煤层自燃对边坡稳定性影响的研究毕业论文（含外文翻译）

中文题目：煤层自燃对边坡稳定性影响的研究外文题目：Coal Spontaneous Combustion impact on slope stability studies毕业设计（论文）共 94页 （其中外文翻译32页）完成日期 2013年6月 答辩日期 2013年6月摘要煤自燃现象已经在自然界存在了数百万年。我国北方露天着火面积达7200km2，累计烧毁煤量42亿t以上，并以每年20003000万t的速度增加，受其影响造成的呆滞资源储量每年超过2亿，直接经济损失每年高达数十亿人民币。而海州露天矿每年煤自燃次数相当的多，严重威胁着人民的生命财产安全，阻碍了煤炭工业的可持续发展，并由此造成巨大的间接损失。因此，有必要对海州露天矿开展煤自燃对边坡稳定性的分析研究。为了解决边坡在燃烧后稳定性遇到的挑战, 采用理论分析和数值模拟分析对露天矿的边坡稳定性进行研究。首先研究温度对岩石力学性质的影响机理。岩石矿物颗粒受到温度的影响而热胀冷缩，导致矿物颗粒间接触发生了变化，进而使得其强度发生变化。岩石的强度、弹性模量与温度变化均呈线性相关关系。其次，借助计算软件ANSYS求解岩体中煤层在燃烧前后对边坡稳定性的影响。利用ANSYS模拟边坡在只有重力作用下的分析研究，得到边坡的应力、变形云图。然后再在煤层自燃的条件下进行模拟研究，得到边坡的温度云图、变形、应力云图。最后，对两种情况下边坡的位移情况相比较，得到煤层自燃是造成海州露天矿南边边坡发生滑坡的主要原因。关键词: 煤层自燃; 高温；ANSYS；稳定性；热应力AbstractCoal spontaneous combustion phenomenon has existed for millions of years in nature. Outdoor fire area of 7200 km2 in the north of China, the cumulative burned coal 4.2 billion tons, and increased at an annual rate of 2000 30 million t, subject to the influence caused by the sluggish reserves of more than 200 million a year, a direct economic loss of billions of yuan a year. The Haizhou open-pit coal mine every year the number of coal spontaneous combustion rather more, seriously threatens peoples life and property safety, hindered the sustainable development of coal industry, and thus cause huge indirect losses. Therefore, it is necessary to Haizhou open-pit coal mine coal spontaneous combustion on the analysis of slope stability study.In order to solve the side slope stability after burning, Theoretical analysis and numerical simulation analysis for open pit slope stability studies .Firstly, contact situation and intensity of mineral particles change because of thermal expansion and cold contraction. The relation between intensity and elastic modulus of rocks and temperature change is linear correlation . Secondly, analyze the side slope stability of the coal before and after burning is analyzed with ANSYS. Only use ANSYS simulation slope under gravity in analysis and research to get the slope of the stress, deformation cloud. Then in the coal spontaneous combustion simulation study carried out under conditions to obtain the slope