瓦斯压力作用下煤岩统计损伤本构模型的建立方法技术

本发明专利技术公开了瓦斯压力作用下煤岩统计损伤本构模型的建立方法，具体为：通过考虑瓦斯压力，引入有效应力原理，定义应力瓦斯渗流耦合下的有效应力张量，设煤岩微元体强度服从weibull分布，并以Hoek

【技术实现步骤摘要】
瓦斯压力作用下煤岩统计损伤本构模型的建立方法


[0001]本专利技术属于岩体工程
，具体涉及瓦斯压力作用下煤岩统计损伤本构模型的建立方法。

技术介绍

[0002]随着对深部资源的开采和利用，出现了一大批深部岩石工程，如开采煤矿，煤层气抽采和地下空间建设等，其施工过程中常伴随着各种灾害。尤其在煤矿开采和煤层气抽采中，经常会引发矿压、煤与瓦斯突出等动态灾害，对煤矿的安全生产造成了严重的威胁。因此，深入了解瓦斯压力对煤岩的力学行为影响和煤岩的损伤破裂，对于深部采矿采气工程的合理设计和安全生产具有重要意义。
[0003]目前，考虑瓦斯压力对煤岩力学性质影响的本构模型研究较少，并且在构建本构模型时，往往会忽略峰后残余应力阶段的力学特征。而统计损伤本构模型作为一种目前应用最广泛的模型之一，可以更加准确的描述岩石的损伤演化特征，能较好反映出瓦斯压力作用下的煤岩损伤的力学机制。因此，设计一种瓦斯压力作用下煤岩统计损伤本构模型的建立方法十分有必要。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供瓦斯压力作用下煤岩统计损伤本构模型的建立方法，建立的模型可以准确反映煤岩在三向受力和瓦斯压力共同作用下的本构关系，为煤岩储层的开采提供一定的理论指导。
[0005]本专利技术所采用的技术方案是，瓦斯压力作用下煤岩统计损伤本构模型的建立方法，具体按照以下步骤实施：
[0006]步骤1：通过考虑瓦斯压力，引入有效应力原理，定义应力瓦斯渗流耦合下的有效应力张量如式(2)所示：
[0007][0008]式中：b为Biot系数，b＝1；p
a
为孔隙瓦斯气体压力；δ
ij
为克罗内克符号；D为损伤变量；
[0009]步骤2：基于应力瓦斯渗流耦合下的有效应力张量，设煤岩微元体强度服从weibull分布，并以Hoek
‑
Brown准则作为微元体强度的破坏准则，建立瓦斯压力作用下的煤岩统计损伤本构模型；
[0010]步骤3：基于建立的瓦斯压力作用下的煤岩统计损伤本构模型，引入由残余强度和峰值强度定义的损伤修正系数，建立修正后的瓦斯压力作用下煤岩统计损伤本构模型。
[0011]本专利技术的特点还在于，
[0012]步骤2中，具体为：
[0013]煤岩的损伤变量D可以表示为受损破坏的单元数与无损时材料单元数的比值，如式(4)所示：
[0014][0015]式中：N为总微元体数目，在任意区间[F,F+dF]内产生破坏的微元数目为Np(F)dF；
[0016]设煤岩微元强度服从Weibull随机分布，则概率密度分布函数p(F)，如式(5)所示：
[0017][0018]式中：a,η均为Weibull分布参数；
[0019]把(5)代入(4)可得出损伤变量D，如式(6)所示：
[0020][0021]采用Hoek
‑
Brown强度准则描述煤岩微元强度F，如式(7)所示：
[0022][0023]式中：σ
c
为完整煤岩的单轴抗压强度；m,s为与煤岩特征有关的常数；θ为30
°
；分别为最大、中间、最小的有效主应力；
[0024]将式(2)代入式(7)，将煤岩微元强度F可表示为式(8)；
[0025][0026]轴向的应力
‑
应变关系可以表示为式(9)：
[0027][0028]式中：为最大有效主应变；E为弹性模量；ν为泊松比；
[0029]令轴向应变将式(2)代入式(9)，得到应力
‑
瓦斯压力耦合作用下的轴向应力
‑
应变的关系如式(11)所示：
[0030]σ1＝(1
‑
2ν)p
a
+2νσ3+Eε1(1
‑
D)
ꢀꢀ
(11)；
[0031]把式(11)代入式(8)，得到用名义应力表示的煤岩微元强度F，如式(12)所示：
[0032][0033]轴向偏应力σ
1t
为轴向应力σ1和围压σ3的差值，如式(13)所示：
[0034]σ
1t
＝σ1‑
σ3ꢀꢀ
(13)；
[0035]轴向应力施加前的初始应变ε0，如式(14)所示：：
[0036][0037]真实的轴向应变ε1为试验测量应变值ε
1t
与初始应变ε0之和，如式(15)所示：
[0038]ε1＝ε0+ε
