李守德[1]2003年在《不可逆热力学理论在多孔介质渗流问题中的应用研究》文中研究指明不可逆特性是多孔介质渗流问题的本质特征。本文针对多孔介质渗流过程中的不可逆行为，尝试将不可逆热力学的研究思路和方法引入多孔介质渗流问题的研究中，取得了一些积极的成果。 由于多孔介质本身的复杂性，多孔介质渗流问题的分析理论往往需要在多孔介质连续介质方法的基础上进行。本文基于流体粘滞流动过程的熵产表达，研究提出了多孔介质连续介质方法下多孔介质渗流过程的熵产表达形式，并在平直管模型中验证了两者的统一性。多孔介质体系往往具有复杂的宏观几何结构，本文提出了多孔介质宏观几何分类的思想，使得在具有复杂宏观几何结构的系统中可以建立简化的分析方法。另外，宏观几何分类方法亦有助于针对特定问题建立相应的输运模型，这对多孔介质渗流问题更广泛、深入的应用具有重要意义。 本文分析了多孔介质渗流过程的耗散规律，提出了不可逆特性是多孔介质渗流问题的本质特征。提出并推导了多孔介质渗流问题最小能量耗散原理，以该原理作为多孔介质渗流问题的变分原理的理论基础，具有很好的适应性和可操作性。文中在综合分析了多孔介质渗流问题各类边界条件和源(汇)条件的基础上，提出将渗流问题的水力条件划分为叁类边界条件和叁类源(汇)条件；基于最小能量耗散原理推导了渗流问题中各类水力条件的变分表达，丰富并发展了渗流问题变分原理。 研究了最小能量耗散原理在不同宏观几何分类多孔介质体系中的应用；列举若干应用问题，展示了最小能量耗散原理的较好的应用价值。为了进一步展示多孔介质宏观几何分类方法及最小能量耗散原理的应用，文中还尝试采用具有一维性质的管道介质与具有叁维性质的块体介质组合体系进行了土体管涌破坏发展过程的模拟。 在多孔介质对流扩散问题的熵产规律的研究中，分析了最小熵产原理在这一问题中的不适应性的原因。在二组元稀薄浓度问题中，通过构造扩散过程的强制对流项并结合伴随算子的有关理论推导了二组元稀薄浓度问题的伴随变分原理及其有限元方法，同时讨论了扩散问题的各类动力条件及其变分表达式。本文的工作体现了不可逆热力学理论和方法在多孔介质多过程不可逆输运问题中应用的价值，为同类问题的研究提供了新的思路和方法。基于多孔介质宏观几何分类方法和二组元稀薄浓度问题系统分析理论，提出了建立多孔介质输运模型的思路。
李守德[2]2004年在《岩土力学中的不可逆问题与不可逆热力学》文中认为不可逆热力学是一门具有普适性的学科,它是解决工程领域中很多不可逆问题的有效途径。本文讨论了岩土力学领域中广泛存在的不可逆问题,结合不可逆热力学在多种工程领域取得的应用成果探讨了采用不可逆热力学方法研究岩土力学不可逆问题具有重要意义。
许照刚[3]2017年在《基于体积平均技术的饱和土体多过程耦合现象理论研究》文中研究表明随着城市固废填埋、核废料地质填埋以及微生物诱导碳酸钙固化等工程实际和技术应用的需求,土体多过程耦合现象日益受到工程师和学者们的广泛关注和研究。土体多过程耦合现象是指土体骨架变形、体积液相(孔隙液相)渗流、溶质迁移和热量传递等热力学过程的产生、发展及其相互作用对应的土体宏观热力学行为,受土体骨架和体积液相及其组分的微观和/或细观热力学行为、土体骨架和体积液相间以及不同组分间的微观和/或细观相互作用共同决定。因此,如何实现土体热力学行为及其相互作用在不同尺度间(微观、细观和宏观尺度)的有机结合和联系,建立跨尺度、多过程相互作用的分析模型,从而正确揭示各物理化学场的相互作用机理成为目前亟待解决的热点难题。该问题的解决能够为相关工程实际和技术的有效性、安全性和推广应用提供必要的理论基础和分析方法。目前,严格科学的跨尺度、多过程耦合理论较少,传统的土体多过程耦合理论大多数都是基于宏观现象学的认识,缺少严格和科学的理论基础。