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| 內容簡介： |
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《工程煤岩力学特性试验与损伤失稳机制》系统介绍了工程煤岩基本概念，静载、动载及动静组合加载下工程煤岩力学试验方法及力学特性，工程煤岩损伤本构模型，煤岩物性特征、锚固对其力学特性的影响，煤柱破坏失稳力学机制等内容。《工程煤岩力学特性试验与损伤失稳机制》是作者近年来在地下煤岩力学特性与本构模型及应用研究方面的新成果，对于进一步深入认识地下煤岩力学响应具有一定的参考价值。
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目录前言第1章 绪论 11.1 工程煤岩的基本概念 11.1.1 煤岩的定义 11.1.2 工程煤岩概念 11.1.3 工程煤岩现实意义 31.2 煤岩力学性质试验装备及方法 41.2.1 煤岩力学试验装备 41.2.2 煤岩力学试验方法 121.2.3 煤岩力学特性基本认识 241.3 连续介质损伤力学基础 351.3.1 连续介质力学基本假定 351.3.2 损伤与损伤力学 361.3.3 损伤变量 37第2章 静载荷下工程煤岩力学特性 392.1 试验方法 392.2 试验准备与方案 402.3 试验结果分析 422.3.1 煤岩单体变形破坏与声发射特征 422.3.2 岩性及组合形式对工程煤岩变形破坏的影响 432.3.3 煤岩高度比对工程煤岩变形破坏的影响 452.3.4 工程煤岩与传统试件力学行为对比 46第3章 动及动静组合载荷下工程煤岩力学特性 493.1 试验方法 493.2 试验准备与方案 503.3 动载荷下试验结果分析 523.3.1 煤岩单体变形破坏特征 523.3.2 岩性及组合形式对工程煤岩变形破坏的影响 543.3.3 煤岩高度比对工程煤岩变形破坏的影响 583.4 动静组合载荷下试验结果分析 583.5 工程煤岩与传统试件力学行为对比 603.5.1 动载荷下工程煤岩与传统试件对比 603.5.2 动静组合载荷下工程煤岩与传统试件对比 64第4章 工程煤岩损伤本构模型 664.1 静载荷下工程煤岩损伤本构模型 664.1.1 煤岩损伤本构模型修正 664.1.2 静载荷下工程煤岩中煤的损伤本构方程 684.2 动载荷下工程煤岩损伤本构模型 714.2.1 岩石时效损伤本构方程 714.2.2 动载荷下工程煤岩中煤的损伤本构方程 724.3 动静组合载荷下工程煤岩损伤本构模型 75第5章 西部矿区典型煤岩物性特征与蠕变损伤本构模型 795.1 西部矿区典型煤岩矿物组分及微观结构 795.1.1 煤岩试样选取 795.1.2 煤岩矿物组分 795.1.3 煤岩微观结构 835.2 西部矿区典型煤岩主要物理力学性质分析 855.2.1 试件加工与准备 855.2.2 物理性质 865.2.3 力学性质 875.3 基于物性特征的蠕变损伤本构模型 945.3.1 物性成分与煤岩力学性质关系 945.3.2 蠕变损伤本构模型 985.3.3 算例验证 101第6章 动载荷下锚固煤岩力学强化机制 1036.1 锚固煤岩破坏特征及分析 1036.1.1 试验装置及试样制备 1036.1.2 试验方案及步骤 1056.1.3 试验结果及分析 1066.2 锚固煤岩强化力学机制 1116.2.1 锚固煤岩石吸能增效机理 1116.2.2 锚固煤岩体等效强化机制 1156.3 锚固煤岩破坏失稳机理 1186.3.1 锚固煤岩应力及变形弹塑性解 1186.3.2 锚固煤岩破坏失稳力学判据 122第7章 沿空掘巷小煤柱扩容失稳力学机制 1287.1 沿空掘巷顶板结构与小煤柱受力分析 1287.1.1 一次采动顶板结构与侧向支承压力 1287.1.2 一次采动后煤岩损伤评价 1317.1.3 沿空掘巷围岩变形分析 1367.2 小煤柱扩容演化过程 1467.2.1 完全塑性临界状态分析 1467.2.2 扩容变形演化分析 1497.3 不同宽度煤柱扩容变形破坏模拟分析 1507.3.1 模型建立与模拟方案 1507.3.2 