本文選題：節(jié)理煤體 + 重構(gòu)��； 參考：《中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)》2017年博士論文

【摘要】：煤巷失穩(wěn)是煤體在一種或多種受力狀態(tài)下的宏觀力學(xué)響應(yīng)。煤體作為結(jié)構(gòu)面與煤體基質(zhì)的結(jié)合體,其力學(xué)響應(yīng)特征受結(jié)構(gòu)面的顯著影響。目前關(guān)于煤巖的研究主要集中在煤塊范疇,煤體的力學(xué)響應(yīng)特征研究較少。本文為獲取煤體的力學(xué)響應(yīng)特征,采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、概率統(tǒng)計(jì)、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,提煉煤體結(jié)構(gòu)面分布特征,構(gòu)建合成煤體模型,并基于此開(kāi)展不同加載形式的數(shù)值試驗(yàn),分析不同加載條件下煤體的強(qiáng)度變形與裂隙發(fā)育特征,探討結(jié)構(gòu)面對(duì)煤體力學(xué)響應(yīng)的影響機(jī)制。主要研究?jī)?nèi)容與結(jié)論如下:(1)通過(guò)觀察不同煤樣層理與割理的空間關(guān)系,總結(jié)歸納煤體結(jié)構(gòu)面分布特征。采用測(cè)線法和測(cè)窗法測(cè)量煤體結(jié)構(gòu)面幾何參數(shù),統(tǒng)計(jì)其概率分布,構(gòu)建煤體DFN(結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)),并采用跡線分布與RQD(巖石質(zhì)量指標(biāo))校核煤體DFN。利用結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度指標(biāo)確定煤體REV(表征單元體體積)。研究結(jié)果表明:(1)煤體結(jié)構(gòu)面分布存在5個(gè)典型特征:i煤體結(jié)構(gòu)面的形狀近似為長(zhǎng)方形;ii煤體被相互平行的層理切割成厚度不等的分層;iii在煤體分層內(nèi)面割理和端割理近似垂直分布,且均近似垂直于層理;iv面割理在高度方向貫穿1個(gè)或多個(gè)分層,終止于層理;端割理在高度方向終止于層理,在長(zhǎng)度方向一般不超出面割理;v面割理雖不嚴(yán)格平行,但很少交叉,端割理類似。(2)煤體DFN在跡線分布與RQD方面均接近實(shí)際煤體,表明煤體DFN構(gòu)建方法可行、煤體DFN構(gòu)建合理。(3)研究煤體的REV為1.0×1.0×2.0 m。(2)介紹SRM(合成巖體)方法原理,確定煤體SRM的接觸模型及細(xì)觀參數(shù)標(biāo)定方法;分別通過(guò)匹配煤塊單軸壓縮和煤體結(jié)構(gòu)面直接剪切實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)與數(shù)值試驗(yàn)標(biāo)定煤體SRM的細(xì)觀參數(shù);構(gòu)建REV尺寸的煤體SRM,提出煤體SRM破壞描述指標(biāo)及裂隙形態(tài)描述方法。(3)基于煤體SRM構(gòu)建煤體單軸壓縮數(shù)值試驗(yàn)?zāi)Ｐ?利用單軸壓縮數(shù)值試驗(yàn)開(kāi)展不同加載方位條件下煤體力學(xué)響應(yīng)數(shù)值分析,總結(jié)結(jié)構(gòu)面對(duì)煤體單軸壓縮力學(xué)響應(yīng)特征的影響。