temperature contours, deformation, stress cloud. Finally, in both cases the displacement slope compared to the situation to get spontaneous combustion is caused by Haizhou opencast slope landslides south of the main reasons. Key words: spontaneous combustion of coal seam; high temperature; ANSYS; stability; thermal stressI目录1绪论11.1课题研究的背景11.2课题研究的目的和意义11.3国内外的研究现状21.3.1国内外对煤层自燃的研究31.3.2国内外对温度变化对岩石的影响的研究52煤层自燃对岩石性质影响的力学分析72.1煤的自燃机理72.1.1概述72.1.2煤自燃的不同阶段72.1.3露天矿煤炭自燃的原因82.2岩石的热学性质82.2.1岩石的比热容92.2.2岩石的导热系数102.2.3岩石的热膨胀系数112.3温度对岩石特性的影响122.4数值试验方法简介183. ANSYS模拟分析及计算结果分析213.1三维地质力学数值模型213.2三维边坡模型建立及模拟223.2.1E5-E10三维边坡模型223.2.2E10-E15三维边坡模型283.2.3 E5-EW0-W5三维边坡模型343.2.4 E15-E26三维边坡模型413.3 南帮边坡自燃数值模拟分析503.3.1E5-E10剖面煤层自燃数值模拟503.3.2E10-E15剖面煤层自燃数值模拟523.3.3E5-EW0-W5煤层自燃数值模拟553.3.4E15-E26煤层自燃数值模拟584结 论62致谢63参考文献64附件A 译文66附录B 外文文献80辽宁工程技术大学毕业设计（论文）1绪论1.1课题研究的背景海州露天煤矿是我国 “一五” 期间建设的大型露天煤矿， 1953 年正式投产， 2005 年闭坑。经过 50 多年的开采， 在采出 2. 2 亿吨煤炭的同时， 也形成了东西长 3. 9km， 南北宽 1. 8km， 深度超过 350m 的露天矿坑。2005 年 7 月， 海州露天煤矿被批准成为我国首批国家矿山公园建设单位之一。长期以来， 海州露天煤矿在生产过程中存在重矿山资源开发， 轻矿山地质环境保护与恢复治理的情况， 采矿活动给矿山地质环境带来巨大的破坏， 露天矿坑及周边地区滑坡、 地裂缝等地质灾害非常严重。据统计， 1993 2004 年， 海州露天煤矿共发生滑坡 85次， 平均每年发生 1. 6 次， 造成经济损失超过 3 亿元。其中有40余次是由于煤层自燃造成的。据统计，露天南帮边坡不稳定区（滑坡易发区）面积 333 万 m2，现有滑坡遗迹 20 余处。经近几年的监测，海州露天南帮已有移动现象：E18 区域已累计水平位移 2320mm，垂直位移 397mm；E12 区域已累计水平位移397mm，垂直位移 551mm；W2 区域已累计水平位移 800mm，垂直位移 867mm。1.2课题研究的目的和意义面对我国能源需求的持续增长，国际石油供应紧张，油价大幅上涨，煤炭作为我国主要能源的地位和作用越来越重要。目前，我国煤炭产量占世界总产量的42%左右，煤炭产量占全国一次能源生产总量的70%左右。煤矿生产的任务是开采地下赋存的煤炭资源，按煤层赋存条件可分为露天开采和井工开采两类。露天采矿从敞露地表的采矿场采出有用矿物，当矿体埋藏较浅或地表有露头时， 应用露天开采最为优越。与地下开采相比，优点是资源利用充分、回采率高，适于用大型机械施工，建矿快，产量大， 劳动生产率高，成本低，劳动条件好，生产安全。随着我国煤炭资源的不断开发，露天煤矿所占有的比例也在逐年增加。我国56%的矿井开采易自燃煤层，而煤炭自燃现已成为露天矿山的重大自然灾害之一。露天煤矿的煤炭自燃浪费了大量的资源，降低了煤炭质量，影响矿区的环境质量，并给矿山安全生产带来了困难。因此，研究露天煤矿煤炭自燃现象，采取积极有效的措施预防和治理露天煤矿煤炭自燃有重要的意义。煤层自燃又称煤层自燃发火，是指在没有外来热源的情况下，由于煤自身氧化积热，使煤的温度升高而发生的燃烧现象。煤的氧化和自燃是基链反应，即具有自燃倾向性的煤与空气接触，能吸附空气中的氧而在煤的表面生成不稳定的初级氧化物，使煤的化学活性增强，进而煤的氧化速度加快，氧化放热量加大，当热量不能及时散发时，煤温就会逐渐升高，当达到煤的着火点时(300-350)，便开始自燃。煤炭自燃不仅会降低煤炭质量，造成资源浪费，减少了矿山可采储量。处理煤炭自燃需投入大量人力物力，而且不易彻底处理，反复影响矿山采剥生产的进度，严重影响矿山企业的经济效益,。煤层自燃还产生大量的有毒有害气体和物质，如CO、CO2、SO2、 NO3、 烟尘、醇类、醛类等，随风飘散，波及很大范围和区域，严重污染矿坑及附近的大气环境，危害职工的身体健康，而且对矿山边坡失稳造成重大影响。