文摘
煤岩复合结构的稳定性具有重要意义深矿井的安全生产,和不同的接口连接模式的煤和岩石对其稳定性有重要影响。因此,本文以下工作:首先,建立了煤岩的力学结构模型,对煤岩不同的接口连接模式的影响进行了分析。其次,机械特性(塑性区、应力和位移)不同的接口连接模式下的煤岩复合结构数值模拟,研究了能量被鱼语言在FLAC3D软件定量分析。结果表明:(1)接口降低了岩石的强度和增加煤的煤岩复合结构的力量。(2)在装运过程中,煤的身体摧毁第一和破坏范围增加逐渐增加的压力。失效模式主要是塑料剪切破坏,和煤的变形远远大于岩石的复合结构。(3)界面接触模式影响煤和岩石结构的力学行为。强烈的接触界面的影响强度、位移和能量积累的煤和岩石结构,其中能源和位移的影响更大,这是有利于提高强度。因此,建议采用强烈的接触界面研究的煤和岩石结构。
1。介绍
煤炭和煤层气开采深部开采面临更严重的挑战,其中非水压裂技术已经逐渐注意到作为环保措施增加渗透性,和学者也做了大量相关研究(1- - - - - -3]。然而,屋顶和地板也有重要影响煤炭和煤层气的开采。实践表明,软破低渗透煤层,屋顶压裂措施(4可以达到更好的效果,超临界二氧化碳增透措施(5为煤层也可以取得显著的成果。屋顶和地板损坏不同程度产生重大影响煤层渗透性的增加,但动态灾难引起的深部开采环境也与它有关。在深部开采环境下,矿山动力灾害逐渐增加,岩爆和煤与瓦斯突出的特征(6- - - - - -9]。与浅挖掘相比,煤和岩石的不同力学性能以及煤和岩石之间的相互作用在深部开采环境中必须考虑(10- - - - - -12]。因为煤炭围岩是在一定环境中,煤的力学特性不同于单一煤由于刚度的差异和煤和岩石之间的相互作用。因此,研究煤岩的力学行为复合结构能更好地反映实际情况,具有重要意义的高效开采煤炭和煤层气。
研究人员在煤岩复合结构进行了广泛的研究。刘等人。13)进行了试验研究层状复合岩石的损伤和失败,获得了水平和垂直分层损伤演化过程的围岩,并比较他们之间的分歧。林等。14]研究了裂纹的传播和传播联合层状岩体的单轴压缩试验。黄等。15]研究了加载速率对煤岩聚合的影响,发现刚度差异有显著影响总体的失效形式和岩爆倾向。左等人研究了组合模式的影响(16],围压、装卸[17),和软弱夹层18)力学特性和影响复合机构的责任,分析了加载过程中声发射行为的组合的身体,发现声发射行为主要受煤。路[19和王et al。20.]研究了煤岩组合的关系破裂责任和煤和岩石的强度和厚度和测试他们的声学和电效应。赵et al。21)实验研究了煤岩的变形和破坏的前兆信息质量。陈等人。22]研究了煤岩的力学性能质量在水的作用下岩石。莱维Selcuk et al。23和郭et al。24]研究了倾角对强度和变形的影响失败的复合主体。一些研究人员使用单轴(25和三轴26)压缩测试来研究煤岩复合结构的失效特点,能量的非线性演化特征,循环加载和卸载的影响(27- - - - - -29日]。龚et al。30.)研究了高加载率对煤岩组合的影响。刘等人。31日]研究了岩石强度对失效模式的影响和力学性能的复合主体。吴et al。32]研究了锚定煤岩的力学特性和破坏机理。陈等人。33]研究煤页岩复合材料高强度、弹性模量低的单轴压缩试验。陈等人。34)用RFPA软件模拟双层的渐进性破坏特征岩石和微震事件的数量计算。高(35,36和杨et al。37]研究了煤岩的破坏特征和能量积累进化过程质量动态和静态载荷作用下通过实验和数值模拟。谭et al。38]研究了均匀性对煤岩体的岩爆倾向颗粒流模拟和分析声发射特征。马等。39,40]建立了损伤模型考虑煤厚度的影响,研究煤岩高度比使用粒子在复合结构上流动。杜et al。41)建立了一个三维重建模型,煤岩组合,研究了故障过程和能量特征的数值模拟。王等人。42- - - - - -44]研究了机械性能、渗透率演化和含气性的声发射特征在三轴压缩条件下煤岩组合。陆et al。45- - - - - -47)力学性能的影响,研究渗透率演化特征,加载速率下层复合煤岩石真三轴的环境。
