不同孔隙率及孔隙水压条件下无烟煤蠕变特性研究

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己有研究表明,井下留设煤柱长期受覆岩影响,会发生蠕变变形,导致煤柱失稳,由于采空水的存在,使得煤柱内部形成孔隙水压,会进一步影响煤柱蠕变变形。目前为止,针对含水煤岩蠕变特性的试验,已取得了丰硕的研究成果,建立的含水煤岩蠕变本构模型,可以准确的描述煤岩含水率对其蠕变特性的影响,这为不同孔隙率及孔隙水压条件下煤岩体蠕变特性研究奠定了理论基础。但是以往成果主要针对煤体在温度、轴压与围岩影响下蠕变特性研究,而孔隙水压与孔隙率对煤体蠕变特性影响的研究较少,为此,本文以山西沁水煤田关岭山煤矿3号煤(无烟煤)为研究对象,基于CT扫描技术对其进行孔隙率分类,进行不同孔隙率单轴蠕变试验、不同孔隙率下相同孔隙水压三轴蠕变试验与不同孔隙水压作用下相同孔隙率三轴蠕变实验,分析试验结果,在试验的基础上,建立一个能描述不同孔隙率煤岩在孔隙水压作用下的蠕变模型并拟合出方程中的相关参数,并将得到的本构模型嵌入FLAC-3D数值模拟软件中,模拟不同孔隙率及孔隙水压下无烟煤的蠕变规律,同时在不同孔隙率及孔隙水压条件下无烟煤蠕变规律的基础上,根据建立的无烟煤蠕变模型,以山西沁水煤田关岭山煤业为工程背景,3号煤层的实际赋存地质力学条件为基础,建立数值计算模型,研究3号煤层遗留煤柱的稳定性以及煤柱的时空演化规律。结果表明:(1)不同孔隙率无烟煤试样均经历瞬时变形、衰减蠕变、稳定蠕变和加速蠕变四个阶段;随着孔隙率的增加,试件发生蠕变破坏的强度逐渐降低,起始应变值逐渐增加;(2)随着加载水平的增加,试样瞬时应变逐渐减小,进入稳定蠕变阶段所经历的时间缩短;(3)孔隙水压作用下相同孔隙率试件强度存在明显的差别,孔隙水压对煤岩试件的弱化作用明显。由孔隙率一定时不同孔隙水压作用下试件蠕变模拟得出,随着孔隙水压的增大,施加每级轴向应力时其瞬时应变量减小;(4)孔隙水压相同时,随着试件孔隙率的增大,试件在蠕变过程中其瞬时应变值有一定的增大,说明孔隙水压的存在对试件产生软化作用,导致试件的瞬时应变值有一定的增大;(5)随着孔隙率及孔隙水压的增加,煤样进入加速蠕变阶段的时间越短;(6)宽度为10m煤柱的蠕变规律符合典型的蠕变规律,即减速蠕变阶段、稳定蠕变阶段和加速蠕变阶段,煤柱位移会随着时间推进继续增大,直至煤柱发生破坏;宽度为15m、20m、25m的煤柱则只发生减速蠕变阶段、稳定蠕变阶段,后续位移将不再增大,煤柱将保持稳定状态,认为其后续随着时间推移,将不再发生破坏。
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