边坡工程是国内外岩土工程界研究热点之一。边坡失稳破坏的原因很多,有的是 因人类干预而引起的,有的是因自然条件的变化而发生的。自燃给露天矿带来边坡稳定问题，增加了日常边坡管理的难度。露天矿的南端帮由于煤的自燃，对矿山的生产安全和持续生产带来很大困难。破坏了原设计的边坡角度，后常引起矿坑内地表裂缝、坍塌，出现大面积片帮现象等等，影响露天矿设备的正常作业， 给安全生产带来隐患。由于很多煤矿属于深凹露天矿，煤炭自燃所产生的大量有毒、有害气体很难排出坑外，在特定的气象条件、处于不利的风向和风速时，还会造成火灾，并产生大量烟雾烟尘。烟雾烟尘影响工作人员视线，危害工人呼吸，影响工人的工作效率，不利于安全生产。煤台阶的自燃发火将导致煤台阶岩体强度的降低，影响露天矿整体的边坡稳定。因此,人们越来越重视有关边坡稳定问题,对边坡工程的加固与设计研究也越来越向纵深发展1。由于露天边坡下面煤体的自燃,都会存在一个边坡稳定性的问题。煤体燃烧后形成空洞越大,就越易形成高陡边坡,边坡的稳定性就越差。为了保证在煤体自燃后保持边坡的稳定, 用Ansys对整体边坡自燃前后的位移场,应力应变场的分析,来确定满足边坡稳定的因素2。1.3国内外的研究现状我国煤层自然发火情况严重，据统计国有重点煤矿中大约有56%的矿井存在煤层自然发火危险，而特厚煤层开采自然发火更为严重。煤自燃的发生和发展是一个极其复杂的动态变化的物理化学过程，其实质就是一个缓慢地自动放热升温最后引起燃烧的过程。该过程的关键有两点：一是热量的自发产生；二是热量的逐渐积聚。煤体要发生自燃必须具备以下四个条件：具有低温氧化性，即有自燃倾向的煤以破碎状态存在；有大于12%氧含量的空气通过这些碎煤；空气流动速度适中，使破裂煤体有积聚氧化热的环境；在上述3个条件同时具备的状态下，持续一定的时间，使煤体可以达到着火温度。只要同时具备上述4个条件，煤炭自燃发火即可发生。但实际中很难找出某两次煤炭自燃发火的发生条件是完全相同的。这样，对煤炭自燃发火的条件就很难作出定量分析3。煤炭自燃经常发生的地点是：有大量遗煤而未及时封闭或封闭不严的采空区（特别是采空区内的联络眼附近和停采线处）；巷道两侧和遗留在采空区内受压的煤柱；巷道内堆积的浮煤或煤巷的冒顶、垮帮处。1.3.1国内外对煤层自燃的研究煤层自燃的研究分三个层面: 运用遥感技术调查区域性煤层自燃的分布和危害; 运用煤岩学和地球化学等方法研究煤层自燃的临界值和气体释放规律; 研制火灾样检测传感元件进行火灾的预测预报、抑制起火的最佳通风和建立控风、防灭火专家系统, 进行煤矿火灾的综合防治。煤层自燃的研究分三个层面: 运用遥感技术调查区域性煤层自燃的分布和危害; 运用煤岩学和地球化学等方法研究煤层自燃的临界值和气体释放规律; 研制火灾样检测传感元件进行火灾的预测预报、抑制起火的最佳通风和建立控风、防灭火专家系统, 进行煤矿火灾的综合防治。煤自燃分布监测：我国对煤层燃烧及其影响的实地考查可能始于 1944 年。当年黄汲清、程裕淇实地考证了新疆侏罗系煤层的自燃及对围岩影响的情况4。 60 年代以来, 遥感技术引入煤层自燃的研究领域。 矿区内煤层燃烧引起的人员死亡等灾害, 迫使人们从通风、阻燃材料、 煤层发火机理和阶段等方面全面系统地研究煤层火灾的问题。20世纪80年代初，我国开始利用航天和航空遥感技术对煤田火区进行探测。分别在陕西、山西、宁夏、内蒙古、新疆开展了遥感探测和监测试验。在国外, Laks Arthur 于 1907 年已注意到煤层自燃现象及其对于周围环境的影响。Granda 等于1942 年提出了利用热红外双波段技术确定隐伏体位置的设想；Greene ( 1969) 利用航空热红外技术研究了美国宾夕法尼亚的煤层火, 经对比井中测温数据,建立了简单的热传导模型; 随后, 世界许多国家的研究者利用遥感技术研究煤层自燃, 运用卫星数据实现煤层自燃环境灾害的动态监测与环境影响评价的探索。Chamberiain等于 1971 年得出, 温度为 60120时, 燃烧出现, 150 才能见到火焰。1994年-1998年，在欧洲联盟资助下，中国科学家与来自荷兰、德国、英国等国的科学家合作，首次全面地研究了用遥感手段进行煤层自燃探测、测量和监测的途径和方法，并建立了世界上第一套煤层自燃动态监测地理信息系统。据最新的遥感体探测统计表明，新疆是我国煤层自燃最严重的地区。这些方法都是利用遥感技术研究，实现煤层自燃环境灾害的动态监测。煤自燃危险性预测法：（1）统计类比预测法统计类比预测法是建立在已发生自然发火事故统计资料基础上，分析预测实际开采条件下煤层的自燃危险性。随着综放无煤柱开采技术的推广，由于沿空巷道沿底板一次掘进，巷道服务时间长，相邻采空区留有大量浮煤，且已氧化升温，因此，巷道沿空侧自然发火几率较大。上述这些结论都是基于统计资料，在分析火灾原因的基础上获得。这种方法只能根据工作面实际情况和自然发火统计资料，粗略判断煤层可能发火的危险性。（2）自燃倾向性实验测试自燃倾向性实验测试主要是根据测试煤的自燃倾向性，划分煤层自然发火等级，以此区分煤层的自燃危险程度。