[发明专利]一种延期突出煤的蠕变本构及其数值化实现技术

说明书

技术领域

本发明涉及地质及安全工程技术领域，尤其是涉及一种延期突出煤的蠕变本构及其数值化实现技术。

背景技术

延期突出是煤与瓦斯突出现象的一种，一般滞后于采掘爆破数小时，具有延时性和隐蔽性的特点。

关于煤与瓦斯延期突出的研究，国内外研究成果较少，其发生机理尚不明确。近年来，部分学者认识到延期突出往往和煤的蠕变性质有关，尹光志(2008)、王登科(2009)、蒋长宝(2011)等众多学者采用自行研制的含瓦斯煤岩蠕变实验装置，对煤的蠕变特性进行了大量的试验研究，获取了瓦斯压力、围压、轴压等对含瓦斯煤蠕变性质影响的信息，并提出了适用于描述突出煤层的蠕变本构模型。以上研究成果丰富了煤的蠕变理论，为运用蠕变理论来揭示煤与瓦斯延期突出机理奠定了理论基础。

但前期成果一般只是根据煤岩蠕变试验结果推导出相应蠕变理论模型，但并没有将其数值化，在实际运用中还存在着诸多不便。同时前期研究成果的蠕变本构模型在同时分析加速蠕变阶段以及煤体的弹-粘-塑性方面还有待进一步的研究。

因此研究出一种延期突出煤的蠕变本构及其数值化实现技术，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种延期突出煤的蠕变本构及其数值化实现技术，建立了延期突出煤的非线性粘弹塑性蠕变本构模型，可为后续分析采煤或巷道揭煤过程中煤的应变与时间的变化规律，揭示其突出机理，为煤矿延期突出危险性预计提供了理论指导。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种延期突出煤的蠕变本构及其数值化实现技术，包括如下步骤：

1)通过蠕变试验获取不同围压和不同加载水平的蠕变特征曲线；

2)建立延期突出煤的蠕变本构模型；

3)蠕变本构模型参数求取及方程验证；

4)蠕变本构模型的数值化及验证。

采用上述技术方案的有益效果：本发明中的蠕变本构模型能够全面的描述煤蠕变过程各个阶段的相应特性，特别是关于加速蠕变阶段和突出煤的非线性粘塑性特征方面的描述，解决了典型蠕变本构模型只能描述煤样粘弹特性的缺陷，同时通过数值化和相关验证，增强了本发明的技术方案的可行性和准确性。

进一步地，所述步骤1)中具体包括以下步骤：通过三轴蠕变试验获取煤样的蠕变试验加载水平；在此基础上对煤样进行不同围压和不同加载水平的三轴蠕变试验，并获取相应的蠕变试验曲线。

其中三轴蠕变试验具体步骤如下：

①首先施加围压至预设值。

②然后缓慢增加轴压至一预设水平后保持轴压不变，开始蠕变试验，当样品变形已稳定24小时以上或样品已被破坏时，试验结束。

采用上述技术方案的有益效果：三轴蠕变试验能精确地获得每样的蠕变试验加载水平，再通过不同围压和不同加载水平的三轴蠕变试验，从多方面地获得试验的相关数据，减小了试验误差，进一步增强了本发明技术方案的准确性。

进一步地，所述的步骤2)中还具体包括以下步骤：根据所述蠕变试验结果，提出将非粘性元件和塑性元件并联，构建一个加速蠕变本构模型，将所述加速蠕变本构模型与传统的Burges模型串联，建立一个能描述延期突出煤非线性粘-弹-塑性特性的蠕变本构模型，并给出蠕变本构方程的具体表达式。

采用上述技术方案的有益效果：弥补了传统蠕变模型的缺陷，能获得不同连接方式时的蠕变本构模型的本构方程式具有表达式，使本技术方案更加完善，为下一步骤作出了充足的准备。

进一步地，所述的步骤3)中还具体包括以下步骤：采用Mat l ab软件的优化工具箱，运用最小二乘法对蠕变本构方程中的参数进行拟合，确定蠕变本构模型的参数，将所述蠕变本构模型的参数与蠕变试验曲线进行对比，验证参数的准确性。

采用上述技术方案的有益效果：最小二乘法通过最小化误差的平方和来寻找数据的最佳函数匹配，通过最小二乘法来对参数进行拟合能有效减小误差，通过本技术方案计算所得的参数与试验所得的曲线进行对比，能进一步验证所得参数的准确性，从而判断本发明的技术方案是否准确可行。

进一步地，所述的步骤4)中还具体包括以下步骤：为便于本次建立的蠕变本构模型的数值化，需给出蠕变本构方程的差分形式，运用C++语言将所述蠕变本构模型嵌入到仿真计算软件中，形成所述仿真计算软件能调用的动态链接库文件，依据所述蠕变本构模型，对单轴压缩蠕变进行数值求解，将数值求解获取的蠕变曲线与理论求解的结果进行对比从而达到验证的目的。