节理煤体模型重构及其力学响应特征研究

发布时间：2018-07-10 04:10

  本文选题：节理煤体 + 重构　； 参考：《中国矿业大学(北京)》2017年博士论文

【摘要】：煤巷失稳是煤体在一种或多种受力状态下的宏观力学响应。煤体作为结构面与煤体基质的结合体,其力学响应特征受结构面的显著影响。目前关于煤岩的研究主要集中在煤块范畴,煤体的力学响应特征研究较少。本文为获取煤体的力学响应特征,采用现场实测、概率统计、实验室试验与数值模拟相结合的方法,提炼煤体结构面分布特征,构建合成煤体模型,并基于此开展不同加载形式的数值试验,分析不同加载条件下煤体的强度变形与裂隙发育特征,探讨结构面对煤体力学响应的影响机制。主要研究内容与结论如下:(1)通过观察不同煤样层理与割理的空间关系,总结归纳煤体结构面分布特征。采用测线法和测窗法测量煤体结构面几何参数,统计其概率分布,构建煤体DFN(结构面网络),并采用迹线分布与RQD(岩石质量指标)校核煤体DFN。利用结构面强度指标确定煤体REV(表征单元体体积)。研究结果表明:(1)煤体结构面分布存在5个典型特征:i煤体结构面的形状近似为长方形;ii煤体被相互平行的层理切割成厚度不等的分层;iii在煤体分层内面割理和端割理近似垂直分布,且均近似垂直于层理;iv面割理在高度方向贯穿1个或多个分层,终止于层理;端割理在高度方向终止于层理,在长度方向一般不超出面割理;v面割理虽不严格平行,但很少交叉,端割理类似。(2)煤体DFN在迹线分布与RQD方面均接近实际煤体,表明煤体DFN构建方法可行、煤体DFN构建合理。(3)研究煤体的REV为1.0×1.0×2.0 m。(2)介绍SRM(合成岩体)方法原理,确定煤体SRM的接触模型及细观参数标定方法;分别通过匹配煤块单轴压缩和煤体结构面直接剪切实验室试验与数值试验标定煤体SRM的细观参数;构建REV尺寸的煤体SRM,提出煤体SRM破坏描述指标及裂隙形态描述方法。(3)基于煤体SRM构建煤体单轴压缩数值试验模型,利用单轴压缩数值试验开展不同加载方位条件下煤体力学响应数值分析,总结结构面对煤体单轴压缩力学响应特征的影响。研究结果表明:(1)结构面弱化煤体单轴压缩强度及弹性模量,增大煤体单轴压缩变形程度,促使煤体力学性质表现出各向异性。(2)结构面控制煤体单轴压缩破坏方式。煤体表现为平行加载方向的劈裂破坏,其中垂直层理单轴加载,劈裂裂隙数量较少;垂直面割理单轴加载,煤体呈板裂破坏;垂直端割理单轴加载,煤体呈条状破坏。(3)单轴压缩条件下,煤体强度与煤体基质破坏比例呈正相关关系,煤体变形与DFN破坏比例呈非严格正相关关系。(4)基于煤体SRM构建煤体三轴压缩数值试验模型,利用三轴压缩数值试验分别研究不同加载方位与不同围压条件下煤体的力学响应特征以及煤体残余强度对围压的敏感性,总结结构面与围压对煤体三轴压缩力学响应特征的影响。研究结果表明:(1)在三轴压缩低围压(1 MPa)条件下,结构面弱化煤体的强度参数,增大煤体的变形程度;围压强化煤体的强度参数,弱化煤体力学性能的各向异性。(2)在三轴压缩低围压(1 MPa)条件下,结构面方位并不显著影响煤体力学性能,仅影响煤体裂隙形态。垂直层理等围压加载时煤体裂隙呈倾斜长方形,垂直面割理等围压加载时煤体裂隙呈主次反向面状,垂直端割理等围压加载时煤体裂隙呈倾斜菱形。(3)煤体三轴压缩力学响应特征具有围压效应:随围压增大,煤体的抗压强度及残余强度显著提高;煤体的弹性极限显著增大,弹性模量基本稳定;煤体的峰后应力降减小,甚至消失;煤体力学性质出现脆延转化;煤体的宏观破坏方式由拉破坏转变至剪破坏;煤体基质破坏比例增大,DFN破坏比例减小;结构面对煤体力学性质的影响减弱,乃至消失。(4)研究煤体的脆延转化压力为10 MPa。(5)煤体残余强度对围压极其敏感。(5)基于煤体SRM构建煤体直剪数值试验模型,利用直剪数值试验分别研究不同剪切方位与不同正应力条件下煤体的剪切力学响应特征,总结结构面对煤体剪切力学响应特征的影响。研究结果表明:(1)在低正应力(1 MPa)条件下,结构面弱化煤体剪切强度参数,减小煤体剪胀变形,控制煤体的剪切破坏方式,促使煤体剪切力学性质表现出各向异性。(2)在低正应力条件下,煤块剪切破坏面在推力方向呈“先上扬后下降再平直”的态势;平行层理直剪时煤体剪切破坏面基本为平面;平行面割理及端割理直剪时煤体剪切破坏面均为曲面,前者在煤体长度方向相对平直、在煤体宽度方向起伏较大,而后者在煤体长度与宽度方向均起伏较大。(3)在正应力一定的条件下,煤体的剪切强度、剪胀变形与煤体基质破坏比例呈正相关关系,与DFN破坏比例呈负相关关系。(4)煤体剪切力学响应特征具有正应力效应:随正应力增大,煤体的峰值剪切强度及残余剪切强度显著提高;煤体的剪切刚度基本稳定;煤体基质的宏观破坏方式由拉裂转变至剪裂;煤体基质破坏比例增大,DFN破坏比例减小;结构面对煤体剪切破坏的主导能力减弱。(6)对比煤体在不同受力状态下的力学响应特征,分析煤体破坏方式及裂隙组成,得到结构面对煤体单轴压缩、三轴压缩以及直接剪切力学响应的影响机制。