模拟结果及分析 1517.4 小煤柱扩容变形破坏失稳判据 1557.4.1 煤柱破坏与失稳特征 1557.4.2 支护对变形控制作用 1567.4.3 支护条件下小煤柱失稳判据 1567.5 小煤柱稳定性控制方法与实践 1577.5.1 小煤柱稳定性控制原理与方法 1577.5.2 小煤柱支护设计 1617.5.3 工程实践分析 167第8章 考虑顶板影响的煤柱变形破坏与失稳力学机制 1708.1 顶板刚度对煤样破坏影响试验研究 1708.1.1 试样制备 1708.1.2 试验仪器及方案 1718.1.3 试验结果与分析 1738.2 顶板刚度对煤样能量积聚与释放影响 1798.2.1 煤样变形破坏过程中的能量转化构成 1798.2.2 煤样能量积聚与释放特征 1818.3 基于刚度影响的煤样失稳能量准则 1868.3.1 顶板能量释放对煤样变形破坏影响 1868.3.2 顶板能量释放对煤样变形破坏影响评价 1888.3.3 煤样失稳能量准则 1908.4 顶板-煤柱联动失稳力学机制 1968.4.1 顶板-煤柱结构稳定性 1968.4.2 煤柱集中应力传递力学机制 1998.4.3 顶板-煤柱联动破坏失稳机理 201参考文献 210
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第1章 绪论 1.1 工程煤岩的基本概念 1.1.1 煤岩的定义 煤是固体可燃有机矿产，是一种特殊的沉积岩。受形成环境影响，其岩石组成比较复杂，常具有明显的不均匀性，是一种含有大量微孔洞、微裂隙的非线性、非连续的复杂力学介质，主要由有机物质、无机矿物杂质等组成。在煤岩学中，一般将煤称为煤岩。 煤岩学是把煤作为有机岩石，以物理方法为主研究煤的物质成分、结构、性质、成因及合理利用的学科。煤岩学一词*早出现在1924年R.波托涅的《普通煤岩学概论》一书中，1956年，美国煤炭地质学家J.M.Schopf将煤岩定义为含碳物质的质量分数至少达到50%、体积分数至少达到70%的一种岩石，并将煤岩类型按照煤的原始植物前体划分为腐殖煤（条带状煤）和腐泥煤（非条带状煤）。目前，国内外专家学者普遍认为煤岩是一种沉积作用形成的可燃有机岩，是由地质历史时期的古植物遗体经过复杂的生物化学和物理化学作用转变而成的。由此可见，煤岩一词并不是煤和岩石的简称，而是将煤作为一种特殊岩石，是煤的地质学名词。图1-1为典型煤岩的样品。 1.1.2 工程煤岩概念 关于煤岩的研究已有上百年的历史。我国*早于20世纪30年代对煤岩成因、构造、性质等方面开始研究，现今已形成了较为系统的研究体系，并取得了丰硕的成果。对于采矿工程而言，煤系岩层多为层状分布的沉积岩，煤层厚度变化较大，从不足一米到几十米不等，受采掘扰动影响时，煤与岩石共同参与的赋存状态主要有两种，如图1-2所示。煤岩力学特性是影响井巷和采场稳定性的关键因素，是矿山采掘工程理论计算与工程设计的基础，精准掌握煤岩力学特性可为采矿工程设计和维护安全生产提供科学依据。 实验室试验是获取煤岩力学特性的重要手段，通常参照岩石力学室内试验国际岩石力学与岩石工程学会（简称ISRM）建议方法、国家标准《煤和岩石物理力学性质测定方法》、《工程岩体试验方法标准》和行业标准《水利水电工程岩石试验规程》等，将取自现场的煤岩加工成标准试件，开展相关室内加载试验。然而，现场工程条件下，煤均处于一定的围岩环境中，即受到顶底板岩石的夹持作用。煤与围岩在刚度及内部结构上存在差异，这就导致实验室中获得的煤岩试件的力学行为与实际工程存在较大差异，即煤的变形破坏不仅与受力大小有关，还受到围岩岩性组合、煤岩高度比等的影响。为此，研究者提出将（岩-）煤-岩组合体作为研究对象，如图1-3所示。 试验表明，（岩-）煤-岩组合体的变形破坏特征与煤岩单体明显不同，且前者更接近于现场工程中煤岩的真实变形破坏情况，这就说明现有的基于煤岩单体试件试验结果建立的对现场工程中煤岩力学特性的理解，并不能反映其真实的力学响应。然而，以往研究多关注组合体整体，并将组合体作为一种复合材料，室内试验也是对组合体整体进行加载测试，获得的也是整体的应力-应变*线，难以获得实际工程条件下考虑顶底板影响的煤岩力学行为。而且，现场工程条件下煤的刚度和内部结构与组合体存在显著差异。