温度-围压-瓦斯压力作用下煤岩力学性质及有限变形行为

随着浅部煤炭资源逐渐枯竭,深部开采已成为常态。开采环境下,地温、地应力以及瓦斯压力是影响煤岩力学性质的重要因素,这些因素影响下的煤岩非线性力学行为也是深部开采过程中关键的基础问题。因此,从试验出发,基于正交试验原理,设计并开展了温度-围压-瓦斯压力作用下的煤岩力学试验。基于统计学原理,研究分析了温度、围压、瓦斯压力对煤岩力学性质的影响,结果表明:温度和围压对弹性模量、峰值应力和泊松比影响的显著性水平均为95%,瓦斯压力对弹性模量、峰值应力影响的显著性水平为95%,对泊松比影响的显著性水平为90%;同时发现,煤岩强度、弹性模量、泊松比随温度、围压和瓦斯压力的变化符合线性规律。进而,以有限变形理论为基础,结合试验条件,建立了煤岩非线性变形描述指标——平均整旋角,计算分析了其在煤岩变形破坏过程中的演化规律:平均整旋角随应力应变的变化基本可以划分为快速增长区、平缓增长区和加速增长区,这3区的出现也是煤岩压密、弹性、屈服破坏3阶段内在力学过程体现;切线模量随平均整旋角可以分为增长阶段和跌落阶段,反映了煤岩从压密、硬化到脆塑性转化的过程。最后将平均整旋角作为内变量,同时考虑温度、围压以及瓦斯压力的作用,建立了有限变形框架下煤岩大变形本构方程,通过与试验数据对比可知,提出的模型可以较好地描述煤岩变形破坏的全过程。

温度-围压-瓦斯作用下煤岩强度和脆性变化分析

利用正交试验法设计安排了9组煤样的单三轴压缩实验,提出了一种基于峰前弹性模量和峰后模量的脆性指标,利用统计学方法分析了温度、围压、瓦斯对煤样强度和脆性指标的影响。得出:围压和瓦斯对煤样强度影响的显著性水平均在99%以上,对脆性指标影响的显著性分别在99%和97%,温度对煤岩强度和脆性指标的影响显著性水平较低;分析了各因素对煤样强度和脆性的作用机理,利用线性模型对各因素作用下的煤样强度以及脆性指标进行了拟合,揭示了各因素作用下煤样强度和脆性的变化规律。

热–水–力作用下红砂岩力学性质及有限变形本构方程研究

温度、地下水及地应力是深部开采过程中影响岩体变形破坏的重要因素。从试验出发,基于正交试验原理,设计并开展温度–饱水时间–围压作用下的红砂岩变形破坏试验。分析并讨论温度、饱水时间和围压对红砂岩力学性质的影响。温度、饱水时间、围压均对岩样弹性模量和峰值应力具有显著影响,且显著性水平均在90%以上,其中围压的影响最大,温度的影响最小;利用线性模型描述了温度、饱水时间以及围压作用下岩样的弹性模量、峰值应力以及泊松比的变化规律。之后,针对深部开采中的大变形问题,基于有限变形理论,计算红砂岩变形破坏过程中平均整旋角并研究其演化规律,进而借助平均整旋角建立温度–水–力作用下的红砂岩大变形本构方程,通过和试验数据的对比表明,提出的本构方程可以较好地描述红砂岩变形破坏的过程。