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煤岩体的强度准则研究 重庆大学硕士学位论文 （学术学位） 学生姓名闫 露 指导老师周小平 教 授 黄煜镔 副教授 专 业交通运输工程 学科门类工 学 重庆大学土木工程学院 二 O 一四年五月 Study on the Strength Criterion of the Coal A Thesis ted to Chongqing University in Partial Fulfillment of the Requirement for the Master’s Degree of Engineering By Yan Lu Supervised by Prof .Zhou Xiaoping by A. P. Huang Yubin Specialty Traffic and Transportation Engineering College of Civil Engineering of ChongQing University, ChongQing, China May 2014 中文摘要 I 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 1 cos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。 关键词关键词强度准则，微观破坏机制，蠕变应力强度因子，微破裂密度，破坏特征量 重庆大学硕士学位论文 II 英文摘要 III ABSTRACT Coal resources have become one of our country’s primary energy for its huge storage. However, there are many coal accidents happened during coal mining, such as roof accidents, gas explosions and so on, which severely limit the development of the coal industry, and some even seriously threaten our national economy as well as the people’s safety. Indeed, all these coal accidents are caused by the destruction of coal, so it needs to do further investigation of the failure criterion for the coal. Because of plenty of micro-crack system and micro-inhomogeneous feature of the coal, it is difficult to accurately describe its failure state only using the classic strength theory of the rock mechanics. So it is necessary to do in-depth research of the strength criteria of coal from the perspective of the micro-fracture mechanism. This thesis is supported by the state key laboratory of coal mine disaster dynamics and control, with the research “Constitutive relations and yield criterion of the coal” No.0222002109107. A new strength criterion of the coal is proposed based on fracture mechanics and micromechanics, which is derived from the growth of three-dimensional penny-shaped micro-cracks. The main conclusions are summarized as follows, ①Different failure modes of coal are analyzed from the destructive mechanism, yet the factors affecting the intensity coal are investigated. Then the micro-fracture mechanism of coal are further studied from its microstructure and micromechanics, finally the strength criterion of the coal is obtained that it will be damaged when the density of micro-fracture reaches a critical value. When considering the rheological properties of coal and adding the time factors, the strength criterion will become the creep strength criterion. ②A three-dimensional micromechanical model of coal is established, and yet the mathematical ulas of the creep stress intensity factor are obtained. The micro-failure orientation angle  is applied to characterize the inside density of micro-fracture of the coal under tri-axial compressive loads, yet the relationship between the angle domain and its external load is derived based on the brittle fracture theory of the mixed-mode cracks. Based on the micromechanics, 1 cos is selected as the failure characteristic parameter, then the creep strength criterion and the general criteria of the coal are derived. 重庆大学硕士学位论文 IV ③The uniaxial compression experiments and tri-axial compression experiments are carried out using the MTS tri-axial testing system, and creep experiments are carried out using rheological test system. The experimental result is analyzed, and then the relevant strength parameters of the coal are determined. Compared with experimental curves, the theoretical curves are in good agreement with experimental ones. Keywords Strength criterion, Micro-fracture mechanism, Creep stress intensity factor, Density of micro-fracture，Failure characteristics parameter 目 录 V 目 录 中中文摘要文摘要 .......................................................................................................................................... I 英文摘要英文摘要 ....................................................................................................................................... III 1 绪绪 论论 ......................................................................................................................................... 1 1.1 课题提出及研究意义课题提出及研究意义 ............................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 ....................................................................................................................... 2 1.2.1 强度准则研究 .................................................................................................................... 2 1.2.2 煤岩的强度准则研究 ........................................................................................................ 9 1.2.3 煤岩强度的试验研究 ...................................................................................................... 