基于显微CT扫描和统计强度的煤岩损伤破裂特性研究

TD724%TD712; 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...

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Published in煤炭科学技术 Vol. 51; no. z2; pp. 1 - 12
Main Authors 张良, 齐庆新, REN Ting, 李祥春, 高科, 李春元, 李晓鹏, 袁红辉
Format Journal Article
LanguageChinese
Published 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室,北京 100013%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 2023
中国矿业大学(北京)应急管理与安全工程学院,北京 100083
煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室,北京 100013%School of Civil,Mining and Environmental Engineering,University of Wollongong,Wollongong NSW 2522,Australia%中国矿业大学(北京)应急管理与安全工程学院,北京 100083%辽宁工程技术大学安全科学与工程学院,辽宁葫芦岛 125105%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
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ISSN0253-2336
DOI10.13199/j.cnki.cst.2022-2185

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Abstract TD724%TD712; 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.
AbstractList TD724%TD712; 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.
Abstract_FL Coal rock dynamic disasters such as rockburst and gas outbursts pose severe threats to the safe and efficient mining of coal mines in China;however,the mechanical mechanisms of those disasters are still unknown.Therefore,the evolution law and constitutive model of damage and fracture of coal rock was emphatically studied,starting from the rockburst-gas disaster that occurred at the coal mine roadway.Firstly,the X-ray high-precision micro-CT scanning experiment was performed,and the high-resolution 3D digital core of burst-prone coal was built utilizing 3D reconstruction technology.Furthermore,the box-counting dimension method and the 3D visual image processing software AVIZO were used to calculate the characteristic parameters of mineral bands and crack structures inside the coal sample.Secondly,a damage-fracture constitutive model considering three-parameter Weibull distribution,gas influence,and effective stress was proposed,based on CT scanning reconstruction and statistical strength theory.Thirdly,the triaxial compression experiments of gas-bearing coal were conducted,the model parameters were calculated using experimental results,the model was verified,and the dam-age evolution law of the progressive failure process of coal rock was revealed.Specifically,the experimental results of micro-CT scanning reconstruction and fractal calculation show that the surface area ratio and fractal dimension of the mineral bands are 0.0035-0.0137 and 1.1214-1.2342 respectively,while that of the fracture structures are 0.0006-0.0040 and 1.0651-1.1454 respectively.The surface area ratio and fractal dimension of mineral bands are generally larger than those of fracture structures,indicating that the number of discontinu-ous structures of burst-prone coal is significant,and its distribution is complex.Furthermore,the experimental results show that stress-strain curves are characterized by the class I curve;shear fracture usually occurs under triaxial compressive loads.The peak strength and peak strain increase with the rise in confining pressure.Moreover,the determination method of seven parameters within the damage frac-ture model is given,and those parameters and damage variable are solved based on experimental results.The calculation results show that this model can accurately reflect the progressive failure characteristics of coal rock,such as compressive deformation,quasi-linear elastic deformation,plastic deformation,peak strength,and post-peak softening.Additionally,in the first two stages,the damage variable of coal rock is less than 0.2.When it enters the plastic stage,especially in the post-peak step,the damage variable increases sharply until the fail-ure occurs.Hence,the concept of damage threshold is proposed;here,the damage threshold of 0.2 is recommended as the early warning value of damage fracture of coal rock.The findings will further promote the development of damage mechanics and provide a theoretical basis for the prevention and control of coal and rock dynamic disasters.
Author REN Ting
张良
袁红辉
高科
李晓鹏
齐庆新
李祥春
李春元
AuthorAffiliation 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 100013%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 100013%School of Civil,Mining and Environmental Engineering,University of Wollongong,Wollongong NSW 2522,Australia%中国矿业大学(北京)应急管理与安全工程学院,北京 100083%辽宁工程技术大学安全科学与工程学院,辽宁葫芦岛 125105%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
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LI Xiaopeng
LI Chunyuan
GAO Ke
YUAN Honghui
ZHANG Liang
LI Xiangchun
QI Qingxin
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China Online Journals (COJ)
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Issue z2
Keywords discontinuous structures
损伤变量
三维重构
非连续结构
damage variable
three-parameter Weibull distribution
损伤破裂模型
damage fracture model for coal rock
显微CT扫描
3D reconstruction
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PublicationTitle 煤炭科学技术
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煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室,北京 100013%School of Civil,Mining and Environmental Engineering,University of Wollongong,Wollongong NSW 2522,Australia%中国矿业大学(北京)应急管理与安全工程学院,北京 100083%辽宁工程技术大学安全科学与工程学院,辽宁葫芦岛 125105%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
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Title 基于显微CT扫描和统计强度的煤岩损伤破裂特性研究
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