本文基于体积平均技术和热力学理论,开展了饱和土体跨尺度、多过程耦合问题的基础理论研究。主要研究成果包括:(1)基于功共轭准则,定义了组成饱和土体的相和组分的功共轭速度。功共轭速度保证了相和组分的宏观输入功率密度恰好等于其宏观应力与功共轭速度的乘积,因而是描述相和组分在宏观场中真实运动规律的唯一宏观速度。(2)基于功共轭准则,建立了一个新的空间体积平均定理。该空间平均定理能够实现速度相关的通量密度(质量、动量、能量和熵的对流通量密度以及应力功率密度)从微观和/或细观尺度向宏观尺度的精确尺度扩展。(3)基于定义的功共轭速度和建立的基于功共轭准则的空间平均定理,采用体积平均技术,推导了饱和土体的宏观质量、动量、能量和熵平衡方程。推导过程考虑了土体骨架的离散构型特征,主要体现在土体骨架的宏观动量平衡方程包含了与经典土力学定义一致的Terzaghi有效应力张量,同时土体骨架的宏观能量平衡方程包含了摩擦耗能机制。功共轭速度和基于功共轭准则的空间平均定理导致体积平均结果包含两种速度:功共轭速度和质量平均速度,实现了体积平均技术对土体骨架的弹性变形(由质量平均速度的梯度描述)和塑性变形(由功共轭速度与质量平均速度梯度之差描述)在统一的理论框架内进行描述、对体积液相及其组分的平均运动(由质量平均速度描述)和弥散运动(由功共轭速度和质量平均速度之差描述)在统一的理论框架内进行描述,而无需将塑性应变、弥散通量作为额外的假设引入到理论框架中。(4)基于饱和土体的总熵平衡方程和热力学第二定律的要求,推导了饱和土体总熵不等式对其本构方程的约束关系,即非平衡态结果和平衡态结果。与已有研究不同之处在于:(a)非平衡态时,土体骨架的有效应力张量等于体积液相的热力学压力张量与土体骨架的内禀应力张量之和;(b)平衡态时,土体骨架的有效应力不为零,而是与体积液相的静水压力和土体骨架的背应力相互平衡。(5)基于Ziegler非平衡态热力学理论,建立了既适用于线性不可逆过程也适用于非线性不可逆过程的饱和土体本构理论框架。该理论框架的任一本构方程确定了描述对应不可逆过程的变量与相应主驱动力的本构关系。通过对本构理论框架中的本构方程进行分析,明确了单一热力学过程产生和发展的主驱动力、影响因素以及不同热力学过程间的耦合机理。(6)针对单一物理化学场作用下单一连续介质材料的单一热力学过程,对不同材料自由能密度函数和耗散率密度函数的函数形式的统一性进行了探讨。构建了土体骨架和体积液相的弥散型自由能密度函数和弥散型耗散率密度函数,实现了对不同材料的能量函数用统一的函数形式进行描述。(7)在已建立的饱和土体多场耦合理论框架基础上,通过对吸附液相、黏土颗粒和体积液相的自由能密度函数以及饱和土体的总耗散率密度函数进行Taylor级数展开,推导了相应的线性化本构方程,进一步得到了相应的线性化耦合模型,并采用线性化耦合模型对简化工况进行了数值模拟和分析。
蔡国庆[4]2012年在《基于多孔介质理论的土体多场耦合模型及其在非饱和土本构建模中的应用》文中研究指明高放废物地下处置、天然气水合物的开发、地热资源的利用、城市建设中的供热管道、埋地高压电缆等众多工程领域,都涉及到土体在应力、渗流、温度和化学等多场作用下的耦合问题。在多场耦合作用下,如何确定土体中土骨架的变形、孔隙水的渗流、热量的传递、组分物质或污染物的迁移与扩散、化学反应以及相变等多种过程,是目前国内外岩土工程研究领域一个迫切需要解决而又十分困难的问题。该问题的解决将为有效地解决许多工程问题,如土木工程的建设、地质灾害防治、环境保护、新能源高效开采等,提供必需的理论基础和分析方法。而建立在严格科学基础上的多场耦合理论却相对较少,传统的土体多场耦合理论大多数都是基于宏观现象学的认识,缺少严格和科学的理论基础。