考虑初始损伤的压力水浸煤岩力学特性试验研究

• Published in: 煤炭学报 Vol. 48; no. 12; pp. 4417 - 4432
• Main Authors: 尹大伟, 丁屹松, 汪锋, 江宁, 柳慧敏, 谭毅
• Format: Journal Article
• Language: Chinese
• Published: 山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地,山东青岛 266590%河南理工大学能源科学与工程学院,河南焦作 454003 01.12.2023
• Subjects: 破坏模式; destruction mode; damage mechanism; 实体承载结构; solid load-bearing structure; 能量演化; microscopic characteristics of fracture surface; 劣化机制; 初始损伤量; initial damage amount; energy evolution; 破裂断口细观特征
• ISSN: 0253-9993
• DOI: 10.13225/j.cnki.jccs.2023.0256

TD82; 矿井关闭或废弃前,采空区遗留支撑煤柱受周边工作面采动、覆岩载荷等影响,产生了一定的损伤破坏;矿井关闭或废弃后,采空区一旦形成承压积水环境,将加剧煤柱支承性能劣化,可引发其破坏失稳,造成地表突然塌陷等灾害.为研究初始损伤和压力水浸对关闭或废弃矿井遗留支撑煤柱的耦合劣化作用,基于自主研发的煤岩压力水浸试验装置,进行了5组不同初始损伤的压力水浸煤样单轴压缩试验,结合XTDIC三维全场应变测量系统、扫描电子显微镜等系统,分析了煤样强度、变形破坏与能量演化等特征,从宏细观结构演化、矿物组分变化等方面揭示了煤样力学特性劣化机制.研究结果表明:①基于煤岩黏弹塑性变形理论,将循环加卸荷产生的耗散能细分为塑性损伤能与阻尼能,重新定义了煤岩循环加卸荷初始损伤量,计算获得5组煤样平均初始损伤量分别为0、0.071、0.114、0.205和0.309;②压力水浸煤样单轴抗压强度、弹性模量与初始损伤量呈负相关,而峰前塑性变形与初始损伤量呈正相关;随着初始损伤量增大,煤样缺陷处应力集中现象愈发显著,形成多个变形局部化带,其位移错动量变化率波动剧烈,且煤样破坏模式由拉伸破坏向拉-剪混合破坏转变,破碎程度增大;③初始损伤和压力水浸耦合作用下,煤样内部孔隙、微裂纹等萌生发育,颗粒间黏结力降低,内部结构由致密向疏松多孔转变,同时煤样宏观裂纹发育扩展,削弱了煤样实体承载结构,这是导致其力学特性劣化的根本原因,对应着煤样储能能力降低,峰后破坏动力显现强度减小.