循环应力-孔隙压力耦合作用煤体力学渗流响应及损伤本构模型
李树刚1
王崇智1
周斌1
杨瀚2
林海飞1
张东明3
双海清1
程亮1
1.西安科技大学安全科学与工程学院,陕西西安 710054;西安科技大学西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室,陕西西安 7100542.云南磷化集团有限公司国家磷资源开发利用工程技术研究中心,云南 昆明 650600;重庆大学煤矿灾害动力学与控制全国重点实验室,重庆 4000443.重庆大学煤矿灾害动力学与控制全国重点实验室,重庆 400044
摘要：煤层采动过程中,孔隙瓦斯压力与地应力呈多周期同步加载或卸载的动态耦合特征,两者共同驱动煤体变形及瓦斯运移,诱发矿井煤岩瓦斯动力灾害.为了深入揭示地应力与瓦斯压力多周期耦合作用下的煤体力学渗流响应特征及其主控机制,开展了固定孔隙压力仅应力(stress-only,OS)循环、固定应力仅孔隙压力(pore pressure-only,OPP)循环和应力-孔隙压力耦合(stress-pore pressure coupled,SPPC)循环加卸载的三轴渗流试验,基于统计损伤理论构建了 SPPC作用下煤体损伤本构模型.结果表明:应力与孔隙压力对煤体轴向压缩和径向膨胀变形均有促进作用,二者对体积应变影响呈相反的竞争关系,由此导致其对渗流通道的差异化影响(应力促进体积压缩从而抑制瓦斯渗流,孔隙压力导致体积膨胀从而促进瓦斯渗流).随循环周期增加,3种循环路径煤体轴向应变均呈波动式增长,径向应变波动减小.SPPC循环煤体在应力场与渗流场的耦合作用下,变形响应更敏感、损伤更易累积,至试验结束时,其累积残余应变最大(轴向0.203×10-2,径向-0.059×10-2).此外,3种循环路径煤体在加载结束时的渗透率随循环周期增加均呈指数型衰减,表明循环损伤累积使孔裂隙难以恢复至初始开度,渗流能力减弱;OS和SPPC循环煤体在卸载结束时的渗透率随循环周期增加逐渐减小,而OPP循环则相反,高压瓦斯将裂隙表面附着的松散煤颗粒或黏土矿物反复冲刷,导致裂隙通道扩展.贡献率数据表明煤体应变演化受应力主控,其在轴向、径向及体积应变中的平均贡献率分别为97.5％、64.9％和79.7％;渗透率演化则由孔隙压力绝对主导,其贡献率＞97.6％.最后,基于煤体微元强度服从Weibull分布特征,考虑孔隙压力对煤体强度的劣化作用,提出耦合损伤变量,构建了 SPPC作用下基于D-P(Drucker-Prager)准则的损伤本构模型,该模型在加-卸载阶段可较好地描述煤体在SPPC作用下的变形响应特征.研究结果为进一步揭示矿井煤岩瓦斯动力灾害的力学作用机理提供了理论支撑.
关键词：应力-孔隙压力耦合循环加卸载三轴渗流统计损伤理论本构模型
分类号：TD713(矿山安全与劳动保护)
资助基金：国家重点研发计划(2023YFC3009001)国家自然科学基金(52204240)中国博士后面上资助项目(2022MD723830)
论文发表日期：2026-01-31
在线出版日期：2026-03-27（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：17( 480-496 )
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