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煤岩体的强度准则研究

闫露  
【摘要】:煤炭巨大的储存量使得其已经成为我国的基础能源之一,但是煤矿开采过程中不断出现的煤炭事故,比如顶板事故、瓦斯事故,严重限制了煤炭工业的发展,也严重威胁了国民经济以及人员安全。这些煤炭事故实质上都是煤岩破坏的结果,因此我们需要对煤岩的破坏判据进行研究。由于煤岩体充沛的裂隙系统以及其微观非均匀体的特性,仅使用岩石力学中的经典强度理论难以准确地描述其破坏性态,有必要从微观破坏机制角度出发对煤岩体的强度准则进行深入研究。 本文在煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室自主研究课题“煤岩本构关系与屈服准则研究”(项目编号:0222002109107)的支持下,基于断裂力学以及细观力学相关知识,从三维微观钱币状裂隙的扩展出发,推导得出煤岩体的强度准则。所得主要结论概括如下: ①从破坏机制角度分析了煤岩的不同破坏模式,并对煤岩强度的影响因素进行了研究,进而从微观结构以及微观力学方面研究了煤岩的微观破坏机制,得到煤岩的强度判据为内部微破裂密度达到其临界值,并可知考虑煤岩的流变性质时,强度准则中加入时间因子,变为蠕变强度准则。 ②建立了煤岩体的三维微观裂隙模型,并且研究了蠕变应力强度因子的表达式,用微裂纹扩展所占据的角度域来表征在三轴压力下煤岩内部的微破裂密度,并根据复合型裂纹的脆性断裂理论,推导出角度域和外载之间的关系。从细观力学出发,选择cos1作为破坏特征量,推导出了煤岩体的一般强度准则,以及蠕变强度准则。 ③使用MTS三轴试验系统以及相应流变试验系统,对所制备的型煤试件分别进行了单轴压缩试验,围压三轴压缩试验,以及相关的蠕变实验。并对试验结果进行了分析研究,拟合出了本文所提煤岩体强度准则中的相关参数,并将理论曲线与试验数据曲线进行对比。结果表明:本文所提出的煤岩体的强度准则与试验结果相符性较好。


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