由此所建立的理论适用范围有限,也未能严格和有效地描述土体中多场和多过程耦合的现象,因此,无法满足解决上述实际工程问题的需要。尤其是在高放废物地下处置等一些新兴的岩土工程领域,温度对土体变形强度特性、渗流特性等基本性质的影响都不可忽略,而相关研究工作尚处于起步阶段,缺乏有价值的研究成果,更未形成完善的理论体系。本文以多孔介质理论和热力学理论为基础,从系统的平衡方程、熵不等式以及一些本构假定出发,通过严密的理论推导建立了土体非线性多场耦合模型。然后,采用适当的自由能函数和耗散函数,建立了描述非饱和土变形-渗流-传热耦合过程的数学模型。此外,通过对新建立模型的适当简化,基于已有的试验研究成果,重点考虑非饱和土的温度效应,系统研究了温度对非饱和土变形、渗流特性的具体影响,建立了相应的本构模型,并编制计算程序对模型进行了验证。最后,为了更加直观和深入地研究温度对非饱和土基本性质的影响,还研制了温控非饱和土叁轴试验装置,并基于此开展了温度对非饱和土土水特征曲线影响的试验研究。主要研究成果包括：(1)将非饱和土视为由多组分的弹塑性固体骨架、粘性液体以及理想气体组成的混合物,根据多孔介质理论建立系统内各组分、各相及整体叁个层次的平衡方程,在连续介质力学中的决定性原理、等存性原理、坐标不变性原理以及相容性原理等限制条件下进行了合理的本构假设,由此提出了叁相土体在非平衡态以及平衡态时建立本构关系的理论框架,从而形成了闭合的场方程系统。其中的关键是提出了有效广义热力学力的概念以及近平衡态时系统内部各广义耗散力和广义流之间的非线性耦合本构关系。并以此为基础给出了固相热弹塑性本构关系、液相粘弹塑性本构关系、广义Fourier定律和广义Darcy定律四种特殊耦合关系的本构方程。在给出某一具体的耗散函数的基础上,还对广义Darcy定律的具体形式进行了推导；最后还指出了不考虑温度和其它场耦合作用时,这一非线性模型可退化为非饱和土的弹塑性本构模型。(2)土体的变形-渗流-传热耦合作用是十分普遍的物理现象及工程问题。在已建立的非饱和土多场耦合理论框架基础上,选取适当的自由能函数和耗散函数,对其进行Taylor级数展开,从而得到耦合多种场作用的本构方程,并进一步得到非饱和土变形-渗流-传热耦合的数学模型。该模型统一地描述了变形-渗流-传热耦合作用下土体的弹塑性变形、流体的流动以及热量的传导等现象。与已有的研究土体多场耦合问题不同的是,所给出的守恒方程除增加了与其他场的耦合作用项以及各场之间的界面效应项外,更重要的是在变形-渗流-传热耦合作用时,对考虑各种场影响的非线性本构关系进行了推导。(3)在(1)、(2)项研究成果的基础上,结合现有的试验研究成果,重点考察温度对非饱和土变形性质的影响,建立了热-水-力耦合作用下的非饱和土弹塑性本构模型,并通过适当的简化,建立了叁轴应力条件下的本构模型。在此基础上利用Fortran语言编制计算程序,对各向同性条件下非饱和土受温度影响的弹塑性变形进行了预测,通过与这方面已有的试验数据的对比和分析,验证了所建立本构模型的适用性。(4)基于热力学理论,利用van Genuchten土水特征曲线表达式,建立了一种能考虑温度影响的土水特征曲线方程。该方程综合考虑了温度对表面张力和浸润系数的影响。相对于完全根据试验数据拟合的表达式而言,所给出的方程具有更加坚实的理论基础以及更好的适用性和一般性。在此基础上,提出了一种预测不同温度下非饱和土相对渗透系数的间接方法。该方法适用于土水特征曲线的整个吸力范围,从而其应用范围也会更广。利用MX-80斑脱土和黄土土样的试验结果,验证了所建立的土水特征曲线方程的正确性,并对不同温度下相对渗透系数随吸力的变化进行了预测。(5)基于GDS非饱和土叁轴仪,开发和研制了全新的压力室系统,并实现了对试验过程中温度的自动控制。所研制的仪器对温度的控制操作简便,数据的测量和采集实现自动化,且所测数据精确。利用所研制的仪器,对取自北京地铁八号线二期某车站基坑的粉质粘土,进行了不同温度下土水特征曲线的试验研究,揭示了温度对土水特征曲线的影响规律。