此外,刘等人。48)建立了煤和煤岩体损伤本构模型的组合进行实验研究。左et al。49)建立了煤岩的prepeak非线性模型基于轴向裂纹演化的质量。左et al。50和歌曲等。51),分别研究了煤岩的postpeak失败行为质量和建立了一个非线性模型。Petukhov et al。52)建立了岩石的失败理论基于postpeak特点和分析它从能量的角度。秦et al。53]研究frame-column-roof系统的稳定性与突变理论,建立了基于声发射监测损伤评估模型。
上述研究主要从机械的角度进行测试和数值模拟力学特性,能量耗散,煤岩体损伤演化,取得丰硕成果。然而,煤岩组合结构的力学行为和特征也与煤岩相互作用有关。
谢et al。54)提出并建立了一个two-force模型考虑工程地质的身体和身体和之间的交互验证其差异从一个身体两个媒体模型,机械测试。邓et al。55]研究岩石破裂过程的不稳定性的数值模拟结构的影响。赵et al。56,57)建立了压缩剪切强度准则考虑界面效应。左et al。58]研究了软煤岩的力学特性组合考虑界面的效果。杨et al。59)用数值模拟来研究渐进性破坏的声发射能量演化的特征组合的身体的影响下界面效果。上述研究表明,煤岩界面的不同连接方式影响煤之间的相互作用,导致不同的变形和破坏特征,煤岩结构的失效模式。
探讨煤岩相互作用及其影响下的复合结构不同的接口连接模式,本文首先分析了不同的界面接触模式对煤岩相互作用的影响在理论上复合结构。然后建立了数值计算模型的两个不同的接口联系模式。数值模拟是用来研究煤岩的破坏特征和能量积累进化规律复合结构的影响下不同的接口联系方式清楚地了解煤岩复合结构的力学响应的影响下不同的接口联系模式。
2。煤岩复合结构的机械结构模型
2.1。影响接口的连接模式的复合结构
2.1.1。压力的影响
水平分层组合结构模型(上部岩石和下部煤)构造(图1),一个代表岩石和B代表煤炭。岩石的弹性模量和煤 ;泊松比是 。它们之间的关系符合下列要求:
假设没有之间的结合力一个和B,那么水平应变一个和B满足以下方程: 在哪里和的菌株一个和B在第二个方向,分别和的菌株一个和B分别在第三方向。
微量元素分析界面,很明显,煤和岩石相互制约的接口由于不同水平的菌株。在这一点上,岩石的力量一个在接口的变化从单向压缩到三轴压缩;煤的力量B在接口的变化从单向压缩到三轴压缩;煤岩远离界面仍在单向压缩;岩石的约束力一个和B在接口如下:
方程(3)满足以下: 在哪里和 ,分别代表的约束力一个和B在第二方向的界面;和 ,分别代表的约束力一个和B在第三方向的界面;和 ,分别代表的压应力一个和B在第一端面的方向;和和 ,分别是之间的摩擦系数一个和B在第二个和第三个方向。
2.1.2。强度的影响
莫尔-库仑强度理论应用进行具体分析,其中线性莫尔强度曲线的表达式如下: 然后,
对岩石一个和B在结构相结合,可以得到以下方程类比: 在哪里和分别是岩石凝聚力和内摩擦角;和的法向应力和剪切应力断裂表面,分别;和分别是两个终极主应力对应于岩石极限平衡;岩石的单轴抗压强度;和是一个参数与岩石的内摩擦角有关。
界面的应力分析一个和B,当岩石一个在接口处于极限平衡状态时,它可以获得根据方程(3)和(4):
类似地,如果B处于极限平衡状态时,它可以根据方程(3)和(4):
岩石的轴向极限强度B在接口可以通过结合公式(12)和(8): 之间的关系方程(11)和(13)如下:
根据方程(14)和(15),即使没有界面的粘结力煤和岩石、煤和岩石的强度在接口变化由于界面的存在。具体来说,岩石的强度在接口减少,和煤的强度增加。
2.2。另一个连接模式:煤岩界面与凝聚力的影响复合结构
2.2.1。压力的影响
区分接口约束力和端面压力,在图1是由 ;根据胡克定律,菌株一个和B在第二个和第三个方向如下:
应力-应变关系满意度的微量元素如下:
煤和岩石的强度与界面由横向约束力有限,可以忽略;即单向应力强度的岩石远离界面仍受到影响 :
2.2.2。强度的影响
