of artificially frozen soft rock of coal mine shaft in the western Cretaceous stratum. Based on experimental study, the project carries out systematic and scientific study with a combination of theoretical analysis and numerical calculation methods. Specific studies are as follows：(1) Experimental research on the creep damage mechanical characteristics of artificially frozen soft rock under the uni-axial stress condition in low temperature, to get the frozen soft rock volume yield surface & the frozen soft rock uni-axial creep equation; (2) Experimental research on the creep damage mechanical characteristics of frozen soft rock under the tri-axial stress condition, to get the regular strength ,nonlinear creep equation and the creep strength criteria;(3) Through the meso-damage mechanical experimental on the frozen soft rock, to obtain the creep damage evolution and damage evolution equation of frozen soft rock; (4) Moisture-heat transfer mechanism and coupling analysis of freezing temperature field and moisture field and stress field during freezing process of frozen soft rock; (5) Established the creep damage constitutive relationship of frozen soft rock, identified the creep parameters and coupled finite element numerical calculation of frozen soft rock. This provide scientific and theoretical reference for frozen design of coal mine shaft in the western Cretaceous stratum.

人工冻结法是西部白垩系地层煤矿立井的有效施工方法，本项目针对我国西部地区白垩系地层煤矿立井人工冻结软岩蠕变损伤力学特性和冻结壁稳定关键问题，以试验研究为基础，采用理论分析和数值计算相结合的研究方法，开展以下研究：（1）白垩系人工冻结软岩热物理参数和不同冻结温度状态下单轴蠕变力学特性试验，获得单轴受力条件下的蠕变-时间曲线簇及单轴蠕变方程；（2）白垩系人工冻结软岩低温状态下的三轴蠕变力学特性试验，获得冻结软岩的长时强度、非线性蠕变方程和蠕变强度准则；（3）白垩系人工冻结软岩细观损伤力学特性研究，获得冻结软岩蠕变损伤演化规律和损伤演化方程；（4）白垩系人工冻软岩冻结过程水热迁移机理研究，并进行冻结温度场、水分场、应力场的耦合分析；（5）建立白垩系人工冻软岩蠕变损伤本构关系，进行蠕变参数辨识和蠕变有限元数值计算。为西部地区白垩系地层煤矿立井冻结壁稳定性评价和冻结设计提供科学的理论依据。

项目针对我国西部地区白垩系地层煤矿立井人工冻结软岩蠕变损伤力学特性和冻结壁稳定关键问题，以西部甘肃新庄煤矿立井典型白垩系饱和冻结砂岩为研究对象，采用理论分析和室内试验相结合的研究方法，开展饱和砂岩热物理参数测试试验，进行了不同冻结温度、不同围压的单轴---三轴围压条件下的蠕变试验，全面获取了饱和冻结砂岩的物理力学特性和蠕变力学特性变化规律。基于损伤力学理论，建立了能够描述白垩系饱和冻结砂岩蠕变损伤特性的本构方程，并进行了蠕变参数辨识和室内模型实验。主要成果如下：.①开展了白垩系饱和状态的中粒砂岩和粗粒砂岩物理特性研究，进行了不同冻结温度条件下热参数的测试，研究了不同粒径砂岩热参数的差异性，全面分析岩性和冻结温度对白垩系砂岩热参数性质的影响。.②进行了白垩系饱和状态中粒砂岩和粗粒砂岩在不同冻结温度条件的单轴及三轴力学特性研究。分析了饱和状态下，不同岩性和不同冻结温度状态下力学特性与破坏规律。阐述不同岩性、同一冻结温度状态下的力学特性的差异性；同一岩性、不同冻结温度状态下力学特性的变化规律。获取应力-应变曲线以及冻结砂岩的力学参数与冻结温度的变化关系，探究了两种冻结砂岩的宏观破坏形态和破坏机理。.③进行了白垩系冻结砂岩的蠕变力学特性试验。获取了不同冻结温度、不同围压和不同加载系数水平的蠕变-时间曲线簇、蠕变速率-时间曲线、蠕变应力-应变曲线等蠕变特征参数，获得了不同冻结温度下两种砂岩的蠕变长期强度与三轴压缩强度的百分比。阐明岩性、温度、围压和加载系数对于冻结砂岩蠕变行为一致性和差异性的影响规律。.④建立了白垩系冻结砂岩蠕变损伤本构关系，建立了损伤变量与时间的关系，分析了蠕变各阶段损伤演化规律。结合岩石蠕变理论、分数阶理论和损伤理论，建立考虑损伤的黏弹塑蠕变模型与分数阶蠕变模型。.⑤基于蠕变模型进行了参数辨识和模型试验，对两种模型进行了合理性验证和对比分析。获取蠕变参数受到温度、围压和加载系数的敏感性程度及变化规律。开展了室内相似模型试验，探究了冻结温度与冻结壁蠕变变形的关系。. 研究成果将对预测和控制岩体工程的长期安全稳定及白垩系地层冻结工程的设计和施工提供科学理论基础和工程指导意义。