研究結(jié)果表明:(1)結(jié)構(gòu)面弱化煤體單軸壓縮強(qiáng)度及彈性模量,增大煤體單軸壓縮變形程度,促使煤體力學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)出各向異性。(2)結(jié)構(gòu)面控制煤體單軸壓縮破壞方式。煤體表現(xiàn)為平行加載方向的劈裂破壞,其中垂直層理單軸加載,劈裂裂隙數(shù)量較少;垂直面割理單軸加載,煤體呈板裂破壞;垂直端割理單軸加載,煤體呈條狀破壞。(3)單軸壓縮條件下,煤體強(qiáng)度與煤體基質(zhì)破壞比例呈正相關(guān)關(guān)系,煤體變形與DFN破壞比例呈非嚴(yán)格正相關(guān)關(guān)系。(4)基于煤體SRM構(gòu)建煤體三軸壓縮數(shù)值試驗(yàn)?zāi)Ｐ?利用三軸壓縮數(shù)值試驗(yàn)分別研究不同加載方位與不同圍壓條件下煤體的力學(xué)響應(yīng)特征以及煤體殘余強(qiáng)度對(duì)圍壓的敏感性,總結(jié)結(jié)構(gòu)面與圍壓對(duì)煤體三軸壓縮力學(xué)響應(yīng)特征的影響。研究結(jié)果表明:(1)在三軸壓縮低圍壓(1 MPa)條件下,結(jié)構(gòu)面弱化煤體的強(qiáng)度參數(shù),增大煤體的變形程度;圍壓強(qiáng)化煤體的強(qiáng)度參數(shù),弱化煤體力學(xué)性能的各向異性。(2)在三軸壓縮低圍壓(1 MPa)條件下,結(jié)構(gòu)面方位并不顯著影響煤體力學(xué)性能,僅影響煤體裂隙形態(tài)。垂直層理等圍壓加載時(shí)煤體裂隙呈傾斜長(zhǎng)方形,垂直面割理等圍壓加載時(shí)煤體裂隙呈主次反向面狀,垂直端割理等圍壓加載時(shí)煤體裂隙呈傾斜菱形。(3)煤體三軸壓縮力學(xué)響應(yīng)特征具有圍壓效應(yīng):隨圍壓增大,煤體的抗壓強(qiáng)度及殘余強(qiáng)度顯著提高;煤體的彈性極限顯著增大,彈性模量基本穩(wěn)定;煤體的峰后應(yīng)力降減小,甚至消失;煤體力學(xué)性質(zhì)出現(xiàn)脆延轉(zhuǎn)化;煤體的宏觀破壞方式由拉破壞轉(zhuǎn)變至剪破壞;煤體基質(zhì)破壞比例增大,DFN破壞比例減小;結(jié)構(gòu)面對(duì)煤體力學(xué)性質(zhì)的影響減弱,乃至消失。(4)研究煤體的脆延轉(zhuǎn)化壓力為10 MPa。(5)煤體殘余強(qiáng)度對(duì)圍壓極其敏感。(5)基于煤體SRM構(gòu)建煤體直剪數(shù)值試驗(yàn)?zāi)Ｐ?利用直剪數(shù)值試驗(yàn)分別研究不同剪切方位與不同正應(yīng)力條件下煤體的剪切力學(xué)響應(yīng)特征,總結(jié)結(jié)構(gòu)面對(duì)煤體剪切力學(xué)響應(yīng)特征的影響。研究結(jié)果表明:(1)在低正應(yīng)力(1 MPa)條件下,結(jié)構(gòu)面弱化煤體剪切強(qiáng)度參數(shù),減小煤體剪脹變形,控制煤體的剪切破壞方式,促使煤體剪切力學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)出各向異性。(2)在低正應(yīng)力條件下,煤塊剪切破壞面在推力方向呈“先上揚(yáng)后下降再平直”的態(tài)勢(shì);平行層理直剪時(shí)煤體剪切破壞面基本為平面;平行面割理及端割理直剪時(shí)煤體剪切破壞面均為曲面,前者在煤體長(zhǎng)度方向相對(duì)平直、在煤體寬度方向起伏較大,而后者在煤體長(zhǎng)度與寬度方向均起伏較大。(3)在正應(yīng)力一定的條件下,煤體的剪切強(qiáng)度、剪脹變形與煤體基質(zhì)破壞比例呈正相關(guān)關(guān)系,與DFN破壞比例呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。