假设的优势一个和B仍然满足方程(7)和(8),当一个在极限平衡状态的接口一个和B的极限应力一个可以根据方程(20.):
同样的,当B处于极限平衡状态,B的极限应力可以获得:
根据(7)和(22)和方程(8)和(23),轴向的终极力量一个和B如下: 之间的关系方程(27)和(28)如下:
根据方程(29日)和(30.),当有凝聚力的接口煤和岩石、煤和岩石的强度在接口也受到影响,如下面所示:岩石在接口的强度降低,煤的强度增加。
2.3。比较不同的接口连接模式的影响复合结构
通过比较方程(11)和(13)和(27)和(28),分别发现两组方程只之间的差异和 ,因为 ;以下可以知道:
根据方程(31日)- (34),可以看出界面之间的凝聚力有不同影响煤和岩石的强度。与接口之间的粘结力的增加,岩石的强度在界面减少,煤的强度增加。
3所示。数值模拟
为了便于数值模拟,以下假设:(1)煤岩的力学性能不是非常不同,可以表示如下:煤的强度失效也会导致一定数量的能量积累屋顶岩石,允许部分岩石的失败但仍保持足够的承载力。(2)煤岩界面分为强联系和弱联系根据接触表面处理的模拟。强烈的联系可以确保压力位移的连续传输。的强有力的联系,连接面对所有命令直接用于连接煤岩电网。(3)弱联系主要是实现通过改变接触面的力学参数。
3.1。模拟方案
应用FLAC3D软件是用于建立的数值计算模型加载煤岩单轴圆柱试样复合结构。模型的总高度是100毫米,圆柱形试样的直径50毫米,煤岩的身高比例是1:1,煤和岩石的组合是一个水平组合,模型元素的总数是51200,节点的数目是52833。莫尔模型用于本构模型。初始模型如图2。煤和岩石的力学参数如表所示1。
三个不同阶段是建立在加载过程中,prepeak弹性部分,峰值点,分别和postpeak失败。塑性区、应力、强度、位移和能量分布的相应阶段提取和比较。接触表面的力学参数如表所示2。
3.2。数值仿真结果和分析
3.2.1之上。塑性区分布特征和演化定律
数据3(一)-3分别(c)显示,煤岩界面弱联系的塑性区分布和数据3(d) -3分别(f),煤岩界面的接触塑性区分布。数据3(一)和3(d),数字3(b)和3(e)和数字3(c)和3(f)显示prepeak、峰值和postpeak塑性区分布,分别。
数据显示3(一)和3(b),塑性区在弹性段在弱联系和峰值点几乎不变,和塑性区可以在加载的初始阶段形成的。塑性区不扩大在加载峰值点,和塑料损害仅限于降低煤炭的身体。数据显示3(d)和3(e),塑性区在弹性段和峰值明显不同的强联系,和塑性区峰值显著大于弱联系。
数据显示3(c)和3煤炭(f), postpeak能量释放加速扩张的塑性区,导致煤的积分失败的身体和拉伸断裂的岩石在一定程度上界面附近的角落。岩石的部分是相对完整,界面附近的岩石角落后,峰也在一定程度上产生拉伸断裂,较弱联系的更严重。
3.2.2。压力分布特征和演化规律
数据4(一)-4分别(c)显示,煤岩界面弱联系的垂直应力分布,和数字4(d) -4分别(f),煤岩界面强联系的垂直应力分布。数据4(一)和4(d),数字4(b)和4(e)和数字4(c)和4(f)显示prepeak、峰值和postpeak分布的垂直压力,分别。
数据显示4(一)和4(b),弱的峰值接触压力的分布通常是类似于弹性段,煤岩的应力在界面边缘和中间和下部煤相对增加,但增长是有限的。整体的应力分布模型仍然是相对均匀。一个强大的接触表面下的应力分布是完全不同的。煤体内模型的一部分,压力小的倒v型分布的地区出现(图4(d)),这表明这些地区产生损伤和不同程度的失败以及承载力降低。同时,有一定程度的应力集中在煤炭的身体,但是面积很小。在强大的界面接触,界面附近的约束影响煤更强,提高了承载力的煤在一定程度上。两种接触模式下的能量释放是主要来自煤炭。
3.2.3。位移分布特征和演化定律
数据5(一)-5分别(c)显示,煤岩界面弱联系的位移分布,和数字5(d) -5分别(f),煤岩界面的接触位移分布。数据5(一)和5(d),数字5(b)和5(e)和数字5(c)和5(f)显示prepeak、峰值和postpeak位移的分布,分别。