崔万军[5]2006年在《聚驱过程中滞留油迁移相界面热力学研究》文中研究指明针对聚合物溶液驱替水驱滞留油过程中,相界面域流体的流动型态演变的问题,本文在聚合物溶液黏弹性提高微观驱油效率机理的基础上,运用高分子热力学、相界面热力学及现代热力学理论研究聚合物溶液与油水界面间的能量转换,研究聚合物溶液对油水界面的拉拽作用,分析可视实验中油丝的生成、断裂、聚并现象,取得了如下的研究成果:玻璃刻蚀薄片可视驱油实验及油水界面变形运移可视实验表明:滞留油的局部突起、增长、拉伸成油丝,油丝断裂、迅速回缩成小油滴,及不同小油滴的逐渐聚并,这是一个非平衡态不可逆过程。整个过程中每一环节界面形态的变化都是相界面能量转换的结果。聚合物高分子溶液具有网链结构,运动中显示出的黏弹效应直接关系相界面能量转换。在一定条件下,加大聚合物溶液的流速、增加聚合物溶液的浓度、提高聚合物分子量或降低油水界面张力均可使油水界面变形程度加大。聚合物岩心驱油过程是一个热力学开放物系,聚合物激活、迁移岩心水驱滞留油过程是一个油相由静止变为运动的非平衡过程。聚合物分子网链结构在通过岩心时发生形变,引起聚合物溶液自由能的变化。环境对岩心物系所做的功转化成聚合物溶液的内摩擦热及自由能变。分子量大、浓度高的聚合物溶液岩心压降高于分子量小、浓度低的聚合物溶液岩心压降。聚合物溶液流量的增加和岩心渗透率的降低均能加大聚合物分子网链的形变程度,增大溶液自由能变,增大聚合物溶液岩心压降。聚合物溶液在非平衡定态岩心稳流过程中遵循热力学能量守恒定律,物系自由能转变是聚合物溶液压能、动能、位能、流体相间的亲和势能及摩擦热的总和,并受油藏孔隙大小、分布特征的影响。在聚合物浓溶液中,聚合物高分子链彼此贯穿相互缠结形成分子网链结构,聚合物溶液自由能变与单位体积高分子交联网链数成正比,发生同样形变程度的聚合物溶液,其交联网链数密度越大,溶液的自由能变也越大。聚合物分子链构象变化能引起流体熵值的变化,依据热力学理论分析聚合物驱油过程中物系的熵产生,可以判定出物系从非平衡态向平衡态转化的方向。在恒温恒容条件下,可用自由能变和熵变判断聚合物驱油的程度,物系自由能平衡理论深化了聚合物溶液在油水相界面区域的流变学理论,认识岩心物系熵变是提高聚合物微观驱油效率关键所在。聚合物溶液流动时,环境做的功能使聚合物分子网链结构发生拉伸、剪切等形变,使聚合物分子熵值减少,环境做的功一部分转化成了溶液自由能,而另一部分则消失在黏性耗散之中。聚合物溶液的自由能变联系着聚合物分子网链结构变形的回复推动力,即热力学力。聚合物溶液的拉伸应力是流体自由能对拉伸长度的导数,聚合物溶液的剪切应力
苏杭[6]2008年在《多孔介质干燥过程传热传质的理论分析与实验研究》文中指出多孔物料的对流干燥是物料内部热湿迁移和外部质热传递相结合的过程。为准确评价干燥过程的能质平衡关系,提出了采用变质量热力学方法的观点,并进行了第一定律和第二定律分析。为揭示物料在外部条件作用下的内部水分迁移机理,运用不可逆热力学理论,建立了多孔物料内部传热传质的唯象方程模型,并离散求解,结果与实验值吻合较好。最后分析了四组干燥实验方案的数据,结合模型,提出了符合实验对象热湿迁移规律的干燥方案。
