偏心荷载下含孔洞缺陷煤岩力学特性与致损机理研究

来源 :辽宁工程技术大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:habenladan
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受地势起伏或工程开挖影响,隧道与井工开采巷道周边煤岩体常常受到不同程度的偏心荷载作用。特别对于开挖后具有一定缺陷的煤岩体,在偏心荷载作用下更易于发生变形和破坏,给巷(隧)道工程的支护与维护带来了很大的困难。鉴于此,本文以原煤和型煤试样为研究对象,借助室内试验、理论分析、数值模拟等研究手段,在分析均布荷载下硬脆性原煤与软塑性型煤力学特性与损伤规律的基础上,实时观测了不同程度偏心荷载单轴压缩下煤岩表面裂纹扩展和应变场局部化演化进程,探讨了偏心荷载下煤岩表面裂纹扩展演化规律与应变场局部化带演化规律之间的关系,分析了荷载偏心程度与孔洞缺陷耦合作用对煤岩应变场局部化带形态的影响。基于表征应变场局部化带特征的统计指标定义了损伤变量,建立了考虑偏心荷载影响的损伤本构模型,并验证了模型的合理性,最终揭示了偏心荷载与孔洞缺陷耦合作用下煤岩损伤破裂机理。本文主要研究成果如下:(1)均布荷载压缩时原煤应变局部化启动应力约为峰值应力的94.4%,型煤试样应变局部化启动应力约为峰值应力的85.1%,软塑性的型煤较硬脆性的原煤试样更易于表现出应变局部化三阶段特征。(2)偏心荷载不会改变原煤与型煤试样的应力应变曲线阶段性特征,原煤与型煤的峰值应力和局部化启动应力均随着荷载偏心系数的增大而逐渐增加,表现为线性函数规律;荷载偏心程度越大,原煤与型煤试样越容易发生破坏,并且荷载直接作用区与非直接作用区交界面处剪应力作用带的存在是原煤与型煤发生宏观剪切破坏的主要原因。(3)偏心荷载作用时,裂纹萌生扩展阶段煤样声发射参数的多峰值现象比常规单轴加载时明显,裂纹不稳定发展和贯通阶段的声发射参数多峰值现象则不如单轴加载时明显。偏心荷载作用时,煤岩煤岩声发射b值随应力曲线的增加呈波动减小趋势,整体波动性大于均布荷载加载,且存在多个b值迅速下降的过程。(4)应变场局部化带能够很好地反映表面主控裂纹位置,应变场局部化带和表面裂纹形态受荷载作用区与孔洞缺陷的相对位置影响,即当孔洞缺陷处于荷载直接加载区时,二者演化方向受偏心荷载产生的剪应力集中带与孔洞缺陷共同影响,形成的应变场局部化带将加载板端部与孔洞缺陷连通;当孔洞缺陷处于非直接加载区时,孔洞缺陷对二者演化方向仅起引导作用,且其引导程度取决于煤岩的强度,煤岩强度越大,孔洞缺陷对二者形态影响越小。(5)通过参数标定得到了一组能够反映室内试验中原煤力学特性与损伤规律的细观力学参数,开展了偏心荷载下单轴与三轴压缩过程中煤岩细观损伤过程模拟,发现煤岩峰值应力、起裂应力、扩容应力均随着荷载偏心系数的增加呈线性函数规律降低,细观裂纹数目演化具有四阶段特征:平静阶段,裂纹稳定扩展阶段,裂纹不稳定扩展与贯通阶段,破坏后阶段。(6)求解了偏心荷载作用下煤岩体主应力差分布特征与孔洞缺陷周边主应力差分布特征,从理论角度解释了室内试验中主控裂纹的分布规律。基于提出的定量表征应变场局部化特征的统计指标定义了损伤变量,建立了能够反映偏心荷载和孔洞缺陷共同影响的煤岩损伤本构模型,通过试验数据验证,所建模型能够很好地反映原煤与型煤试样应力应变曲线阶段性特征。该论文有图144幅,表7个,参考文献169篇。
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