20世纪80年代前，国内外对煤自燃倾向性的研究方法主要以煤的氧化性为基础，大体可以分为化学试剂法和吸氧法二类。20世纪80年代后，国外开始从煤的热效应角度来研究煤的自燃性。美国矿业局研究出绝热炉，测定煤的最小自热温度；加拿大则用静态等温法、绝热和动态法研究煤的自燃性；土耳其采用非等温动力法测试煤自燃临界温度和CO产生率。我国是从20世纪50年代初期开展对煤炭自燃倾向性进行研究，先后采用克氏法、着火点温度降低值法、双氧水法和静态容量吸氧法进行研究。20世纪90年代，我国开始推广使用煤科总院抚顺分院研究的色谱动态吸氧法，该方法把色谱仪中分离气体的色谱柱换成了煤样试管，测定煤样对氧气的物理吸附量，并以某一温度(30)下每克干煤的吸氧量来划分自燃性。上述测试煤自燃性的实验，用煤量少，供风量相对较大，且实验采用程序升温加热，改变了煤自燃过程的条件，与现场实际中，暴露于空气中的煤在常温下与空气中的氧缓慢、自由地氧化反应，热量逐渐积聚引起煤体升温的过程较大有相差，所以，测试结果主要用于划分煤的自燃等级。（3）综合评判预测法匈牙利根据自燃火灾发生频率、工作面推进速度、瓦斯涌出量等参数的关系，分析并确定出回归函数，然后计算出实际条件下总的火灾频率，来预测煤层自然发火危险程度。8近年来，我国学者，如蒋军成等人采用神经网络的方法预测煤层自燃危险程度，他们采用影响开采煤层自燃危险性的三个主要因素作为预测指标：煤炭自身的自燃倾向性，开采煤层的地质赋存条件和开拓开采及通风技术条件，对预测指标作进一步细分，来预测煤自燃的危险程度。刘宝琛等人采用防火系数作为预测指标，建立了人工神经网络的时间序列煤自然发火预测模型，来判断自然发火程度。田水承等应用煤自燃倾向性、煤层厚度、煤层倾角、煤的固性系数及开采参数，运用模糊聚类方法对自燃发火危险性进行了分类。这些方法都是利用大量的统计资料，分析煤自燃主要因素影响的程度，预测煤层自然发火危险的程度。1.3.2国内外对温度变化对岩石的影响的研究近年来,国内外对岩石内热应力的产生、热开裂机理、高温岩石力学行为变化、高温后岩石损伤等方面的研究很多。王书法等5结合非连续变形分析方法,提出了一种研究节理岩体热应力问题的等效初应力方法;韩学辉等6的研究表明,沉积岩及火成岩在高温环境下会发生热开裂现象,热开裂能够在一定程度上改造岩石的孔隙、裂隙结构,进而对岩石中的流体运移特性产生影响;谢卫红等7研究了温度载荷作用下岩石材料在压缩和拉伸时的热断裂破坏过程,分析了岩石热断裂破坏的宏观力学特性和热破坏作用机理;谌伦建等8研究了砂岩和石灰岩的热膨胀力和孔隙率的变化规律;王颖轶、夏小和等9、10研究了大理岩高温后的力学特性,认为高温后大理岩表现出软化特征,峰后特性及残余强度宏观上表现出脆性向塑性的渐次演化;邱一平等11对花岗岩高温后的损伤进行了研究,验证了花岗岩的塑性应变主要与偏斜应力产生的形状改变比能有关,与体积改变比能关系不大;苏承东等12研究了粗砂岩高温后各力学参数的变化。在岩石高温损伤方面,Hettema等13研究了高温和中等压力条件下岩石集合体的压缩行为;A l-shayea等14研究了花岗岩的断裂韧性及加热时岩石的损伤过程;徐燕萍等15研究了岩石在高温高压作用下的热弹塑性力学特性,推导了温度作用下的岩石热弹塑性力学特性本构方程;李树春等16利用连续损伤理论和统计强度理论,提出了模拟岩石破裂全过程的损伤本构关系,并在此基础上建立了完整的损伤统计本构模型。2煤层自燃对岩石性质影响的力学分析2.1煤的自燃机理2.1.1概述关于煤的自燃问题，长期以来，一般都认为煤中黄铁矿的存在是自燃的原因，由于黄铁矿氧化成为三氧化二铁及三氧化硫时能放出热量，在有水分参加的情况下，可以形成硫酸，它是很强的氧化剂，更加速煤的氧化，促进煤的自燃。需要指出，有的含有黄铁矿的煤，虽然经过长斯放置，并不一定发生燃，而不含或少含黄铁矿的煤也有自燃现象。因此，煤的自燃并非完全因含有黄铁矿而引起。其主要原因是由于吸收了空气中的氧气，使煤的组成物质氧化产生热量，再被水湿润，就放出更多的湿润热，也会加速煤的自燃。此外，煤的自燃还与煤本身的性质有关。如煤的品级；煤的显微组分、水分、矿物质、节理和裂隙；煤层埋藏深度和煤层厚度；开采方法和通风方式等。煤的自燃从本质上来说是煤的氧化过程。2.1.2煤自燃的不同阶段（1）水吸附阶段。与其他阶段不同，这个阶段只是个物理过程，煤与氧不会发生反应，煤吸附水虽不是煤自燃的根本原因，但他对煤自热，特别是低品级的煤自热有重要影响。当水被煤吸附时会放出大量热，即润湿热。所以，多数情况下该阶段对煤的自燃都起着关键作用。（2）化学吸附阶段。煤自燃过程首先在这个阶段发生化学反应。该阶段的反应温度为环境温度至70。这伸过程中煤吸附氧气会产生过氧化物，因而叫做化学吸附阶段。化学吸附阶段煤重略有增加，并产生气体，其中的CO可作为标准气体，通过监测CO浓度可对煤的自燃进行早期预报，化学吸附阶段需要少量水参加反应。根据煤的品级和类型不同，化学吸附的放热量在5.046.72J/g之间变化。若煤温达到70时会分解，煤重随之在幅度下降，甚至比原始煤重还要轻。煤中水汾的蒸发可带走一些热量，该过程产热量晨16.875.6J/g间变化。