巖石熱破裂過程數(shù)值模型及其的應(yīng)用

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1、東北大學(xué)碩士學(xué)位論文巖石熱破裂過程的數(shù)值模型及其應(yīng)用姓名：唐世斌申請學(xué)位級(jí)別：碩士專業(yè)：采礦工程指導(dǎo)教師：唐春安20051201東北大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要巖石熱破裂過程的數(shù)值模型及其應(yīng)用摘要巖石是一種天然材料，在采礦工程等領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用，其破壞問題一直是工程中研究的重點(diǎn)。巖石的熱破裂是巖石破裂的一個(gè)重要組成部分，它伴隨著深部采礦，核廢料的存儲(chǔ)、石油開采、地?zé)豳Y源的開發(fā)利用等的研究而發(fā)展起來。在核廢料的存儲(chǔ)中，由于核廢料裂變而使圍巖溫度顯著升高，導(dǎo)致巖石的熱破裂，地下水的滲入會(huì)進(jìn)一步加劇圍巖破壞、甚至導(dǎo)致核素遷移，造成地下水污染；在石油開

2、采中，利用巖石的熱破裂，增加巖石的滲透性，有利于提高石油產(chǎn)量和質(zhì)量；在地?zé)岬拈_發(fā)利用中，從300℃以上的地下高溫巖體中提取地?zé)?，注入的水將使地下巖體溫度降低而導(dǎo)致熱破裂。由此以來，研究巖石的熱破裂對實(shí)際工程意義重大。目前，有關(guān)巖石熱破裂的研究大部分以現(xiàn)場觀測、有限的物理實(shí)驗(yàn)和經(jīng)典力學(xué)方法為手段。由于巖石結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和多變性，有限的實(shí)驗(yàn)不能解決普遍的巖石熱破裂問題。巖石的非線性、非均勻性、非連續(xù)性以及結(jié)構(gòu)的復(fù)雜多變性，導(dǎo)致現(xiàn)有的解析方法難以得到應(yīng)用。雖然一些研究裂紋擴(kuò)展的方法(如斷裂力學(xué))能較好的描述已有裂紋的擴(kuò)展，但是它們?nèi)匀皇且圆牧暇鶆蛐?/p>

3、假設(shè)為前提，而巖石的非均勻性不滿足這個(gè)前提。有關(guān)巖石高溫力學(xué)特性的力學(xué)模型大多是建立在巖石的宏觀層次上，其研究的結(jié)果往往只能代表一定尺度下材料的平均力學(xué)響應(yīng)，對更大范圍內(nèi)的材料特性研究未必適用，它們也難以實(shí)現(xiàn)巖石在外載荷及熱應(yīng)力作用下的裂紋萌生、擴(kuò)展及其貫通的整個(gè)斷裂過程。巖石的熱破裂事實(shí)上是熱力耦合問題，是熱和力之間相互耦合作用的結(jié)果。因此，研究巖石的熱破裂，首要解決的就是熱力之間的耦合問題。雖然國內(nèi)外已有學(xué)者建立了相關(guān)的熱力耦合問題研究的理論、方法，但并不完善。數(shù)值試驗(yàn)方面雖有所突破，但是目前的數(shù)值模型還不能很好的模擬巖石在熱力耦合作用

4、下的裂紋擴(kuò)展、貫通的整個(gè)過程。為此，本文從巖石的細(xì)觀結(jié)構(gòu)入手，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)損傷方法、在原有RFPA(RockFailureProcessAnalysis)的基礎(chǔ)上建立了巖石熱力耦合數(shù)值模型RFPA．Thermal，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行了巖石熱破裂過程的數(shù)值模擬研究。巖石的非均勻性是巖石的一大特性。為了反映巖石在細(xì)觀層次上的非均勻性，假定其熱學(xué)和力學(xué)性質(zhì)滿足某一給定的統(tǒng)計(jì)分布。在數(shù)值模擬時(shí)，通過對組成巖石的礦物單元賦以滿足統(tǒng)計(jì)分布的力學(xué)參數(shù)即可在數(shù)值上表征巖石的非均勻性。運(yùn)用熱力耦合方程，并結(jié)合損傷理論建立了細(xì)觀層次上的巖石熱破裂數(shù)值模型。數(shù)值模型中

5、充分考慮了破壞對巖石力學(xué)和熱學(xué)特性的影響，在耦合精度上優(yōu)于以往的數(shù)值模型。文中進(jìn)行了一系列包括溫度場、應(yīng)力場和破壞模式的相關(guān)驗(yàn)證，并對模型中涉及到的有關(guān)熱傳導(dǎo)和熱應(yīng)力參數(shù)對模擬結(jié)果的影響進(jìn)行了分析，為模型的合理性及其應(yīng)用一11·東北大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要時(shí)的參數(shù)賦值提供依據(jù)。通過對TMS(Thermalmismatchstress)作用下的巖石熱破裂過程的數(shù)值模擬，揭示了TMS引起巖石熱破裂的本質(zhì)是構(gòu)成巖石介質(zhì)的非均勻性。當(dāng)數(shù)值模擬考慮巖石的破裂過程時(shí)，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)和非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)計(jì)算得到的破裂結(jié)果有很大區(qū)別，從而認(rèn)為在進(jìn)行熱破壞問題的研究中

6、，必須考慮破裂非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)過程的影響；應(yīng)用本數(shù)值模型分析了巖石在熱沖擊作用下的熱破裂過程。模型破壞所產(chǎn)生的裂紋分級(jí)現(xiàn)象與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較好的一致性。關(guān)鍵詞：熱破裂；熱力耦合；統(tǒng)計(jì)損傷；非均勻性；數(shù)值模擬；東北大學(xué)碩士學(xué)位論文AbStractNumericalModelforThermalcrackingProceSSofRockanditsApplicationAbstractRockisanaturalmaterial，andiswidelyusedinMiningEngineering，itsfailureproblemSareconcer

7、nedaswell．ThermalcrackingiSanimportantpartofrockfailure，anditdevelopedwithdeepmining，thedepositofnuclearwaste，petroleumproduction，andgeothermalresourcesdevelopmentandutilization．Inthedepositofnuclearwaste，duetofissionofthenuclearwaste，thetemperatureofwallrockishighenoughto

8、reduceitsfailure，andthepermeationofwateracceleratesitsfailureandthetransportofnuclidepoll