煤层开采后,采空区围岩的塑性区持续扩大,当工作面推进一定距离后,一旦出现从含水层至采空区的贯通裂隙,含水层中的水将沿着裂隙带涌向采空区,发生突水灾害。塑性流动下岩石的渗透性研究是煤矿突水灾害防治的基础性课题。本文利用MTS816岩石力学试验系统与自主研制的渗透仪(三轴室)、围压系统和渗透回路进行了砂岩试样的塑性流动试验和渗透试验,综合运用岩石塑性力学和渗流力学理论和方法,研究剪切屈服后砂岩的流动法则以及塑性流动下渗透性参量(渗透率、非Darcy流b因子和加速度系数)的演化规律。主要取得如下创新性成果:(1)通过常规三轴压缩试验,得到了塑性功、塑性等效应变和塑性体积应变对砂岩后继屈服内聚力和内摩擦角的影响规律。(2)分别以塑性功、塑性等效应变和塑性体积应变为内禀量,对Coulomb-Mohr型和Drucker-Prager型非关联流动法则中塑性因子表达式进行了修正。将修正的Coulomb-Mohr型非关联流动法则用于三种路径下的主应变单步预测和多步预测,预测结果验证了修正的Coulomb-Mohr型非关联流动法则的适用性。(3)考虑了屈服准则的影响,对Prandtl-Reuss流动法则进行了修正。将修正的Prandtl-Reuss流动法则用于三种路径下主应变的单步预测和多步预测,并用于常规三轴压缩状态下轴向应变-轴向应力滞回曲线和径向应变-轴向应力滞回曲线的仿真。预测和仿真结果验证了修正的Prandtl-Reuss流动法则的广泛适用性。(4)分析了体积变形和剪切变形对渗透性参量的影响,分别以体积应变和Coulomb-Mohr准则下当量应变、体积应变和剪切面上剪应变、剪切面上正应变和剪应变为自变量,构建了三种含有六个影响系数的渗透性参量计算模型。通过一种简单加载路径下的渗透试验,确定了三组渗透性参量影响系数的最优估计值。将渗透性参量影响系数的最优估计值应用于一种复杂加载路径下渗透性参量的预测,预测结果验证了模型的适用性并验证了渗透性参量影响系数为材料常数。(5)分别将Coulomb-Mohr型非关联流动法则、Prandtl-Reuss流动法则与渗透性参量计算模型结合,建立了主应力增量表示的透性参量计算模型,并应用于复杂路径下渗透性参量的单步预测,预测结果验证了模型的适用性。(6)运用Bouc-Wen模型进行了常规三轴压缩状态下轴向应变-轴向应力滞回曲线和径向应变-轴向应力滞回曲线的仿真。(7)根据三个主应力与六个应力分量之间的关系,基于以主应力表达的Coulomb-Mohr型流动法则,构建了以应力分量表示的流动法则。
