循环冷浸致煤样结构损伤的力学性质演化规律

孔隙、裂隙结构是影响煤体力学性质的重要因素,直接关系到煤层气等能源的安全生产。为了研究在液氮作用下,结构损伤引起煤体力学性质的变化规律,选取辽宁省阜新市新邱煤矿长焰煤作为实验试样,通过循环冷浸的实验方法,采用岩石压缩实验机和声波反馈结构损伤检测实验装置观测不同循环冷浸周期煤样在单轴压缩过程中,孔隙量和单轴抗压强度的耦合变化关系,并建立损伤力学模型,揭示循环冷浸致煤样结构损伤的力学性质演化规律和作用机理。结果表明:(1)煤样的孔隙、裂隙在单轴压缩过程中存在3个阶段:孔隙闭合阶段、孔隙扩展阶段、破坏及其发展阶段,在孔隙闭合阶段时,随着循环冷浸周期的增加,煤样的压缩形变量逐渐增大;(2)通过与未冷浸煤样的应力-应变曲线比较,循环冷浸处理后煤样的单轴抗压强度和脆性程度降低,循环冷浸周期与单轴抗压强度和脆性程度呈负相关;(3)利用ABAQUS软件进行数值模拟,建立煤样冷浸损伤力学模型,发现在液氮冷浸环境下,煤基质收缩,煤的裂隙尖端出现了应力集中现象,当裂隙尖端的应力强度因子超过煤的断裂韧性时,裂隙就会扩展。液氮循环冷浸可以使煤样孔隙、裂隙结构发生损伤变化,促使煤体的力学性质劣化,这将对煤层气抽采和冲击地压防治提供重要的理论参考。