保昆雁[7]2006年在《中密度纤维板热压工艺的研究》文中研究表明为了实现根据中密度纤维板预期剖面密度曲线(VDP)及其相应板材最终性能质量来设计热压工艺参数并对其进行过程控制的目标，达到提高生产线自动控制技术水平从而达到提高生产效率、降低生产成本的目的，论文采取了连续的温度、压力在线测试手段，对传统热压工艺及其工艺效应和热压过程中的物理、力学过程进行了检测分析，对中密度纤维板热压过程中的物理、力学过程进行了模型分析和试验验证，系统提出了基于厚度控制的热压工艺新理论。本文的主要研究成果和创新点为：1．明确了传统热压工艺现存的问题，提出中密度纤维板热压工艺的新思路并研制了反映新思路的工艺设备。传统热压工艺理论基于压力控制完成整个热压过程，存在着加压闭合速度不可控、加压闭合时间不确定的工艺缺陷。论文提出了基于厚度控制的热压工艺新思路，引入传感器技术和计算机控制技术，研制了反应热压工艺新思路的热压设备和测试分析系统，对中密度纤维板热压过程中板坯内的温度场、板坯应力、板坯内蒸汽压等物理量进行了系统全面的的测试分析；2．基于多孔介质传热传质理论和非平衡热力学基础理论建立了中密度纤维板热压过程中板坯内的传热传质非线性一维数学模型。模型充分考虑了多孔介质内部传热传质之间的相互耦合现象，进一步从理论上分析了温度、含水率对各唯象系数的影响；3．基于多孔介质力学基本理论和经典粘弹性理论归纳了热压过程中板坯受压材料的流变特性模型。将热压过程中板坯材料的流变特性分为加压闭合阶段的应力应变关系和保持厚度阶段的应力松弛，模型归纳了多孔介质力学基本理论和经典粘弹性理论关于高聚物流变特性的描述，引入了叁个待定参数反映热压工艺因子对被压板坯材料流变特性的影响；4．根据对中密度纤维板热压过程的实测结果，分析了中密度纤维板剖面密度分布形成及其变迁的机理并提出了相应的计算模型，形成系统的基于厚度控制的热压工艺新理论基础；文中提出热压周期决定于板坯芯层温度达到胶粘剂固化温度所需的时间和胶粘剂的固化时间；中密度纤维板剖面密度分布的形成以热压开始为起点，以相应位置胶粘剂的固化为终点，计算结果表明：采用较高的热压板温度、适当的板坯初始含水率和较快的闭合速度可较快地达到预期的芯层温度，能缩短热压周期，提高生产率；在要求板材平均密度一致的条件下，采用较大的加压闭合速度、较高的热压温度和适当的板坯初始含水率，可使板材内部峰值密度增大并向表层方向移动，而芯层密度相应减小；而采取相对较低的加压闭合速度、较低的热压温度和较高的板坯初始含水率，可使板材内部密度分布较为均匀，与试验结果基本吻合；5．从中密度纤维板力学性能的检测方法出发，分析了测试过程中试件的破坏机理。从理论和试验两方面论证了板材弹性模量(MOE)决定于板材中最先破坏点的密度，而板材静曲强度(MOR)决定于板材中最后破坏点的密度。
蔡伟[8]2007年在《基于偏移活化能的多孔物料内部干燥热质传递特性的研究》文中研究表明干燥是工农业生产和人类日常生活中最广泛存在的一个复杂热物理过程,在物料中同时发生传热传质过程。多孔介质干燥学科发展至今已取得了长足发展,研究成果众多,但由于多孔物料干燥过程的复杂性、多变性和非稳定性,使得对多孔介质过程的研究仍然以实验研究为主。因此,丰富和完善干燥过程传热传质理论、加深对多孔介质干燥过程物理机制的认识,对于合理组织干燥过程、节约干燥过程能耗、提高干燥产品质量具有重要的理论意义和实用价值。基于偏移活化能理论和不可逆热力学理论,应用能量守恒定律、质量守恒定律和热力学第二定律,分析了多孔介质干燥过程中流体的基本传输形式,考虑了液体传输时的毛细效应和扩散效应,建立了对流干燥过程一维热湿传递的数学模型,并对其进行分析求解。该模型充分考虑了传热与传质之间的相互耦合,能准确预测干燥过程中物料的含湿量变化。搭建物料动态干燥实验台,以片状土豆为实验对象,来验证偏移活化能动态数学模型,得到了土豆干燥过程中内部温度和平均含湿量的变化曲线,计算结果与实验数据吻合较好,验证了模型的正确性。并分析了各种物性参数对干燥过程的传热传质以及偏移活化能的影响,指出了传热对传质的影响不可忽略,而传质对传热的影响不大,可以忽略。研究表明,偏移活化能方法能有效地探索干燥机理和研究物料工业干燥特性,为干燥动力学的研究确定优化方案提供理论基础与技术依据。对适宜地调整热工干燥制度、提高干燥质量具有巨大的实用价值和深远的理论意义。
