岩土力学 ›› 2021, Vol. 42 ›› Issue (2): 315-323.doi: 10.16285/j.rsm.2020.0848

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水-力耦合下煤岩力学特性及损伤本构模型研究

李波波1, 2, 3,王忠晖1,任崇鸿1,张尧1,许江4,李建华1   

  1. 1. 贵州大学 矿业学院,贵州 贵阳 550025;2. 贵州大学 喀斯特地区优势矿产资源高效利用国家地方联合工程实验室,贵州 贵阳 550025; 3. 贵州大学 贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室,贵州 贵阳 550025;4. 重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室,重庆 400044
  • 收稿日期:2020-06-19 修回日期:2020-12-04 出版日期:2021-02-10 发布日期:2021-02-09
  • 作者简介:李波波,男,1985年生,博士,教授,硕士生导师,主要从事岩石力学与工程方面的教学与研究工作。
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(No. 52064007,No. 51804085,No. 51911530203)

Mechanical properties and damage constitutive model of coal under the coupled hydro-mechanical effect

LI Bo-bo1, 2, 3, WANG Zhong-hui1, REN Chong-hong1, ZHANG Yao1, XU Jiang4, LI Jian-hua1   

  1. 1. College of Mining, Guizhou University, Guiyang, Guizhou 550025, China; 2. National & Local Joint Laboratory of Engineering for Effective Utilization of Regional Mineral Resources from Karst Areas, Guizhou University, Guiyang, Guizhou 550025, China; 3. Guizhou Key Laboratory of Comprehensive Utilization of Non-metallic Mineral Resources, Guizhou University, Guiyang, Guizhou 550025, China; 4. State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control, Chongqing University, Chongqing 400044, China
  • Received:2020-06-19 Revised:2020-12-04 Online:2021-02-10 Published:2021-02-09
  • Supported by:
    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (52064007,51804085,51911530203).

摘要: 为探究水分对煤岩力学特性的影响,利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流试验装置,开展不同含水率下原煤三轴压缩试验研究。基于弹性损伤力学,推导表征不同含水率下煤岩整体损伤的损伤变量,建立水-力耦合作用下煤岩分段损伤本构模型,得到煤岩的变形随含水率的变化规律。结果表明:(1)不同含水率下煤岩的变形规律基本一致,破坏过程可分为峰前应力阶段、峰后应力阶段和残余阶段;(2)随着含水率增大,煤岩受水分作用峰值应力降低,泊松比增大,弹性模量均呈线性单调减小,煤岩脆性逐渐减小;(3)所建立的损伤本构模型可以较好地表征不同含水率下全应力-应变过程中的变形特征,适用于分析不同含水率下煤体三轴压缩应力应变问题;(4)损伤修正系数q和损伤本构系数n共同决定了损伤本构模型的曲线形状,q反映了煤岩残余变形的特征,n反映了应力-应变曲线的峰后不同的软化程度。

关键词: 煤岩, 损伤, 含水率, 本构关系, 水-力耦合

Abstract: In order to explore the impact of moisture on the mechanical properties of coal, the triaxial compression tests of raw coal with different moisture contents are carried out by using the triaxial servo-controlled seepage equipment for thermal-hydro- mechanical coupling in coal containing methane. Based on elastic damage mechanics, the damage variables of coal with different moisture contents are deduced, and the damage constitutive model of coal under hydro-mechanical coupling is established, the deformation characteristics of coal with different moisture contents are obtained. The results show that: (1) the deformation and failure process of coal under different moisture contents are similar, which can be divided into pre-peak stress stage, post-peak stress stage and residual stress stage; (2) as the moisture content increases, the peak stress, elastic modulus and brittleness of coal decrease, but the Poisson's ratio increases; (3) the damage constitutive model of coal can better represent the deformation characteristics of coal in the complete stress-strain process under different moisture contents, which is suitable for the analysis of the triaxial compressive stress-strain of coal under different moisture contents; (4) both the damage correction coefficient q and the damage constitutive coefficient n determine the curve shape of the damage constitutive model. The damage correction coefficient reflects the characteristics of residual deformation of coal, and the damage constitutive coefficient reflects different degrees of post-peak strain softening of the stress-strain curve.

Key words: coal, damage, moisture content, constitutive relation, coupled hydro-mechanical

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