11 1.3 存在的问题和不足存在的问题和不足 ................................................................................................................. 12 1.4 本文研究的主要内容和技术路线本文研究的主要内容和技术路线 ......................................................................................... 13 1.4.1 主要内容 .......................................................................................................................... 13 1.4.2 技术路线 .......................................................................................................................... 14 2 煤岩体的微观破坏机制煤岩体的微观破坏机制 ............................................................................................... 17 2.1 引言引言 ......................................................................................................................................... 17 2.2 煤岩体的破坏模式煤岩体的破坏模式 ................................................................................................................. 17 2.3 煤岩体强度的影响因素煤岩体强度的影响因素 ......................................................................................................... 18 2.3.1 煤岩体的岩性对强度的影响 .......................................................................................... 19 2.3.2 煤岩体的应力条件对强度的影响 .................................................................................. 20 2.3.3 试验因素对煤岩体强度的影响 ...................................................................................... 22 2.4 煤岩体一般的微观破坏机理煤岩体一般的微观破坏机理 ................................................................................................. 22 2.4.1 煤岩体中的矿物 .............................................................................................................. 23 2.4.2 煤岩体中的裂隙 .............................................................................................................. 23 2.4.3 煤岩的微观力学 .............................................................................................................. 26 2.5 煤岩体蠕变的微观破坏机理煤岩体蠕变的微观破坏机理 ................................................................................................. 28 2.6 煤岩体强度准则与微观破坏机制的关系煤岩体强度准则与微观破坏机制的关系 ............................................................................. 28 2.7 本章小结本章小结 ................................................................................................................................. 29 3 煤岩体的强度准则煤岩体的强度准则 ......................................................................................................... 31 3.1 引言引言 ......................................................................................................................................... 31 3.2 基于细观研究的煤岩体的强度准则基于细观研究的煤岩体的强度准则 ..................................................................................... 31 3.2.1 基本假设和模型 .............................................................................................................. 31 3.2.2 裂纹的扩展类型 .............................................................................................................. 33 重庆大学硕士学位论文 VI 3.2.3 蠕变裂纹的应力强度因子 .............................................................................................. 35 3.2.4 不同类型裂纹的扩展条件 .............................................................................................. 40 3.2.5 表征微破裂密度的角量 .................................................................................................. 43 3.2.6 受压下煤岩破坏特征量的选择 ...................................................................................... 47 3.3 本章小结本章小结................................................................................................................................. 55 4 煤岩体的试验研究煤岩体的试验研究 ......................................................................................................... 57 4.1 前言前言......................................................................................................................................... 57 4.2 试样制备试样制备................................................................................................................................. 57 4.3 煤岩体的单轴压缩实验煤岩体的单轴压缩实验 ......................................................................................................... 59 4.3.1 试验设备 ......................................................................................................................... 59 4.3.2 试验步骤及内容 .............................................................................................................. 60 4.3.3 试验结果及分析 .............................................................................................................. 61 4.4 煤岩体的围压三轴实验煤岩体的围压三轴实验 ......................................................................................................... 