冻结裂隙煤岩单轴压缩破坏机制及细观参数反演

doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2019.0083

冰川冻土 ›› 2020, Vol. 42 ›› Issue (4): 1275-1284.doi: 10.7522/j.issn.1000-0240.2019.0083

冻结裂隙煤岩单轴压缩破坏机制及细观参数反演

史昌盛¹^,²(), 李双洋²(), 石梁宏², 王冲³

^1.中国铁建股份有限公司, 北京 100855
^2.中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室, 甘肃兰州 730000
^3.兰州大学土木工程与力学学院, 甘肃兰州 730000

收稿日期:2018-12-26 修回日期:2019-05-18 出版日期:2020-12-31 发布日期:2019-05-18
通讯作者: 李双洋 E-mail:shichangsheng@crcc.cn;lisy@lzb.ac.cn
作者简介:史昌盛（1979 - ），男，山西祁县人，高级工程师， 2005年在兰州交通大学获硕士学位，从事岩土与地下工程研究. E-mail：shichangsheng@crcc.cn
基金资助:
国家重点研发计划项目(2018YFC0808401);国家自然科学基金项目(41672315);中国科学院“西部之光”项目（李双洋）;中国科学院青年创新促进会项目(2015349);冻土工程国家重点实验室自主研究课题(SKLFSE-ZY-18);中国科学院STS项目(HHS-TSS-STS-1502)

Failure mechanisms under uniaxial compression and microscopic parameter inversion of frozen fractured coal rock

Changsheng SHI¹^,²(), Shuangyang LI²(), Lianghong SHI², Chong WANG³

^1.China Railway Construction Corporation Limited, Beijing 100855, China
^2.State Key Laboratory of Frozen Soil Engineering, Northwest Institute of Eco-Environment and Resources, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China
^3.School of Civil Engineering and Mechanics, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China

Received:2018-12-26 Revised:2019-05-18 Online:2020-12-31 Published:2019-05-18
Contact: Shuangyang LI E-mail:shichangsheng@crcc.cn;lisy@lzb.ac.cn

摘要/Abstract

摘要：

煤岩的变形破坏是一个复杂的渐进演化过程，为了研究冻结条件下裂隙煤岩的破坏机理，基于CT扫描图像，应用三维离散元模拟方法，建立了冻结裂隙煤岩的单轴压缩模型。对比分析数值试验与室内压缩试验得到的应力-应变曲线，发现二者吻合较好。通过对数值模拟结果的系统分析，得到了冻结裂隙煤岩的细观结构损伤过程和宏观变形破坏规律，也发现了煤岩的弹性模量和强度随温度变化的发展规律，同时给出了煤岩强度和弹性模量与温度的数学关系式。以上研究表明，离散元模拟方法能够为研究冻结裂隙煤岩的细观损伤演化和宏观破坏变形提供新思路，可为岩体工程的安全稳定分析提供理论依据和参数基础。

关键词: 冻结裂隙煤岩, 应力-应变关系, 位移, 离散单元法

Abstract:

Deformation and failure of coal rock is a complicated and gradual evolution process. In order to study the failure mechanisms of frozen cracked coal， a uniaxial compression model of frozen cracked coal was established based on CT machine images and using 3-D discrete element method. The numerical stress-strain curves were compared with experimental ones， which showed that there was in good agreement between the numerical and experimental results. Then， the micro-structure damage and failure processes of the cracked coal were analyzed. Simultaneously， the development law and mathematical relationship between the strength and elastic modulus of coal rock and temperature was obtained. Through above studies， a new idea is found to analyze damage failure of frozen cracked coal by discrete element method. The idea and method in this study may be useful for studying other discrete materials.

Key words: frozen fractured coal rock, stress-strain relation, displacement, discrete element method

中图分类号:

TD313

史昌盛, 李双洋, 石梁宏, 王冲. 冻结裂隙煤岩单轴压缩破坏机制及细观参数反演[J]. 冰川冻土, 2020, 42(4): 1275-1284.

Changsheng SHI, Shuangyang LI, Lianghong SHI, Chong WANG. Failure mechanisms under uniaxial compression and microscopic parameter inversion of frozen fractured coal rock[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2020, 42(4): 1275-1284.

