基于CT三维重构的煤岩组合体损伤破坏数值模拟研究

Feng Du Kai Wang Xiangluan Dong Jianping Wei

煤矿逐渐进入深部开采,煤岩瓦斯复合动力灾害日益加剧,严重制约深部矿井的 安全高效开采与矿区环境的协同发展.煤岩瓦斯复合动力灾害实质上就是工程地质强烈扰 动下"煤体-岩体"组合体系统在一定的地应力和瓦斯压力共同作用下发生整体失稳破坏 的结果.为深入研究含瓦斯煤岩组合体的损伤破坏特性,利用CT 扫描技术对原煤及砂岩 进行CT 扫描实验,获得煤体和岩体的内部裂隙结构,建立煤岩组合体三维细观结构重构 模型.利用FLAC3D 模拟含瓦斯煤岩组合体在常规三轴压缩以及卸围压条件下的损伤破坏 规律,分析其损伤破坏特性及能量演化规律.研究结果表明:煤岩试件原始CT 图像与对 应的重构图像的分形维数误差平均为3.12%,准确率为96.88%.在本文数值模拟条件下, 初始加载阶段煤岩组合体在接触面处出现小范围塑性破坏,但煤岩组合结构仍然处于弹性 阶段.随着加载的进行,煤岩组合体接触面以外的煤体开始出现塑性破坏,之后接触面处 的煤体开始大范围出现塑性破坏,随着加载的继续进行,煤体部分完全破坏,同时接触面 处的岩体也发生一定的塑性破坏,此时煤岩组合体整体失稳破坏.随着围压的增大或者瓦 斯压力的减小,含瓦斯煤岩组合体的峰值强度及到峰值强度时的总输入能量,弹性应变能 和耗散能均呈现增大的趋势.研究结果对于认识煤岩瓦斯复合动力灾害的机理具有重要的 意义.

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