若煤氧化进行到这个阶段，想使其不自燃是非常困难的。（3）煤氧复合物生成阶段。该阶段生成一种稳定的化合物，即煤氧复合物。其反应温度范围为150230。产生的热量25.2003.4J/g。这个阶段煤重又有所增加，煤氧化进行到这个阶段必然发生自燃。（4）燃烧初始阶段。这是煤氧复合物生成阶段到煤快速燃烧阶段的过渡时期，煤温达230时，煤氧化可进行到个阶段。此时煤的反应热为42243.6J/g。这些热量使煤迅速上升促进了煤的快速燃烧。（5）快速燃烧阶段。这是煤自热的最后阶段，它描述了煤的实际燃烧过程。依氧气供应充足与否，这个阶段可能发生干馏、不完全燃烧或安全燃烧。如果燃烧充分，其反应热等于煤的发热值。17 182.1.3露天矿煤炭自燃的原因露天采场内具有自燃倾向性的大量煤炭，长期暴露在空气中， 在地质构造、 外界环境风化及开采震动的影响下， 以及煤体中瓦斯、 水分的散失， 使得煤体十分破碎。这样， 在外界风力、 压力及外界与煤体内部之间的自然风压作用下，外界含氧空气渗入煤体之中19。煤炭具有吸附空气中氧的特性， 发生煤氧复合作用。 煤的吸附性包括表面吸附和化学吸附。 表面吸附产生的热量微不足道，然而化学吸附以及与其相伴随的煤氧化学反应则可以放出相量反过来加热煤体，使煤体与空气之间的氧化反应更加剧烈， 煤体温度不断上升， 当达到煤的着火温度时， 导致煤体自燃发生。202.2岩石的热学性质据研究，岩石内或岩石与外界的热交换方式主要有传导传热、对流传热及辐射传热等几种。其交换过程中的能量转换与守恒等服从热力学原理。在以上几种热交换方式中，以传导传热最为普遍，控制着几乎整个地壳岩石的传热状态，对流传热主要在地下水渗流带内进行。辐射传热仅发生在地表面。热交换的发生导致了岩石力学性质的变化，产生独特的岩石力学问题。岩石的热学性质，在诸如深埋隧洞、高寒地区及地温异常地区的工程建设、地热开发以及核废料处理和石质文物保护中都具有重要的实际意义。在岩体力学中，常用的热学性质指标有：比热容、导热系数、热扩散率和热膨胀系数等。2.2.1岩石的比热容在岩石内部及其与外界进行热交换时，岩石吸收热能的能力，称为岩石的热容性。根据热力学第一定律，外界传导给岩石的热量(Q)，消耗在内部热能改变(温度上升)E和引起岩石膨胀所作的功(A)上，在传导过程中热量的传入与消耗总是平衡的，即QEA。对岩石来说，消耗在岩石膨胀上的热能与消耗在内能改变上的热能相比是微小的，这时传导给岩石的热量主要用于岩石升温上。因此，如果设岩石由温度T1升高至T2所需要的热量为Q，则 (2-1)式中：m为岩石的质量；C为岩石的比热容(J(kgK)，其含义为使单位质量岩石的温度升高1K(开尔文)时所需要的热量。岩石的比热容是表征岩石热容性的重要指标，其大小取决于岩石的矿物组成、有机质含量以及含水状态。如常见矿物的比热容多为(0.71.2)103J(kgK)，与此相应，干燥且不含有机质的岩石，其比热容也在该范围内变化，并随岩石密度增加而减小。又如有机质的比热容较大约为(0.82.1)103J(kgK)，因此，富含有机质的岩土体(如泥炭等)，其比热容也较大。常见岩石的比热容列于表2-1。表2-1 050下常见岩石的热学性质指标Table 2-1 0 50 under the common indicators of thermal properties of rocks岩石密度比热容导热系数热扩散率湿度湿度湿度玄武岩2.842.8950883.4887.6501.611.73506.386.83辉绿岩3.0150787.1252.32209.46闪长岩2.92252.04209.47花岗岩2.502.7250787.1975.5502.173.085010.2914.31花岗闪长岩2.622.7620837.41256.0201.642.33205.039.06正长岩2.80502.2蛇纹岩201.422.18片麻岩2.702.7350766.2870.9502.582.945011.3414.07片麻岩（平行片理）2.64502.93片麻岩（垂直片理）2.64502.09大理岩2.69252.89石英岩2.6850787.1506.185029.52硬石膏2.652.91504.106.075017.0025.7粘土泥灰岩2.432.6450778.7979.7501.732.57508.0111.66白云岩2.532.7250921.11000.6502.523.795010.7514.97灰岩2.412.6750824.8950.4501.72,68508.2412.15钙质泥灰岩2.432.6250837.4950.4501.842.40509.049.64致密灰岩2.582.6650824.8921.1502.343.515010.7815.21泥灰岩2.592.6750908.5925.3502.323.23509.8913.82粘土板岩2.622.8350858.3501.443.68506.4215.15盐岩2.082.28504.485.745025.2033.80砂岩2.352.97507621071.8502.185.15010.9423.62板岩2.70252.60板岩（垂直原理）2.76251.892.2.2岩石的导热系数岩石传导热量的能力，称为热传导性，常用导热系数表示。