(1)结构面对煤体单轴压缩力学响应的影响机制单轴压缩条件下,平行加载方向的结构面在平行压应力作用下发生滑移与张开,转化为DFN裂隙。DFN裂隙端部发育出基质裂纹,DFN裂隙与基质裂纹形成压致拉裂机制的裂隙组合。对于包含有平行加载方向、非贯穿结构面的煤体,形成大量压致拉裂裂隙,彼此组合连通形成劈裂裂隙;对于包含有平行加载方向、贯穿结构面的煤体,劈裂裂隙基本由贯穿的DFN裂隙组成。(2)结构面对煤体三轴压缩力学响应的影响机制低围压条件下,DFN裂隙的产生机制仍同单轴压缩条件。但围压的存在增大了结构面转化为DFN裂隙的难度,在垂直围压作用下平行加载方向的结构面仅可转化为小规模、小尺寸的DFN裂隙,其数量及分布将会改变煤体内剪应力分布,从而影响裂隙走向及形态。由于DFN裂隙数量少且尺寸小,DFN破坏不足以主导煤体破坏,煤体破坏仍由剪应力引起的煤体基质破坏主导。围压与结构面共同控制煤体三轴压缩条件下的裂隙形成,随围压变化,二者对裂隙形成的主导能力此消彼长。无围压时,裂隙形成由结构面主导;低围压时,裂隙形成由剪应力和结构面共同主导;中高围压时,裂隙形成由剪应力主导。(3)结构面对煤体剪切力学响应的影响机制受非共线相向推力作用,靠近设计剪切面、平行剪切方向的结构面更易滑移破坏,因此具有相比单轴压缩和三轴压缩更强的DFN裂隙形成能力,并在DFN裂隙端部发育出基质裂纹,连通相邻结构面或贯穿煤体,形成结构面主导的剪切破坏面。随正应力增大,结构面转化为DFN裂隙的难度增加,主导剪切破坏面形成的能力减弱。
[Abstract]:In this paper , the characteristics of coal body ' s structural plane distribution are studied by observing the spatial relationship between coal - body structure and coal - body structure . ( 3 ) Based on the coal body SRM , a numerical experiment model of coal body uniaxial compression is constructed . The influence of structure surface and confining pressure on the mechanical response of coal body is analyzed . The results show that : ( 1 ) The coal body has a positive correlation with the damage ratio of coal body . ( 3 ) The mechanical response characteristics of coal body triaxial compression have a confining pressure effect : the compressive strength and residual strength of the coal body are obviously improved with the increase of confining pressure ; the elastic limit of the coal body is remarkably increased , the shear failure rate of the coal body is reduced , and even disappears . ( 3 ) Under the condition of positive stress , the shear strength of the coal body , the shear expansion deformation and the damage proportion of the coal matrix are positively correlated . The shear stiffness of the coal body is basically stable with the increase of the positive stress . ( 2 ) The mechanism of DFN fracture is still the same as uniaxial compression under the condition of low confining pressure .
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TD31

【参考文献】

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本文编号：2111993