62 4.4.1 试验设备 ......................................................................................................................... 62 4.4.2 试验步骤及内容 .............................................................................................................. 63 4.4.3 试验结果及分析 .............................................................................................................. 64 4.5 煤岩体的蠕变实验煤岩体的蠕变实验 ................................................................................................................. 68 4.5.1 试验设备 ......................................................................................................................... 68 4.5.2 试验步骤及内容 .............................................................................................................. 69 4.5.3 试验结果及分析 .............................................................................................................. 70 4.6 本章小结本章小结................................................................................................................................. 75 5 结论及展望结论及展望 ......................................................................................................................... 77 5.1 主要结论主要结论................................................................................................................................. 77 5.2 后续研究工作及展望后续研究工作及展望 ............................................................................................................. 78 致致 谢谢 ...................................................................................................................................... 79 参考文献参考文献 ...................................................................................................................................... 81 附附 录录 ...................................................................................................................................... 85 A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录作者在攻读学位期间发表的论文目录 .................................................................................. 85 B. 作者在攻读学位期间参加的科研项目作者在攻读学位期间参加的科研项目 .................................................................................. 85 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 课题提出及研究意义 作为世界上的人口大国，我国是世界上最早利用煤的国家，也是世界上煤炭 使用量最多的国家之一。中国 2001 年的煤炭产量为 11.06 亿吨，到 2008 年增长到 27.2 亿吨，以每年 18.24的比例飞速增长[1]。虽然现在很多方面，煤炭的使用已 经大量被石油代替，但是由于石油的过分采集，必将慢慢走向枯竭，而煤炭巨大 的储存量使得其在现在乃至以后都是我们不可取代的能源之一，特别是对以煤炭 作为基础能源的我国来说。 但是煤炭带给我们的除了收益，还有灾难。在煤炭开采过程中出现了很多顶 板事故、瓦斯事故，以及冲击地压事故，还伴随有水灾、火灾等事故。这些煤炭 事故制约了煤炭行业的蓬勃发展，并且给人类带来了巨大的灾难。经过统计，这 几种煤炭事故中，最常见发生的是顶板事故和瓦斯事故。分别究其原因，顶板事 故主要是煤炭所在矿区的地质条件难以勘测，或者勘测数据不准确，加之现在对 煤炭的采掘技术欠发展，在采掘过程中易发生顶板事故。还有一个原因就是在开 挖前未进行合理的提前支护，未在应力集中显著处或者其他一些危险区进行正确 支护。而所发生的瓦斯事故多是由瓦斯爆炸引起的，在爆炸过程中，除了本身爆 炸造成的伤亡与损失外，更为严重的是会释放出有毒性气体，给人员和财产带来 更大的损失。除此之外，煤与瓦斯突出事故也是影响矿区安全最主要的灾难之一 [2][3]。这些瓦斯灾害事故的经常发生，已经严重地制约了世界煤炭工业的发展，甚 至已经成为首要的影响因素[4][5]。因此，煤矿巷道的安全问题是一个我们需要立即 研究与处理的重大课题。 不管是顶板事故还是煤与瓦斯突出事故，其过程都是煤岩体破坏的过程。要 预防顶板事故，首先就需要知道煤岩发生破坏时的强度极限，这样才能根据煤岩 内部各处的地应力情况，进行重点提前支护。而煤与瓦斯突出事故经常发生在较 软弱煤岩体内，在坚硬岩体内一般较难发生突出事故[6]。而且突出是发生在煤岩体 破坏之后，所以要研究煤与瓦斯突出，需要首先了解煤岩在何种应力情况下发生 破坏。即解决煤炭事故，需要研究煤岩体的强度准则。 煤岩长期经受煤化作用以及构造作用，形成了其复杂的结构性态和力学特性， 以及相当充沛的裂隙系统，加上内部矿物颗粒之间的排列方式以及大小不同，使 煤岩具有非常明显的各向异性特征。而在煤层气排采和煤矿的开采过程中，煤岩 复杂的结构性态以及力学特性，极大地影响和制约着矿区的安全性能和煤层气的 有效资源开采。在对煤矿进行开采时，不断地会出现加、卸载的情况，煤岩在这 重庆大学硕士学位论文 2 种影响下力学特性以及应力状态一直处于动态改变状态，岩体内不断出现较多裂 纹，很可能造成其破坏，出现一些井壁失稳还有煤粉扬出等情况，极大地制约了 煤矿采掘工作的进展速度。煤岩的宏观断裂与体内微裂纹的存在以及它们之间的 相互作用紧密相关。 并且煤岩属于沉积岩，它是经过亿万年远古生物沉积演化而来的矿物岩类。 煤岩在微观上存在较大的差异性，不同的沉积时间、沉积季候以及沉积环境影响 着其微观结构。将煤岩放在显微镜下观察，会发现其内部存在较多缺陷，如微观 孔隙、裂隙、空洞、胶结物，并且组成颗粒大小形状不等，使得煤岩存在不均匀 性。一些宏观软弱面的存在，比如层理、节理，更加剧了煤岩的不均匀性。因此， 煤岩是一种微观非均匀的原始损伤体[7]。 因此，仅使用岩石力学中的经典强度理论，比如 Mohr-Coulomb 强度准则、 Hoek-Brown 强度准则，较难准确地模拟煤岩的实际破坏状态，不能对煤岩体的破 坏进行提前预测，故需建立一套适用于煤岩体的强度准则。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 强度准则研究 学者们对岩体强度准则的研究，最早始于 18 世纪，已经有了数百年进程。强 度准则又可称作破坏判据，是指岩体发生破坏的瞬间，各方向应力以及代表岩体 材料特性的参数之间的关系[8]。对岩石力学来讲，破坏判据的建立与采用，应反应 岩石的破坏机制。如果在简单应力条件下，岩体破坏时的应力就可称为岩体的极 限强度，可通过简单的试验得出。而如果在复杂应力条件下，为了很好描述岩体 破坏瞬间的应力状态，就必须借助强度准则来形容。对一个实际工程来说，如果 岩体某处的应力状态超过强度准则确定的临界应力状态，岩体就会发生破坏，所 以说岩体的强度准则和破坏是息息相关的，破坏是岩体变形发展的最后一个阶段， 破坏后岩体将丧失其本身的承载能力。一般来说，我们可以主应力空间的三个主 应力在极限应力状态下的关系式来描述岩体的强度准则，如下式 0,, 321 f （1.1） 也可以通过剪切破坏面上发生剪切破坏时，该面上的剪应力与正应力的关系 式来描述，如下式  nf f （1.2） 百年强度理论[9]的发展历程中， 人类提出了各种各样适合于不同材料的强度准 则。虽然各准则的表达方式、理论基础及适用条件不同，但是其共同点都是来描 述岩体的极限应力状态。这些强度准则的提出丰富了岩体的强度理论，为人类不 断研究岩体的破坏机制奠定了基础。 1 绪 论 3 强度准则的分类如图 1.1 所示，其中，理论强度准则除了基于传统力学理论提 出的四大经典准则之外，还有基于岩体的宏观破坏机制或者微观破坏机制提出的 Mohr-Coulomb 强度理论、Griffith 强度理论和广义 Griffith 强度理论以及俞茂宏提 出的双剪强度理论。还包含弱面控制的 Mohr-Coulomb 强度准则，简称为结构面强 度理论。理论强度准则是根据对岩石物理性质的假设条件推导出来的，但其又必 须经过实验与工程实践的验证，或根据试验观察到的物理现象来建立并推导强度 准则。理论强度准则与实验手段密切相关，实验和观察方法的进步，推动了岩石 强度准则研究的发展。而经验强度准则包