因此，现有关于组合体整体力学特性的研究，虽然比纯煤试件更贴近现场实际，但该整体结构的力学特性并不是煤岩力学特性的真实反映，将其作为现场工程设计及评价等的依据有时并不准确。另外，受工作面开采扰动、顶板断裂及人工爆破等影响，现场工程条件下煤岩受力环境复杂多变，动静组合、循环动载等多种载荷形式下煤岩的力学特性演化规律尚不十分清晰。 基于上述问题，作者提出了工程煤岩的概念，即工程煤岩是指实际地下工程中的煤岩，是考虑顶板和底板岩石影响的煤岩，其与实验室中的纯煤试件存在明显不同。就材料属性而言，两者均为煤。但就围岩环境而言，纯煤试件是一种单一材料，不会受到其他介质相互作用的影响，而工程煤岩处在一定的围岩环境中，会受到顶底板岩石的夹持作用，如图1-2所示。工程煤岩反映了煤矿井下实际工程中顶板及底板岩石对煤的影响，为从实际工程角度研究煤的变形破坏特征提供了基础。同时根据工程煤岩与顶底板岩石之间的相互作用，可将工程煤岩分为两类，即仅考虑顶板或底板岩石影响的煤岩和考虑顶板和底板岩石共同影响的煤岩。在实验室中，可将上述两类分别以煤-岩组合体中的煤和岩-煤-岩组合体中的煤来代替，如图1-4（a）和（b）所示。 1.1.3 工程煤岩现实意义 我国煤炭资源储量丰富，已探明的资源量超过世界总量的10%，是当今世界上最大的煤炭生产国和消费国。中国煤炭工业协会发布的《2024煤炭行业发展年度报告》（以下简称《报告》）显示，2024年全国原煤产量达47.8亿t，同比增长1.2%，煤炭进口量创5.4亿t新高，保障了能源安全稳定供应。《报告》预测，2025年煤炭需求将保持小幅增长，煤炭产量可保持稳中有增。可见，煤炭在我国能源消费结构中的主体地位不会变，依然是我国*重要的工业原料。 煤炭资源大量开发由此带来的安全问题不可忽视。近年来，我国煤矿安全生产状况总体稳定、好转，但重大事故仍有发生，煤矿安全生产形势依然严峻。2013～2023年全国煤矿事故死亡人数如图1-5所示。 大量现场实践表明，煤矿井下开采过程中，巷道失稳、冲击地压及煤与瓦斯突出等灾害事故发生时，通常是煤体*先发生破坏。因此，准确掌握煤的力学特性可为上述灾害事故的预防和控制提供可靠基础资料。作者团队提出的工程煤岩概念，是基于现场工程实际中煤岩所处的围岩环境提出的，与以往实验室中所采用的纯煤、煤岩组合体试件存在明显不同，更贴近实际工程条件。由此，研究复杂载荷形式下工程煤岩的力学特性及破坏机理，更加符合地下开采活动诱发煤岩的原位力学行为。 1.2 煤岩力学性质试验装备及方法 1.2.1 煤岩力学试验装备 煤岩力学性质的测试与研究离不开专用试验机的研制，早期煤岩力学性质测试完全采用普通的材料试验机，也叫柔性试验机。随着人们对煤岩和试验机刚度的认识，发明了刚性试验机。之后为模拟煤岩真实受力状态，相继研制出了三轴加载试验机、动态加载试验机、流变试验机、岩石高温高压试验机、耦合试验机、计算机断层扫描（CT）-岩石力学试验机以及复合试验机等各类先进、复杂的试验装备，深度还原了煤岩真实力学状态，极大地推动了煤岩力学学科的发展。 1）早期柔性试验机 早在16、17世纪，有学者就开始使用简单的试验装置来完成某些材料力学性能的试验，如1500年Vinci开展了金属丝的拉伸强度试验，获得了多种金属丝的强度；1638年Galileo报道了材料的直接拉伸强度试验、固体以及空心梁的弯*试验；1678年Hooke开展了金属丝弹性和弹簧的伸长试验，推动了早期试验机的发展进程。试验机的研制*早起源于18世纪初期。1729年，莱顿（Leiden）大学的Musschenbroeck制造了世界上**台试验机。该试验机基于杠杆的工作原理，采用专用夹具在每端固定并通过挂钩系统实现载荷施加。1770年前后，Gauthey研究巴黎圣?吉纳维夫教堂的支柱时，设计了一台由杠杆系统加载的试验机，并且**次完成了边长为5cm立方体岩石的力学试验，获得了岩石的压缩强度。设计与制造试验机真正兴起的时间还是在18世纪后期和19世纪初期。1884年Abbott发明了一种非常精巧的试验机，该试验机通过金属丝系统和重锤的位置来测量载荷，通过连接试样两端的金属丝和滑轮来测量位移，并采用一台机械式x-y记录仪自动记录连续的载荷-位移*线。