孙扬[9]2012年在《天然气藏超临界CO_2埋存及提高天然气采收率机理》文中认为根据国内外已取得的研究成果,CO2捕集与埋存技术(Carbon Dioxide Capture and Storage,简称CCS)是实现CO2明显减排首选的技术之一,但成本高昂。我国海上以及松辽平原已发现许多富含CO2的气田。而(含CO2)天然气藏是最适合通过主动注入大量CO2实现CO2地下封存的埋存靶场之一。气藏含气产层的储气性以及圈闭封盖的完整性在长期的天然气赋存阶段和天然气开发阶段已经得到充分的地质验证。在气藏中实施CO2长期稳定埋存可以结合提高天然气采收率(CO2Sequestration with Enhanced Gas Recovery,简称CSEGR),从而实现CO2的规模化综合利用,降低CCS成本,这无疑会具有很大的潜力。本文以一个真实的含CO2天然气藏为埋存靶场,设计了在气藏温度、压力下的超临界CO2—天然气体系非平衡态相行为观测实验和超临界CO2与天然气之间的对流扩散观测实验,结合相态计算和数值模拟方法,研究气藏超临界CO2埋存过程中气体运移与同时提高天然气采收率的机理。主要研究重点是超临界CO2埋存带、超临界CO2-天然气过渡带以及气藏剩余天然气带的相态行为；超临界CO2驱替天然气过程中的渗流行为；地层温度、压力下气体运移速度和地层非均质性对流体运移的影响。在对气藏实施超临界CO2稳定埋存过程中的气体运移有足够认识的基础上,运用一维线性、二维剖面、以及叁维气藏数值模拟模型评价其提高天然气采收率的可行性,筛选出最适合超临界CO2埋存的气藏储层分布类型,并开展超临界CO2埋存及同时提高天然气采收率效果最理想的方案设计。通过上述系统研究,获得了以下研究成果和认识：1)超临界CO2所特有的超临界物理性质使得在气藏中实施超临界CO2稳定埋存的同时驱替天然气在原理上具有可行性。深度在1000m左右气藏是最为理想的超临界CO2埋存靶场。超临界CO2所特有的高密度等超临界特性,使得超临界CO2和天然气之间的扩散很弱,超临界CO2-天然气过渡带的厚度因此受到限制,从而使超临界CO2驱替天然气带成为可能。2)超临界CO2-天然气体系非平衡态相行为使得超临界CO2在埋存的同时驱替天然气在流体相行为上具有可行性。超临界CO2-天然气体系非平衡态对流扩散结果使得超临界CO2永久埋存稳定性受天然气的影响不大,即超临界CO2在埋存的同时驱替天然气不会影响超临界CO2永久埋存。3)长岩芯超临界CO2驱替天然气渗流行为的实验研究以及数值模拟研究表明,多孔介质中超临界CO2呈现为较强的活塞式驱替天然气的特征,高的驱替压力对CO2驱替天然气更为有利,但在超临界CO2近临界区压力(10MPa)已能满足驱替要求。气体运移速度过大会削弱驱替的稳定性。4)在气藏中实施超临界CO2稳定埋存的同时增加天然气的采出程度,应有效利用气体运移过程中超临界CO2与天然气的重力分异作用,使超临界CO2能稳定地“沉积”在气藏的下部作为“垫气”埋存。但储层渗透率的非均质性和韵律会对超临界CO2驱替天然气的渗流行为和CO2稳定埋存的分布状态产生一定的影响。注超临界CO2方案设计数值模拟计算结果显示,废弃的反韵律气藏实施注超临界CO2埋存的同时提高剩余天然气采收率效果会更好,更有利于增加超临界CO2永久埋存的稳定性。