(4)煤體剪切力學(xué)響應(yīng)特征具有正應(yīng)力效應(yīng):隨正應(yīng)力增大,煤體的峰值剪切強(qiáng)度及殘余剪切強(qiáng)度顯著提高;煤體的剪切剛度基本穩(wěn)定;煤體基質(zhì)的宏觀破壞方式由拉裂轉(zhuǎn)變至剪裂;煤體基質(zhì)破壞比例增大,DFN破壞比例減小;結(jié)構(gòu)面對(duì)煤體剪切破壞的主導(dǎo)能力減弱。(6)對(duì)比煤體在不同受力狀態(tài)下的力學(xué)響應(yīng)特征,分析煤體破壞方式及裂隙組成,得到結(jié)構(gòu)面對(duì)煤體單軸壓縮、三軸壓縮以及直接剪切力學(xué)響應(yīng)的影響機(jī)制。(1)結(jié)構(gòu)面對(duì)煤體單軸壓縮力學(xué)響應(yīng)的影響機(jī)制單軸壓縮條件下,平行加載方向的結(jié)構(gòu)面在平行壓應(yīng)力作用下發(fā)生滑移與張開(kāi),轉(zhuǎn)化為DFN裂隙。DFN裂隙端部發(fā)育出基質(zhì)裂紋,DFN裂隙與基質(zhì)裂紋形成壓致拉裂機(jī)制的裂隙組合。對(duì)于包含有平行加載方向、非貫穿結(jié)構(gòu)面的煤體,形成大量壓致拉裂裂隙,彼此組合連通形成劈裂裂隙;對(duì)于包含有平行加載方向、貫穿結(jié)構(gòu)面的煤體,劈裂裂隙基本由貫穿的DFN裂隙組成。(2)結(jié)構(gòu)面對(duì)煤體三軸壓縮力學(xué)響應(yīng)的影響機(jī)制低圍壓條件下,DFN裂隙的產(chǎn)生機(jī)制仍同單軸壓縮條件。但圍壓的存在增大了結(jié)構(gòu)面轉(zhuǎn)化為DFN裂隙的難度,在垂直圍壓作用下平行加載方向的結(jié)構(gòu)面僅可轉(zhuǎn)化為小規(guī)模、小尺寸的DFN裂隙,其數(shù)量及分布將會(huì)改變煤體內(nèi)剪應(yīng)力分布,從而影響裂隙走向及形態(tài)。由于DFN裂隙數(shù)量少且尺寸小,DFN破壞不足以主導(dǎo)煤體破壞,煤體破壞仍由剪應(yīng)力引起的煤體基質(zhì)破壞主導(dǎo)。圍壓與結(jié)構(gòu)面共同控制煤體三軸壓縮條件下的裂隙形成,隨圍壓變化,二者對(duì)裂隙形成的主導(dǎo)能力此消彼長(zhǎng)。無(wú)圍壓時(shí),裂隙形成由結(jié)構(gòu)面主導(dǎo);低圍壓時(shí),裂隙形成由剪應(yīng)力和結(jié)構(gòu)面共同主導(dǎo);中高圍壓時(shí),裂隙形成由剪應(yīng)力主導(dǎo)。(3)結(jié)構(gòu)面對(duì)煤體剪切力學(xué)響應(yīng)的影響機(jī)制受非共線相向推力作用,靠近設(shè)計(jì)剪切面、平行剪切方向的結(jié)構(gòu)面更易滑移破壞,因此具有相比單軸壓縮和三軸壓縮更強(qiáng)的DFN裂隙形成能力,并在DFN裂隙端部發(fā)育出基質(zhì)裂紋,連通相鄰結(jié)構(gòu)面或貫穿煤體,形成結(jié)構(gòu)面主導(dǎo)的剪切破壞面。隨正應(yīng)力增大,結(jié)構(gòu)面轉(zhuǎn)化為DFN裂隙的難度增加,主導(dǎo)剪切破壞面形成的能力減弱。
[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 .
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TD31

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本文編號(hào)：2111993