1865年Kiiryaldy在伦敦索斯沃克大街开设第一个工业用实验室，其中安装了一台100万lb的试验机。这个时期，比较大型的试验机相继被研制出来并投入使用，极大地推动了早期试验机的发展。 然而，早期的试验机刚度较小，属于柔性试验机，使用这种试验机获得的煤岩全过程应力-应变试验*线如图1-6所示，应力-应变*线表现为达到峰值强度后迅速下降，无峰后阶段。这是由于柔性试验机的刚度小于煤岩试样的刚度，在对煤岩等材料进行加载的过程中，容易造成试验机自身的变形量大于试样受载产生的变形量，并储存有大量的弹性应变能。当对试样施加的载荷达到峰值载荷，试样内部出现宏观裂纹时，试验机内储存的弹性应变能就会突然大量释放，从而对试样施加一个远超过其峰值强度的附加荷载，使得试样突然、猛烈地被破坏，彻底丧失承载能力，这是早期柔性试验机无法获得应力-应变全过程*线的主要原因。 2）刚性试验机 早在20世纪30年代，Speath从铁的塑性变形中就已发现试验机刚度对材料强度的影响，认为反映材料性质的荷载-位移*线，超过极限强度的卸载部分被试验机的刚度所掩盖。1938年Kiendl和Maldari测得混凝土强度极限以后的读数，当时并未引起人们重视。直到1943年Whitney和Jensen才**次明确提出了这一问题。与此同时，1949年Blanks和McHerry在试验中发现试验机刚度的重要性，并强调要控制试件的破坏过程就必须提高试验机的刚度；1962年Turner和Barnard研制了一种刚性机架、油缸面积大且高度低的试验机，该试验机能产生一个与载荷无关的恒应变率；1964年Hinde研制了一种通过两个压力油缸相连接的双动式作动筒刚性补偿器，以此来增大液压试验机的有效刚性，从而为测得材料的完整应力-应变*线打下基础。 煤岩破坏刚度准则是指导刚性试验机研制的重要依据。试验机和试件系统加载过程中的荷载-变形*线如图1-7所示，其中试件刚度为kR，其荷载-变形*线的峰后斜率为kR-d。理论上，试验机加载刚度仅对试件峰后变形破坏有影响，试件峰后破坏时，试验机荷载与试件荷载同步降低，试件继续压缩，试验机变形恢复。当试验机刚度kM大于试件峰后斜率kR-d时，试验机应变能释放量小于使试件破裂的耗散能。为了使试件破裂，试验机需要继续输入能量，此时，加载过程是可控的，试件发生静态破坏，可以获得全应力-应变*线。通常将此类刚度大于试件刚度的试验机称为刚性试验机。基于这一原理，1965年南非N.G.W.Cook提出将一根钢管加在普通材料试验机上，提高试验机的刚度，**次测得岩石的荷载-位移全过程*线，证实了Whitney等的论点；次年，他同Hojem合作，研制出**台用加载框架和热膨胀柱混合加载的50t刚性试验机。自此之后，各种类型的刚性试验机相继问世。20世纪70年代初，电液伺服控制刚性试验机的研制更是为进一步认识岩石的破坏机制，推动岩石力学的发展，起到了不可估量的作用。1971年J.A.Hudson采用电液伺服控制刚性试验机获得了岩石全应力-应变*线和特性。液压伺服是刚性试验机的一种控制方式，是一种利用脉冲反馈原理驱动机械运转的自动控制技术。在伺服控制刚性试验机中，压头的位移和位移速率、荷载及加载速率等都能靠反馈来完成。此类试验机具有控制精度高、过程响应快、系统功能全面稳定等优点，因此在煤岩力学性质研究和应用领域发挥了更重要的作用。 我国在这方面研究起步较晚，20世纪70年代中期利用刚性组件提高普通试验机的刚度，随后仿制了液压和热头混合加载的刚性试验机。1979年，我国陶在朴等研制了刚性组件和热膨胀式岩石刚性试验机。中国科学院武汉岩土力学研究所研制了复式加载式的岩石刚性试验机。1988年陈宗基成功研制了80t高温高压伺服三轴流变仪，机架由高强度钢丝缠绕制成，实测刚度为18.6MN/mm。电液伺服控制刚性试验机的研制工作起步更晚，但同时期已引进美国、英国、日本等国家的各种类型电液伺服控制刚性试验机。在传统试验机的基础上考虑试验机与试样的刚度，研发具备多种功能的刚性试验机是国际岩石力学发展的趋势，我国在20世纪末已实现了这种转变，部分刚性试验机较国外定型试验机的功能更加全面，性能也更加稳定。
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