王登科[10]2009年在《含瓦斯煤岩本构模型与失稳规律研究》文中研究说明我国是世界上煤与瓦斯突出最严重的国家之一。近年来,随着开采深度的增加、瓦斯压力的增大和开采条件的日趋复杂,煤与瓦斯突出发生的强度及造成的伤亡不断增长,煤与瓦斯突出的预测和防治工作形势十分严峻。煤与瓦斯突出机理的综合作用假说表明,煤与瓦斯突出是地应力、瓦斯压力和煤岩的物理力学性质叁者的综合作用结果。在煤与瓦斯突出过程中,主要是含瓦斯煤岩的力学性质、蠕变特性以及渗透特性对突出的发生和发展在起作用。因此研究与这些内容相关的含瓦斯煤岩的本构模型及破坏准则,对进一步揭示煤与瓦斯突出机理和防治煤与瓦斯突出有着十分重要的作用。本文基于前人的研究成果,利用实验研究、理论分析和数值模拟相结合的方法,旨在建立符合含瓦斯煤岩特性的本构模型和失稳准则,并利用实验结果对之进行验证。本文的主要研究成果如下:①利用自主研制的含瓦斯煤岩叁轴蠕变瓦斯渗透装置与材料试验机组成的实验系统,对含瓦斯煤岩的力学性质、蠕变特性和渗透特性进行了系统深入的实验研究。在含瓦斯煤岩力学性质的实验研究中,分析了围压和瓦斯压力对含瓦斯煤岩变形特性和抗压强度的影响,得出了相关规律;分析总结出了含瓦斯煤岩叁轴压缩下的破坏形式。在含瓦斯煤岩蠕变特性的实验研究中,根据实验结果总结出了含瓦斯煤岩蠕变规律;详细分析了含瓦斯煤岩衰减蠕变阶段和稳态蠕变阶段的蠕变变形和蠕变速率,得到了偏斜应力、围压和瓦斯压力叁者对蠕变速率的影响规律;分析总结出了含瓦斯煤岩加速蠕变阶段的启动条件及该阶段的蠕变速率特征。在含瓦斯煤岩渗透特性的实验研究中,根据实验结果总结出了围压和瓦斯压力对含瓦斯煤岩渗透率的影响规律,分析了Klinkenberg效应和应力-应变全过程对含瓦斯煤岩渗透率影响,并得出了一些有价值的分析结果。②基于实验结果,利用模型辨识方法得到了描述含瓦斯煤岩粘弹性流变特性的最适合流变模型为伯格斯体;提出了一种能反映含瓦斯煤岩加速蠕变的改进的粘弹塑性模型,将之与伯格斯体一起组成了一维含瓦斯煤岩的非线性粘弹塑性流变模型,进而推导得出了含瓦斯煤岩叁维非线性粘弹塑性流变模型,并利用实验结果进行了验证;利用常微分解的稳定性理论,对含瓦斯煤岩非线性粘弹塑性流变模型进行了稳定性分析,得到了含瓦斯煤岩的流变失稳条件。③在不可逆热力学框架内,利用连续介质损伤力学方法建立了用以描述含瓦斯煤岩的弹塑性变形、瓦斯吸附效应、体积膨胀、围压敏感、弹性模量的退化、各向异性损伤、应变强化及软化、非关联塑性流动等物理现象及力学行为的弹塑性耦合损伤本构模型,并对之进行了实验验证。④在多孔介质有效应力原理中引入了煤岩吸附瓦斯的膨胀应力,建立了含瓦斯煤岩的固气耦合动态模型,该模型不但考虑了含瓦斯煤岩在变形过程中孔隙度和渗透率的动态变化特征,而且还反映了瓦斯气体可压缩性和煤岩骨架可变形的特点,从而更真实全面地反映了含瓦斯煤岩的固气耦合效应;利用COMSOL-Multiphysics有限元软件根据所提出的含瓦斯煤岩的固气耦合本构模型建立了有限元模型,得到了含瓦斯煤岩固气耦合动态模型的数值解,同时还分析了Klinkenberg效应对含瓦斯煤岩渗透率的影响。⑤利用初等突变理论建立了基于试验机-试样分析系统的含瓦斯煤岩蠕变破坏的尖点突变失稳模型,得出叁轴压缩条件下含瓦斯煤岩蠕变失稳破坏条件。⑥在总结国内外关于岩石类材料的强度准则及实验结果基础上,提出了一种符合含瓦斯煤岩叁轴应力条件下变形的强度判据,该判据不但能描述叁轴压缩下中间主应力的影响及含瓦斯煤岩非线性应变强化特征,而且还可以描述含瓦斯煤岩的拉伸破坏。
参考文献：
[1]. 不可逆热力学理论在多孔介质渗流问题中的应用研究[D]. 李守德. 浙江大学. 2003
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