根据热力学第二定律，物体内的热量通过热传导作用不断地从高温点向低温点流动，使物体内温度逐步均一化。设面积为A的平面上，温度仅沿x方向变化，这时通过A的热流量(Q)与温度梯度dT/dx及时间dt成正比，即 (2-2)式中：k为导热系数(W(mK)，含义为当dT、dx等于1时单位时间内通过单位面积岩石的热量。导热系数是岩石重要的热学性质指标，其大小取决于岩石的矿物组成、结构及含水状态。常见岩石的导热系数见表2-1。由表可知，常温下岩石的k1.616.07W(mK)，另外，多数沉积岩和变质岩的热传导性具有各向异性，即沿层理方向的导热系数比垂直层理方向的导热系数平均高约1030。岩石的导热系数常在实验室用非稳定法测定。据研究表明，岩石的比热容(C)与导热系数(k)间存在如下关系： (2-3)式中：为岩石密度；为岩石的热扩散率(cm2s)。热扩散率反映岩石对温度变化的敏感程度，愈大，岩石对温度变化的反应愈快，且受温度的影响也愈大。常见岩石的热扩散率见表2-2。表2-2几种岩石的热学特性参数Table 2-2 Thermal properties of several rock parameters 岩石比热容c导热系数k线膨胀系数a弹性模量E热应力系数辉长岩720.12.010.51960.40.5辉绿岩699.23.3512430.40.5花岗岩782.92.680.66180.40.6片麻岩879.22.550.83360.40.9石英岩799.75.5312240.4页岩774.61.720.91.540.40.6石灰岩908.42.090.3340.21.0白云岩749.43.5512420.42.2.3岩石的热膨胀系数岩石在温度升高时体积膨胀，温度降低时体积收缩的性质，称为岩石的热膨胀性，用线膨胀(收缩)系数或体膨胀(收缩)系数表示。当岩石试件的温度从T1升高至T2时，由于膨胀使试件伸长l，伸长量l用下式表示： (2-4)式中：为线膨胀系数(1K)；l为岩石试件的初始长度，由(2-4)式可得： (2-5)岩石的体膨胀系数大致为线膨胀系数的3倍。某些岩石的线膨胀系数见表2-2，可知多数岩石的线膨胀系数为(0.33)1031K左右。另外，层状岩石具有热膨胀各向异性，同时岩石的线膨胀系数和体膨胀系数都随压力的增大而降低。当温度变化T时，岩石的骨架将产生热变形。升温后的岩石孔隙变化量是由骨架热膨胀所引起，而且骨架的变形量就是孔隙变化量，因此得出升温后的孔隙率： （2-6）式中：为骨架的线膨胀系数，为骨架的体积膨胀量。2.3温度对岩石特性的影响处理高温环境下或高温后的岩石工程问题是岩石力学的新课题。高温作用对岩土介质的影响已在能源、地质、土木等众多领域中被提出来,例如由于煤炭地下气化、矿下煤或瓦斯爆炸、煤炭开采过程中煤炭自燃、高放射性核废料的地层深埋处理、石油的三次开采等,其周围岩体均可经历一定的高温作用。由于高温后岩石的力学性质恶化,导致岩体工程结构的安全性降低,因此研究高温下岩石的热膨胀特性、微观结构及力学性能等的变化,对分析高温工程结构和提高岩体安全性具有重要而深远的意义人类在开发地下资源及工程建设的过程中，都要遇到高温或低温(0以下)条件下的岩体力学问题。这时有必要研究温度对岩石特性的影响。岩石力学试验一般是在室温的条件下进行的。温度对岩石强度的的影响并不是很明显。然而，在一些特殊的工程中，将会遇到高温状态下岩石的力学特性问题。地热的利用以及在核电工程中核废物的地质处置库建设或煤层自燃对边坡稳定性的影响等具体问题中，温度对岩石力学性质的影响将成为非常重要的、新的研究课题。近年来，人们愈来愈重视温度对岩石的力学特性的影响的研究，经研究可知，若对岩石试件进行加温，则岩石在高温作用下的轴向压缩强度将发生明显的变化。据最新的研究报道，温度对岩石的影响主要表现为两个方面：一是由于温度的升高使岩石内的化学成分、结晶水等发生变化，进而影响了岩石的强度。由试验结果可知，当温度加至180左右时，岩石中矿物周围的部分结晶水会消失，使强度降低。当温度高达380左右时，石英等矿物会发生晶变而使强度急剧下降。二是由于温度的提高，将使岩石内储存着热应力，进而使岩石的抵抗外荷载的能力降低。温度对岩石的影响是一个很复杂的问题，从总体上说，温度的增加会使岩石强度降低。岩石在高温条件下，总的来说，其力学性质都有不同程度的降低，如图3-1、图3-2所示，各种岩石的抗压强度与变形模量随温度降低而逐渐提高。但其改善的程度则取决于冻结温度、岩石的空隙性及其力学性质。 -200 0 200 400 600 800 1000 12000500100015002000250030003500抗压强度温度/细粒砂岩灰色砂岩辉长岩花岗岩大理岩蛇纹岩图2-1岩石抗压强度与温度的变化关系Figure 2-1 rock compressive strength and temperature dependence 0 200 400 600 800 T（）0510152025E/GPaLimestoneMarbleSandstone图2-2 弹性模量E随温度T的变化曲线Figure 2-2 modulus E curve of the temperature T 0 200 400 600 800 T（）050100150200250(MPa)LimestoneMarbleSandstone图2-3 峰值强度随温度T的变化曲线 Figure 2-3 peak intensity curve with the temperature T 0 200 400 600 800 T（）00.0040.0080.0120.016LimestoneMarbleSandstone图2-4峰值应变随温度T的变化曲线Figure 2-4 peak strain curve of the temperature T 0 0.004 0.008 0.012 020406080(MPa)10012080070060020040010030028500图2-5 大理岩单轴压缩应力-应变全过程曲线Figure 2-5 marble uniaxial compressive stress - strain curv 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014 020406080(MPa)10012080070060030020040010025图2-6 石灰岩单轴压缩应力-应变全过程曲线Figure 2-6 limestone uniaxial compressive stress - strain curves由以上图可总结为：在高温作用下,因岩石的非均质性及岩石晶体颗粒热膨胀系数不同,因此矿物颗粒之间产生约束，变形大的受压缩，变形小的受拉伸，由此在岩石中形成一种应力，称之为热应力21。在岩石颗粒之间出现热应力集中而使岩石内部产生大量微裂纹,并且裂纹孔隙度随温度升高呈增加趋势。当加热到一定温度使得岩石内部产生的热应力超过岩石颗粒之间的抗张应力屈服强度时，岩石内部结构就会被破坏，而产生新的微小裂缝，使得岩石强度降低。从通过研究发现,岩石渗透率和孔隙度随加热温度的升高而呈逐渐增加趋势。这种变化在低温下比较缓慢,而当超过一定温度界限(阈值温度)后,渗透率和孔隙度急剧增加。在受热作用下,岩石渗透率和孔隙度的变化不但与矿物热膨胀不匹配及各向异性而产生的热应力局部集中有关,而且与组成矿物成分的脱水以及发生的物理化学变化等因素有关。岩体在加热过程中,除矿物中的水蒸发和粘土矿物收缩降解外,加热也会在岩体中产生较大的热应力。固体颗粒都具有一定的内部应力,当加热产生的热应力超过其内部应力时,将会破坏固体原来的应力平衡状态,导致应力的重新分配,从而产生一些新的结构上的变化,如矿物结构破坏。众多研究认为,岩石结构的破坏与裂缝的生长和延伸密切相关。岩石中由于各种矿物的热膨胀系数不同以及热膨胀各向异性,在受热作用下将导致岩石骨架颗粒发生膨胀而引起体积增加。由于体积变化和热膨胀差异,在岩石颗粒内部以及颗粒之间会产生巨大的热应力效应,造成应力的局部集中。当加热到一定温度使得岩石内部产生的热应力超过岩石颗粒之间以及颗粒内部的抗张应力屈服强度时,岩石内部结构将发生破坏,产生新的晶间裂缝、晶内裂缝以及穿晶裂缝等。这些结构的产生破坏了岩石内部原有的微小网络结构,形成新的裂缝网络,使原本连通或不连通的裂缝、孔隙结构网络的连通性增加,改善了孔道的流通能力和物理结构,从而导致岩石渗透率和孔隙度等性质的变化。全应力-应变曲线在峰值前的斜率随着温度的增加而明显变缓，破坏荷载降低，表现为岩石的刚度和强度均随温度的增大而降低。同时，随着温度的增加，岩石破坏后其残余强度值相对也降低。岩性不同，岩石抗压强度受温度的影响差异较大，花岗岩影响最大，石灰岩影响较小。这是因为组成岩石的矿物颗粒性质、颗粒结构、颗粒成分、微裂纹发育程度及分布形式存在差异。矿物颗粒对温度的敏感性反映为胀缩作用，一般矿物表现为热胀冷缩。例如，小粒径颗粒之间的接触面积大，抗张强度大，大粒径颗粒之间的接触面积小，抗张强度小。此外，孔隙和原生裂纹可以为膨胀提供自由膨胀空间，从而减少膨胀对岩石的损伤。在高温条件下，岩石特性甚至有某些化学上的变化，目前这方面的研究还很少。就已有的资料来看，岩石的抗压强度c和变形模量(E)均随温度升高而逐渐降低(表2-3)。表2-3 围压16MPa下，不同温度对大理岩特性的影响Table 2-3 confining pressure 16MPa, different temperature on the properties of marble试件编号温度T/围压（MPa）屈服强度(MPa)峰值强度(MPa)(t)/(20。)(t)/(20。)/E(GPa)1201634.571.51.001.000.4843.221001629.566.50.860.930.4432.531001627.557.00.780.800.4841501625.051.00.720.710.4922.2另外，温度的变化在岩石中产生热应力效应，使岩石遭受破坏。