基于显微CT扫描和统计强度的煤岩损伤破裂特性研究

• 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
• Language: Chinese
• 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
• Subjects: 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; rockburst-gas disaster; digital core; 巷道围岩冲击-瓦斯灾害; 三参量韦伯分布; 数字岩心; high-precision micro-CT scanning
• ISSN: 0253-2336
• DOI: 10.13199/j.cnki.cst.2022-2185

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.