西部冻结斜井洛河组砂岩解冻后蠕变损伤破坏机理试验与理论研究

The study on the creep damage characteristics of the artificial frozen inclined shaft sandstone in Luohe formation is one of the basic subject for the long term stability analysis of the inclined shaft in western coal mine. This project has important theoretical significance and potential engineering application value for the disaster control and long-term safe operation of artificial frozen inclined shaft after thawing. Use rock-like materials to make crack rock specimen and 3d physical model. The effects of different freezing temperature, confining pressure, porosity, fissure number and geometric features are considered. Triaxial compression creep acoustic emission tests and 3d physical simulation tests are used to study the creep crack evolution, creep damage model and its failure mechanism on sandstone in Luohe formation of artificially frozen inclined shafts. On account of rock damage mechanics and creep mechanics theory defined damage variable and establish damage evolution equation. Combined element combined models with fraction calculus theory and damage mechanism analyze establish creep constitutive model provides the determining method for corresponding parameters. Reveal the influence of different stress levels, fractional derivative and viscosity coefficient on the creep strain of sandstone in Luohe group. Advance creep damage constitutive relation and relational parameter's defining-methods of sandstone in Luohe formation. On account of the failure law of creep damage elucidate the damage characteristics and long-term stability evaluation methods of artificial frozen inclined shaft after thawing.

西部浅埋煤层人工冻结斜井解冻后洛河组砂岩蠕变损伤破坏特性研究是斜井井筒长期稳定性评价的基础性课题之一，对人工冻结斜井井筒解冻后灾害治理及长期安全运行具有重要理论意义和潜在的工程应用价值。采用类岩石材料制作裂隙岩样及三维大型物理相似材料模型，考虑不同冻结温度、围压、孔隙率、裂隙数及几何特征等因素的影响，采用可绘制岩样三维破裂全过程图像的三轴压缩蠕变声发射试验及三维物理模拟试验研究解冻后洛河组砂岩蠕变裂纹演化规律、损伤破坏模式与机理。基于岩石损伤力学和蠕变力学理论，定义损伤变量，建立损伤演化方程，在元件组合模型的基础上，结合分数阶微积分理论，建立基于损伤机理分析的蠕变损伤本构模型，给出相关参数的确定方法，并进行参数敏感性分析，揭示不同应力水平、分数阶导数阶数、黏性系数对洛河组砂岩蠕变应变的影响规律。基于洛河组砂岩蠕变损伤破坏规律，阐明人工冻结斜井井筒解冻后灾害发生机理并提出长期稳定性评价方法。

我国西部地区煤炭资源丰富，且多赋存于富水软岩地层。斜井冻结法施工是近年煤矿行业兴起的新方法，但对于解冻后井筒的长期稳定性评价及致灾机制尚缺乏系统研究。开展该课题研究具有重要的理论意义和潜在的工程应用价值。.本项目以我国西部煤矿井筒施工常见的洛河组砂岩及相似材料为研究对象，考虑不同冻结温度、围压、孔隙率、裂隙数及几何特征等因素的影响，制作不同裂隙个数的粗、中、细粒砂岩类岩石材料，完成不同冻结温度解冻后洛河组砂岩和类砂岩的三轴压缩破坏核磁共振测试，以及在不同围压下的分级加载三轴压缩蠕变声发射试验，分析不同孔隙率、裂隙个数、裂隙几何特征、冻结温度、围压大小对洛河组砂岩蠕变裂纹演化规律、损伤破坏模式及影响规律，系统研究解冻后洛河组砂岩的蠕变损伤破坏机理；在元件组合模型的基础上，结合分数阶微积分理论，建立解冻后砂岩的分数阶非线性粘弹塑性蠕变模型，给出相关参数的确定方法，并进行参数敏感性分析，揭示不同应力水平、分数阶导数阶数、黏性系数对洛河组砂岩蠕变应变的影响规律。.根据斜井冻结特点，研制出一套适用于斜井冻结的三维物理模拟试验系统，利用此试验系统可完成不同工况下的人工冻结斜井三维物理模拟试验，填补了人工冻结斜井三维物理模拟试验系统空白；基于洛河组砂岩地层斜井冻结壁-井壁相互作用机理、斜井井壁变形特性和斜井井筒静动力受荷类型、大小及应力状态，构建了考虑带式输送机震动影响的斜井井壁底板厚度计算方法；提出了一种冻结斜井三维数字可视化监测方法和监测结构，构建了冻结斜井全寿命永久信息化监测系统。基于洛河组砂岩解冻后蠕变损伤破坏机理，提出了人工冻结斜井解冻后井筒长期安全运行的技术措施以及富水洛河组砂岩地层冻融灾害预测预报控制技术。.上述研究成果，为人工冻结斜井解冻后井筒长期稳定性分析提供了理论支撑和科学依据，并在榆林袁大滩煤矿斜井冻结法施工中进行了成功应用，产生了较好的经济效益。