某些研究资料表明：在较高的温度作用下，温度改变1，可在岩石内产生0.40.5MPa的热应力变化(表 2-2)。当这些变化积累到一定程度超过岩石自身的某些界限时,将引起岩石内部结构发生变化,从而引起岩石相关物性参数(如渗透率、孔隙度、声速)的变化。22、23因此，煤层燃烧使煤体中温度增高，在高温的的作用下，煤体的物理力学特征（弹性模量、孔隙比、应力、应变）发生了明显的变化，产生了热应力，破坏了煤体的完整性，发生了滑坡。除此之外，在煤层自燃后，露天矿边坡中会有很大体积的空隙，因此，在煤体的自重应力作用下，引起了水平侧向应力，底部与岩体底边的交界处出现了应力集中的现象,使得坡面更容易破坏,而对整体边坡产生失稳的情况。2.4数值试验方法简介处理高温环境下或高温后的岩石工程问题是岩石力学的新课题。高温作用对岩土介质的影响已在能源、地质、土木等众多领域中被提出来,例如由于煤炭地下气化、矿下煤或瓦斯爆炸、煤炭开采过程中煤炭自燃、高放射性核废料的地层深埋处理、石油的三次开采等,其周围岩体均可经历一定的高温作用。由于高温后岩石的力学性质恶化,导致岩体工程结构的安全性降低,因此研究高温下岩石的热膨胀特性、微观结构及力学性能等的变化,对分析高温工程结构和提高岩体安全性具有重要而深远的意义热应力是由于在温度的作用下，物体本身随温度变化引起的热变形，受到外部的约束或是物体内部各部分之间相互约束所产生的。一般地，热力耦合方程可以描述为： （2-7） （2-8） （2-9） （2-10） （2-11）式中：和为应力和应变项；为体力；为热应力系数；为温度改变量，即；为Kronecker函数；Q，G，k，和c分别为热生成率、拉梅常数、剪切模量、热膨胀系数、热传导系数、密度和比热。 热传导方程为： （在中） （2-12） （边界条件为 ） (2-13) (边界条件为) (2-14) (边界条件为) (2-15)(边界条件为) (2-16)应力应变场方程为： (2-17) (2-18) (2-19) (2-20) (2-21) (2-22)式中：，分别为单元在方向的热传导系数；，分别为第1，2，3类热边界条件；为初始时刻；为温度在边界点P上随时间t的分布函数为边界热流密度；h为岩石边界与外界的换热系数；为环境温度；为单元的整个求解域；和分别为应力边界和位移边界24。上述方程是在线弹性范围内定义的，但是岩石变形的宏观效应却是非线性的。如何反映岩石宏观变形的非线性特征一直是研究的重点。在以往较多的研究中，大多将岩石受力后变形和断裂过程的非线性归结为弹塑性，用宏观上的弹塑性理论来表述。事实上，从细观角度上看，岩石变形的非线性是由组成岩石介质的非均匀性引起的。加载时岩石内部不断出现的破坏是导致岩石变形非线性的本质。由于岩石的极度不均匀性，它们的性质在宏、细观方面存在很大的差异。岩石在宏观上表现为明显的非线性特性，但从细观角度上讲，局部细观单元体的破裂性质可以假定为弹脆性行为，基于此，运用弹脆性本构关系来描述细观层次上的热固耦合变形行为是合适的。对于稳态热传递，表示热平衡的微分方程为: (2-23)相应的有限元平衡方程为: (2-24) 式中：为传到矩阵，包含导热系数、对流系数及辐射率和形状系数；为节点温度向量；为节点热流率向量，包含热生成。3. ANSYS模拟分析及计算结果分析3.1三维地质力学数值模型根据海州露天矿南帮边坡的变形破坏机制，层状结构的岩体主要受到F中1和F中3、F东1、F高1和F高2等5个断层的影响，使得南帮岩体的质量在空间上分布具有较显著的不均一性。因此，从材料的均一性角度来看，采用三维地质力学模型来模拟南帮边坡的应力场分布特征，会更符合实际情况，露天矿南帮边坡为人工边坡，台阶不规则，不均一，构建一个十分接近现实边坡的三维地质力学数值模型，在几何形态上的相似就有很大的难度。由于南帮边坡范围大，地质构造各异，所以构建三维地质力学数值模型时，采用分块建立思路。见海州矿平面图1. 图3-1 海州矿平面示意图Figure 3-1 Schematic Haizhou mine plane参数及边界条件：岩石热膨胀系数取0.8e-5，导热系数取0.75（W（mK）-1），煤层热膨胀系数取5e-5，导热系数取3.0（W（mK）-1）；弹性模量和泊松比见参数表。孙家湾层、中间层和太平上层煤层燃烧温度为1000，内部温度35，接触空气温度为23。表2-4 海州露天矿南帮岩土物理力学参数表Figure 3-69 E15-E26 sectional Table 2-4 Haizhou opencast Soil physical and mechanical parameters for South Table重度内聚力内摩擦角弹性模量E（Pa）泊松比强度折减系数1.2C第四纪土层22.0523.5618.612e80.320.3715.51基岩23.32115.0533.072.8e80.3595.8827.56煤层17.9931.522.711.5e80.32