1t
ꢀꢀ
(15)；
[0039]把(6)、(13)、(14)、(15)代入到式(11)、(12)可得到瓦斯作用下煤岩统计损伤本构
模型，如式(16)所示：
[0040][0041]步骤3中，具体为：
[0042]根据煤岩的变形特征，引入由残余强度和峰值强度定义的损伤修正系数k，如式(17)所示：
[0043][0044]式中：σ
r
为残余强度；σ
p
为峰值强度；
[0045]损伤修正系数修正后的有效应力张量表示为式(18)：
[0046][0047]由此可以建立修正后的瓦斯压力作用下煤岩统计损伤模型为式(19)：
[0048][0049][0050]本专利技术的有益效果是，
[0051]1、通过考虑瓦斯压力对煤岩的损伤效应，引入有效应力原理，采用统计损伤本构模型来描述瓦斯压力作用下煤岩的本构关系，并基于反映残余强度和峰值强度的损伤修正系数对本构模型进行修正，使建立的模型可以准确反映煤岩在三向受力和瓦斯压力共同作用下的本构关系；
[0052]2、进行不同瓦斯压力作用下煤岩的三轴试验，根据所得试验数据采用峰值点法和曲线拟合法分别确定模型参数值，并将其与试验曲线进行对比分析，验证了本构模型的正确性和优越性。
[0053]3、通过分析模型参数和损伤修正系数对理论曲线形态特征的影响规律，明确了模型参数对含瓦斯煤岩的物理意义，体现了瓦斯压力作用下煤岩统计损伤本构模型的适用性，对含瓦斯煤岩实际工程的安全分析有较好的参考价值。
附图说明
[0054]图1是本专利技术一种瓦斯压力作用下煤岩统计损伤本构模型的建立方法的流程示意图；
[0055]图2是煤岩在瓦斯压力为1MPa时损伤本构模型理论曲线和试验曲线对比图(一)；
[0056]图3是煤岩在瓦斯压力为1MPa时损伤本构模型理论曲线和试验曲线对比图(二)；
[0057]图4是煤岩在瓦斯压力为2MPa时损伤本构模型理论曲线和试验曲线对比图(一)；
[0058]图5是煤岩在瓦斯压力为2MPa时损伤本构模型理论曲线和试验曲线对比图(二)；
[0059]图6是煤岩在瓦斯压力为3MPa时损伤本构模型理论曲线和试验曲线对比图(一)；
[0060]图7是煤岩在瓦斯压力为3MPa时损伤本构模型理论曲线和试验曲线对比图(二)；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.瓦斯压力作用下煤岩统计损伤本构模型的建立方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤1：通过考虑瓦斯压力，引入有效应力原理，定义应力瓦斯渗流耦合下的有效应力张量如式(2)所示：式中：b为Biot系数，b＝1；p
a
为孔隙瓦斯气体压力；δ
ij
为克罗内克符号；D为损伤变量；步骤2：基于应力瓦斯渗流耦合下的有效应力张量，设煤岩微元体强度服从weibull分布，并以Hoek
‑
Brown准则作为微元体强度的破坏准则，建立瓦斯压力作用下的煤岩统计损伤本构模型；步骤3：基于建立的瓦斯压力作用下的煤岩统计损伤本构模型，引入由残余强度和峰值强度定义的损伤修正系数，建立修正后的瓦斯压力作用下煤岩统计损伤本构模型。2.根据权利要求1所述的瓦斯压力作用下煤岩统计损伤本构模型的建立方法，其特征在于，所述步骤2中，具体为：煤岩的损伤变量D可以表示为受损破坏的单元数与无损时材料单元数的比值，如式(4)所示：式中：N为总微元体数目，在任意区间[F,F+dF]内产生破坏的微元数目为Np(F)dF；设煤岩微元强度服从Weibull随机分布，则概率密度分布函数p(F)，如式(5)所示：式中：a,η均为Weibull分布参数；把(5)代入(4)可得出损伤变量D，如式(6)所示：采用Hoek
‑
Brown强度准则描述煤岩微元强度F，如式(7)所示：式中：σ
c
为完整煤岩的单轴抗压强度；m,s为与煤岩特征有关的常数；θ为30
°
；分别为最大、中间、最小的有效主应力；将式(2)代入式(7)，将煤岩微元强度F可表示为式(8)；轴向的应力
‑
应变关系可以表示为式(9)：式中：为最大有效主应变；E为弹性模...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛熠，王林潮，陈阳，苏善杰，张智豪，李雪，刘帅，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：