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煤体层理结构面三维形貌特征及剪切力学特性研究

【摘要】:获取煤体结构面的三维形貌特征及剪切力学参数可为煤体变形和稳定性分析计算提供必要的数据支撑,掌握其力学响应特征是评估煤体在一定力学状态下变形和破坏形式的重要环节。目前国内外的相关试验多集中于硬岩内的不连续结构面,而对煤体结构面的研究几乎没有。本文将开展这方面的一些研究,为获取煤体结构面的形貌特征及剪切力学特性,采用实验室试验、理论分析、数值模拟等方法对煤体结构面进行了研究,主要研究内容及得到的结论如下:1)本文以晋城矿区下辖寺河煤矿的无烟煤为研究对象,在井下提取得到含有原生闭合结构面的煤体试块,在实验室内将煤块加工成含结构面的标准试样,之后对煤样结构面的表面形貌进行了光学扫描,并进行了不同法向应力下的直剪试验。研究结果表明:(1)煤样结构面上凸起体的最大高度为26.9mm,凹陷处的最大深度为13.4mm,各煤样表面起伏的最大高差达到26.9mm,最小为14.1mm,煤样表面凸起体的倾角主要集中在15°~30°,所有煤体结构面上凸起体的倾斜方向都表现出明显的各向异性,且存在明显的优势倾斜方向。(2)经统计分析和定量计算得到煤样结构面的JRC最大值为19.2,最小值为9.3,JRC值主要集中在14~18之间。(3)由直剪试验的结果得到,当施加的法向应力较低时,煤体结构面法向刚度的取值范围为13~39.2MPa/cm,剪切刚度的取值范围为3.1~26.6MPa/cm,当施加中等法向应力时,煤体结构面的法向刚度取值范围为13.8~62MPa/cm,剪切刚度取值范围为4.3~18.2MPa/cm,煤体结构面内聚力平均值为0.67MPa,峰值摩擦角平均值为37°。由试验结果可知:煤体结构面的法向刚度及剪切强度都会随法向应力的增大而增大,且随着剪切变形量的增加,煤体结构面的剪切强度会随之逐渐增大并最终达到稳定值。2)为研究凸起体倾角对结构面剪切强度的影响,用相似材料制作了接近煤体强度的结构面试样,结构面试样上的凸起体倾角分别为30°、45°、60°,对试样进行了不同法向应力下的单调直剪试验和循环直剪试验。研究结果表明:(1)当法向应力为1~3MPa时,相似材料结构面试样的剪切刚度值范围为9.4~44.6MPa/cm,当法向应力为1~5MPa时,结构面剪切刚度值范围为9.4~52MPa/cm,剪切刚度值范围与煤体结构面的剪切刚度值范围大致相近。(2)单调剪切试验过程中,在同一法向应力作用下,结构面的峰值剪切强度随凸起体倾角的增大而呈现出先增大后降低的趋势,即凸起体倾角为45°的结构面抗剪切能力最强。与单调剪切阶段相比,在循环剪切试验过程中,同一法向应力作用下得到的峰值剪切强度值会明显降低,降低量在42%~71%之间,同时循环剪切模式下结构面的剪切刚度也要远低于单调剪切模式下。(3)在单调剪切作用下结构面的法向变形会呈现出先剪缩后剪胀的状态,在循环剪切作用下,结构面法向变形则会一直处于剪缩状态。模型结构面的破坏形态可分为尖端破坏、沿凸起体中部剪断、沿凸起体根部剪断三种情况,当法向应力较小时,结构面的爬坡效应较明显,法向应力较大时,结构面的爬坡效应则受到限制,凸起体的破坏形态逐渐由尖端破坏向中部剪断及根部剪断过渡。3)依据光学扫描结果,用PFC软件创建了含真实煤体结构面的数值模型,模型的细观参数标定完成后,对模型进行了不同法向应力下的直剪试验。研究结果表明:(1)模型结构面的峰值剪应力、剪切裂纹数量、总裂纹数量都随作用于模型上的法向应力的增加而增加。同一模型中当剪切方向发生变化后,结构面的峰值剪切强度会发生变化,表现出明显的各向异性,且当剪切方向与结构面的优势倾斜方向相反时,结构面的峰值剪切强度达到最大值,明显高于结构面沿其它方向剪切时的峰值剪切强度。(2)煤体中割理的存在会明显降低结构面的峰值剪切强度,最大降低量为1.9MPa,剪切完成后模型中产生的剪裂纹数量及裂纹总量会因割理的存在而明显增多,裂纹多分布在割理与模型相交的露头处及割理与结构面相交处。(3)当结构面长度及凸起体高度一定时,在相同法向应力作用下,模型结构面的剪胀变形值、峰值剪应力、剪切裂纹数量都会随凸起体倾角的增大而呈现出先增大后减小的趋势,当凸起体倾角为30°时,结构面的剪胀变形值达到最大,当凸起体倾角达到50°时,结构面的峰值剪切强度及剪切裂纹数量达到最大。

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