图/表 13

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参考文献 22

1	Peng Ruidong， Zhang Yujun， Yang Yongming， et al. Numerical simulation of porous rock damage and failure［J］. Journal of China Coal Society， 2014， 39（6）： 1039 - 1048.
	彭瑞东，张玉军，杨永明，等. 孔隙煤岩损伤破坏行为的数值模拟［J］. 煤炭学报， 2014， 39（6）： 1039 - 1048.
2	Chen Ruijie， Cheng Guodong， Li Shuxun，et al. Development and prospect of research on application of artificial ground freezing［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2000， 22（1）： 43 - 47.
	陈瑞杰，程国栋，李述训，等. 人工地层冻结应用研究进展和展望［J］. 岩土工程学报， 2000， 22（1）： 43 - 47.
3	Xu Shiliang， Wang Renhe. Testing frame design and research of temperature field of frozen artificial ground［J］. Low Temperature Architecture Technology， 2004（5）： 66 - 67.
	徐士良，汪仁和. 人工地层冻结温度场试验台设计和研究［J］. 低温建筑技术， 2004（5）： 66 - 67.
4	Xie Xionggang， Feng Tao， Wang Yong， et al. Study on the energy dynamic balance on coal and gas outburst［J］. Journal of China Coal Society， 2010（7）： 1120 - 1124.
	谢雄刚，冯涛，王永，等. 煤与瓦斯突出过程中能量动态平衡［J］. 煤炭学报， 2010（7）： 1120 - 1124.
5	Feng Tao， Xie Xionggang， Liu Hui， et al. Research on feasibility in preventing the coal and gas outburst by infecting liquid and freezing in uncovering coal seam in cross-cut［J］. Journal of China Coal Society， 2010， 35（6）： 937 - 941.
	冯涛，谢雄刚，刘辉，等. 注液冻结法在石门揭煤中防突作用的可行性研究［J］. 煤炭学报， 2010， 35（6）： 937 - 941.
6	Liu Quansheng， Kang Yongshui， Huang Xing， et al. Critical problems of freeze-thaw damage in fractured rock and their research status［J］. Rock and Soil Mechanics， 2012， 33（4）： 971 - 978.
	刘泉声，康永水，黄兴，等. 裂隙岩体冻融损伤关键问题及研究状况［J］. 岩土力学， 2012， 33（4）： 971 - 978.
7	Liu Quansheng， Huang Shibing， Kang Yongshui， et al. Advance and review on freezing-thawing damage of fractured rock［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2015， 34（3）： 452 - 471.
	刘泉声，黄诗冰，康永水，等. 裂隙岩体冻融损伤研究进展与思考［J］. 岩石力学与工程学报，2015， 34（3）： 452 - 471.
8	Liu Hui， Yang Gengshe， Ye Wanjun， et al. Analysis of unfrozen water content and damage characteristics based on histogram technique of CT images［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2015， 37（6）： 1591 - 1598.
	刘慧，杨更社，叶万军，等. 基于CT图像直方图技术的冻结岩石未冻水含量及损伤特性分析［J］. 冰川冻土， 2015， 37（6）： 1591 - 1598.
9	Jiang Yongdong， Xian Xuefu， Xu Jiang， et al. A research on sandstone uniaxial and triaxial compression tests［J］. China Mining Magazine， 2004， 13（4）： 66 - 69.
	姜永东，鲜学福，许江，等. 砂岩单轴三轴压缩试验研究［J］. 中国矿业， 2004， 13（4）： 66 - 69.
10	Haniel Y， Lyakhovsky V， Aqnon A. Coupled evolution of damage and porosity in poroelastic media theory and applications to deformation of porous rocks［J］. Geophysical Journal International， 2004， 156（3）： 701 - 713.
11	Guo Zhonghua， Zhu Zhende， Yang Zhixiang， et al. Study on rock strength characteristics based on uniaxial compression tests［J］.Journal of Hohai University， 2002， 30（2）： 93 - 96.
	郭中华，朱珍德，杨志祥，等. 岩石强度特性的单轴压缩试验研究［J］. 河海大学学报， 2002， 30（2）： 93 - 96.
12	Yang Shengqi， Xu Weiya， Wei Lide， et al. Statistical constitutive model for rock damage under uniaxial compression and its experimental study［J］. Journal of Hohai University， 2004， 32（2）： 200 - 203.
	杨圣奇，徐卫亚，韦立德，等. 单轴压缩下岩石损伤统计本构模型与试验研究［J］. 河海大学学报， 2004， 32（2）： 200 - 203.
13	Dai Gaofei， Yin Guangzhi， Pi Wenli. Experimental study on meso-damage evolution of coal under uniaxial compression［J］. Journal of Tongji University， 2004， 32（5）： 591 - 595.
	代高飞，尹光志，皮文丽. 压缩荷载下煤岩损伤演化规律细观实验研究［J］. 同济大学学报， 2004， 32（5）： 591 - 595.
14	Yang Yongjie， Wang Dechao， Wang Kai， et al. Micro and meso-damage mechanism of coal’s strength and deformation characteristics［J］. Chinese Journal of Engineering， 2011， 33（6）： 653 - 657.
	杨永杰，王德超，王凯，等. 煤岩强度及变形特征的微细观损伤机理［J］. 工程科学学报， 2011， 33（6）： 653 - 657.
15	Tang Chun’an， Rui Yongqin， Liu Hongyuan， et al. Numerical simulation to outburst mechanism of coal or rock contain gas with FRPA^2D system［J］. Journal of China Coal Society， 2000， 25（5）： 501 - 505.
	唐春安，芮勇勤，刘红元，等. 含瓦斯“试样”突出现象的RFPA^2D数值模拟［J］. 煤炭学报， 2000， 25（5）： 501 - 505.
16	Liang Zhengzhao， Tang Chun’an， Zhang Yongbin， et al. 3D Numerical simulation of failure process of rock［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2006， 25（5）： 931 - 936.
	梁正召，唐春安，张永彬，等. 岩石三维破裂过程的数值模拟研究［J］. 岩石力学与工程学报， 2006， 25（5）： 931 - 936.
17	Zhong Weiping， Gao Feng， Shen Xiaoming. Numerical analysis of rock joint failure under compression-shear stress［J］. Journal of Wuhan University of Technology， 2007， 29（1）： 102 - 117.
	钟卫平，高峰，沈晓明. 岩石节理压剪破坏的数值分析［J］. 武汉理工大学学报， 2007， 29（1）： 102 - 117.
18	Zhong Weiping， Shen Xiaoming. Researchon the shearing strength of rock joint［J］. Journal of Wuhan University of Technology， 2011， 33（2）： 96 - 99.
	钟卫平，沈晓明. 岩石节理剪切强度研究［J］. 武汉理工大学学报， 2011， 33（2）： 96 - 99.
19	Li Shuchen， Feng Xianda， Li Shucai， et al. Numerical simulation of zonal disintegration for deep rock mass［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2011， 30（7）： 1337 - 1344.
	李树忱，冯现大，李术才，等. 深部岩体分区破裂化现象数值模拟［J］. 岩土力学与工程学报， 2011， 30（7）： 1337 - 1344.
20	Sun Qian， Li Shuchen， Feng Xianda， et al. Study of numerical simulation method of rock fracture based on strain energy density theory［J］. Rock and Soil Mechanics， 2011， 32（5）： 1575 - 1582.
	孙倩，李树忱，冯现大，等. 基于应变能密度理论的岩石破裂数值模拟方法研究［J］. 岩石力学， 2011， 32（5）： 1575 - 1582.
21	Lan Hang， Pan Junfeng， Peng Yongwei. Numerical simulation for energy mechanism of underground dynamic disaster［J］. Journal of China Coal Society， 2010， 35（）： 10 - 14.
	蓝航，潘俊锋，彭永伟. 煤岩动力灾害能量机理的数值模拟［J］. 煤炭学报， 2010， 35（）： 10 - 14.
22	People’s Republic of China National Standard. . Standard for test methods of engineering rock mass ［S］. Beijing： China Planning Press， 2013： 15 - 16. ［中华人民共和国国家标准. . 工程岩体试验方法标准［J］. 北京：中国计划出版社， 2013： 15 - 16.］