数据显示5(一),5(b),5(d)5(e),它可以看出一个弹性段和峰值段的位移变化不管弱接触或强联系,相似和位移逐渐增加随着负载的增加。通过比较数据5(b),5(e),5(c)5(d),可以看出变形峰值和峰值后的复合比强联系在煤岩界面弱联系。这表明弱接触会引起煤岩结构的大变形。
3.2.4。能量分布特征和演化规律
为了进一步分析煤岩的演化过程能量在加载过程中,鱼的语言应用FLAC3D软件用于计算复合结构的能量在不同应力阶段。岩石的能量分布和煤的结构提取相结合,分别组合结构的整体实力。
数据6(一)和6(d)的峰值强度弱联系和强联系在煤岩界面,分别。可以看出,煤岩体的强度强联系9.2 MPa,大于8.8 MPa弱联系,和峰值应变减少。这可能是由于煤和岩石之间的强联系,使煤岩相互作用更加明显。
数据6(b)和6(e)显示煤和岩石的能量分布峰值点,和数字6(c)和6(e)显示postpeak能量分布。煤和岩石的能量积累强大的联系也不同。具体地说,在一个强大的接触界面,系统的总能量较高。在强大的联系,最大能源煤炭191.2 kJ,最低能量在岩石6.41 kJ。在接触表面疲软的情况下,煤的最大能量80.3 kJ,最低能量在岩石是5.71 kJ。两者之间有很大的区别。因此,可以看出界面接触程度影响煤和岩石的强度和能量积累,和对能源是最严重的影响。峰值后,释放能量,岩石积累的弹性能量逐渐减少并最终稳定。
强烈的接触界面约束效应较强,煤和岩石,使煤的抗变形和损伤。接触界面的影响模式应充分考虑煤岩结构的研究。
4所示。讨论
(1)考虑到实际工程环境、煤层和岩石的层状岩体。接触界面的影响模式的影响程度的煤层和岩石之间的胶结。层间胶结强度的等于界面接触模式的强度研究。(2)当两层强度差异很大,界面的影响相对有限。这主要是因为不稳定的煤的强度不足以引起足够的岩石的变形,导致岩石本身的能量积累有限。这时,灾难不稳定结合结构类似于一个煤的身体,和煤岩相互作用不明显。当岩石的高强度和强度差异很小,岩石之间的胶结程度通常是更好的。这使得复合结构具有很强的剪切强度,通常是伴随着一个强大的动力效应在灾难的不稳定,和煤和岩石之间的相互作用是显而易见的。(3)接口连接模式也是影响因素之一的煤岩相互作用。它涉及到应力转移和变形协调,然后影响过程和失败的结构形式。此外,它可能会导致复合结构的强度的变化。因此,它更有利于工程防灾澄清接口连接模式。5。结论
通过煤岩复合结构作为研究对象,基于理论分析和数值模拟,具体接口连接模式对煤岩复合结构的影响进行了研究;应力、位移、塑性区和能量分布,与进化的复合结构在不同接触方式被数值模拟分析。主要结论如下:(1)影响煤岩复合结构的接口,如下所示:接口降低了岩石的强度和复合结构中增加煤炭的力量。整个界面连接煤和岩石抵抗外部负载。煤的失败提供了有利条件岩石弹性能量的释放,最终导致复合结构的不稳定。(2)在加载过程中,煤的身体被摧毁,失败的范围增加逐渐增加的压力。失败的方向从底部延伸到煤岩界面和失效形式主要是塑料剪切破坏。在煤岩界面,拉伸断裂发生在某种程度上,和岩石变形相对统一和小。煤变形的增加逐渐从上到下,和岩石的变形大于。(3)界面接触模式影响煤和岩石结构的力学行为。强烈的接触界面的影响强度、位移和能量积累的煤和岩石结构,其中影响能源和位移是伟大的,这有助于提高强度,但不明显。因此,建议采用强烈的接触界面研究的煤和岩石结构。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的结果都包含在这篇文章。
的利益冲突
作者声明没有关于这篇文章的出版的利益冲突。
确认
这项工作是由中国国家自然科学基金资助(51874348、51574280、51574280),重庆市杰出青年科学基金(cstc2019jcyjjqX0019)和科技创新和创业基金的中国煤炭科技工程集团(2019 - td - qn040)。