浸润煤岩力学特性试验及本构关系研究

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在采矿工程中,煤层注水工艺和防水隔离煤柱留设均涉及水与煤岩的相互作用。本文以陕北某矿原煤为样本,开展浸润煤岩力学特性试验,确定浸润煤岩应力阈值点,构建浸润煤岩本构关系,全面分析水-岩作用对煤岩力学特性的影响,为煤炭安全、高效开采提供理论支持。主要研究内容如下:首先,通过对煤岩进行浸水试验和力学特性试验,获得了不同浸水时长下煤岩的应力-应变曲线及力学特性参数。煤岩饱和前,单轴压缩试验应力-应变曲线的压密、线弹性阶段随着浸水时长增加逐渐变陡;饱和后,其应力应变曲线的压密、线弹性阶段随谷浸水时长增加逐渐变缓。饱和前,所测煤岩的抗压强度、抗拉强度和弹性模量随浸水时长的增加而增大;饱和后,抗压强度、抗拉强度和弹性模量随浸水时长的增加而减小。其次,分别通过切线法、声发射法、应变测狀法确定浸润煤岩的应力阈值点,并讨论了各种方法的优劣性。结果表明:切线法可以快速获取应力阈值点的范围,但不能获得确定值;声发射法可以确定短期(15天内)浸润煤岩的应力阈值点,但不能准确确定浸水时长超过15天煤岩的应力阈值点;应变测量法确定应力阈值点所受主观因素影响较小,并可通过编程求解。最后,通过闭合应力阈值点将饱和煤岩的受压变形分为微裂纹变形和煤岩基质变形两个过程,基于岩石统计损伤及非协调变形理论,构建了考虑微裂纹闭合效应的浸润煤岩分段式本构模型,讨论了模型参数对损伤变量的影响,并通过饱和煤岩单轴压缩试验数据对模型进行验证。结果表明,理论曲线与试验结果吻合较好。
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