基于显微CT扫描和统计强度的煤岩损伤破裂特性研究
张良1
齐庆新2
REN Ting3
李祥春4
高科5
李春元6
李晓鹏6
袁红辉7
1.煤炭科学研究总院有限公司深部开采与冲击地压防治研究院,北京 100013;河南省瓦斯地质与治理重点实验室——省部共建国家重点实验室培育基地,河南焦作 454000;煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室,北京 1000132.煤炭科学研究总院有限公司深部开采与冲击地压防治研究院,北京 100013;煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室,北京 1000133.School of Civil,Mining and Environmental Engineering,University of Wollongong,Wollongong NSW 2522,Australia4.中国矿业大学(北京)应急管理与安全工程学院,北京 1000835.辽宁工程技术大学安全科学与工程学院,辽宁葫芦岛 1251056.煤炭科学研究总院有限公司深部开采与冲击地压防治研究院,北京 1000137.煤炭科学研究总院有限公司深部开采与冲击地压防治研究院,北京 100013;中国矿业大学(北京)应急管理与安全工程学院,北京 100083
摘要：冲击地压与瓦斯等灾害制约了我国煤矿安全高效开采,但诸多煤岩动力灾害的发生机理不明.从巷道围岩冲击-瓦斯灾害实例出发,着重研究煤岩损伤破裂演化规律与模型.开展了X射线高精度显微CT扫描试验,利用三维重构技术获得了冲击倾向性煤高分辨率三维数字岩心图像,定量分析了非连续结构分布特征;采用计盒维数法和三维可视化软件AVIZO编程计算,得到了矿物条带和裂隙结构的表征参数;基于CT扫描重构和统计强度理论,提出了一种考虑三参量韦伯分布、瓦斯作用与有效应力的煤岩损伤破裂模型;进而,开展了含瓦斯煤岩三轴压缩试验,求解模型参数并验证模型可靠,揭示了煤岩渐进破坏过程中的损伤演化规律.具体而言,显微CT扫描重构和分形计算结果表明,冲击倾向煤内部矿物条带的表面积和分形维数分别处于0.0035～0.0137和1.1214～1.2342之间,而裂隙结构的表面积占比和分形维数则分别处于 0.0006～0.0040和 1.0651～1.1454范围.矿物条带的表面积占比和分形维数整体上大于裂隙结构的,说明冲击倾向煤内部的非连续结构数量多且分布复杂.此外,含瓦斯煤岩三轴压缩试验结果表明,围压作用下煤样应力应变关系呈现出典型的I类曲线特征,以剪切破坏为主,峰值强度和峰值应变随围压升高而增大.进一步,给出了损伤破裂模型 7个参数的确定方法,并利用试验结果求解了模型参数和损伤变量.计算结果表明,该模型能较准确地反映煤岩压缩变形、准线弹性变形、塑性变形、峰值强度和峰后软化等渐进破坏特征.而且,在前 2个阶段煤岩损伤变量小于 0.2,进入塑性阶段尤其是峰后阶段,损伤变量急剧增大直至破裂.因此,提出了损伤阈值的概念,建议将损伤阈值 0.2作为煤岩损伤破裂的预警值.研究结果将为煤岩动力灾害的发生机理、预警及防控提供理论支撑.
关键词：巷道围岩冲击-瓦斯灾害显微CT扫描三维重构数字岩心非连续结构三参量韦伯分布损伤变量损伤破裂模型
分类号：TD724(矿山安全与劳动保护)TD712(矿山安全与劳动保护)
资助基金：国家自然科学基金(52304222)河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地开放基金资助项目(WS2022B02)中国煤炭科工集团有限公司科技创新创业资金专项重点资助项目(2020-2-ZD001)
论文发表日期：2023-12-30
在线出版日期：2025-08-15（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：12( 1-12 )
英文信息