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页岩热-力-化学耦合模型及其蠕变过程中数值模拟研究

计算力学在工程中的应用 > 计算岩土力学与岩土工程

巷道稳定问题是地下资源开采过程中最为值得关注的问题之一。深部巷道处于复杂地下环境，且页岩具有复杂物理化学特性，这将深刻地改变页岩巷道的力学特性，从而影响巷道围岩的长期稳定性。本文首先建立了热-力-化学耦合数学模型，包括固体静力变形方程、能量守恒方程和质量守恒方程。能量守恒方程包括岩体骨架和地下水的热传导能量守恒，质量守恒包含溶质的扩散和化学反应消耗和生成。其次分析了岩体温度场、化学腐蚀场及变形场之间的耦合关系。最后以COMSOL为平台，把页岩所处不同环境发生的化学反应引入到化学场中，并把内嵌的Norton模型和Norton Bailey模型结合在一起构成了一个新的受温度诱导的蠕变模型。重点分析了页岩巷道在热-力-化学耦合过程中，在溶质的输运过程要比热传导过程慢的前提条件下，巷道的蠕变应变、温度梯度、溶质的离子浓度及其化学反应速率的变化过程。着重点分析了不同化学酸碱性对温度梯度、溶质的离子浓度和化学反应速率的影响，为巷道稳定分析提出更为准确的应力分布。模拟结果表明了热-力-化学耦合作用对深部巷道应力分布的重要影响。本文的数学模型和数值模拟结果可为深部巷道长期稳定分析研究提供准确的理论基础和技术支持。