摘要
由于煤岩含有多种层理构造,在宏观上具有典型的横观各向同性特征,对煤岩的损伤破坏及能量演化等具有显著影响。本文基于能量耗散理论,推导不同层理倾角煤岩变形破坏过程的弹塑性应变、损伤变量及各能量表达式,并建立考虑不同层理倾角的能量耗散-损伤本构模型,定量表征了层理倾角与损伤变量、各峰值能量之间的对应关系,探究了荷载作用下层理倾角对煤岩力学和能量响应特征的影响。结果表明:(1)不同层理倾角煤岩的能量转换均呈现阶段性演化,分别对应不同破坏阶段;在恒轴压卸围压及不同围压三轴压缩条件下,随层理倾角的增大,峰值弹性能及耗散能均表现出先减小后增大的“U”形趋势,与煤岩峰值强度随层理倾角的变化基本对应,两种条件下层理倾角分别为60°～90°、45°～90°时变化最为敏感,表现为能量角度的各向异性。(2)根据不同层理倾角煤岩能量耗散过程,进一步构建了考虑层理倾角的能量耗散-损伤本构模型,并引用公开发表的试验数据进行验证和分析,结果显示,该模型能够较好地描述不同层理倾角煤岩在常规三轴压缩、恒轴压卸围压等荷载条件下的煤岩变形破坏特征,表明所构建的模型具有较好的适用性。(3)不同层理倾角煤岩耗散能Ud与损伤变量D的演化具有较好的一致性。随轴向应变的增大,二者均经历了由缓到急再趋于平缓的过程,总体呈“S”形变化趋势;随层理倾角的增加,损伤变量D与耗散能Ud均呈现出先减小后增加的“U”形趋势,当层理倾角为90°时,煤岩峰值耗散能Ud与损伤变量D均达最大值,煤岩极易发生破坏。研究结果可为探寻矿压显现规律、煤巷帮部失稳诱发机理和防治冲击地压等矿井灾害提供参考。
采矿与岩层控制工程学报
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