物理量	K/MPa	G/MPa	c/MPa	φ/（°）	σ^t /MPa	k_n /MPa	k_s /MPa	C_res /kPa	φ/（°）
-15 ℃	343.5	257.6	1.29	37	1.7	50.0	50.0	5.0	33
-10 ℃	314.8	236.1	1.26	35	1.5	37.7	37.7	4.4	31
-4 ℃	287.7	215.8	1.22	33	1.3	22.9	22.9	3.7	29
20 ℃	259.5	194.6	1.20	32	1.2	13.0	13.0	3.2	27

[1]	刘庆贺, 王永涛, 徐湘田, 赵宇琴, 李高升, 张伟东. 冻结粉质黏土-桩基接触面剪切特性试验研究[J]. 冰川冻土, 2020, 42(2): 491-498.
[2]	袁伟, 姚晓亮, 王文丽. 基于离散元的冻结砂土三轴力学特性研究[J]. 冰川冻土, 2019, 41(6): 1388-1396.
[3]	杜玉霞, 马巍, 赵淑萍, 张泽, 明姣. 负温条件下激光位移传感器的标定[J]. 冰川冻土, 2016, 38(6): 1583-1591.
[4]	孙超, 邵艳红. 负温对基坑悬臂桩水平冻胀力影响的模拟研究[J]. 冰川冻土, 2016, 38(4): 1136-1141.
[5]	尹楠, 李双洋, 裴万胜, 张明义, 董云. 冻结黏土三轴试验微观变形机理的离散元分析[J]. 冰川冻土, 2016, 38(1): 178-185.
[6]	李兆宇, 张滨. 冻结膨胀土应力-应变关系试验研究[J]. 冰川冻土, 2014, 36(4): 902-906.
[7]	孔祥兵, 赵淑萍*, 穆彦虎, 罗飞. 列车荷载作用下冻土路基中的动应力计算研究[J]. 冰川冻土, 2013, 35(6): 1490-1498.
[8]	张世民, 李双洋. 青藏粉质黏土冻融循环试验研究[J]. 冰川冻土, 2012, 34(3): 625-631.
[9]	张通, 效存德. 基于分形的冰塔林形态模拟初探[J]. 冰川冻土, 2012, 34(1): 49-55.
[10]	仇文革;孙兵. 冻土三轴冻胀应力-应变试验方法研究[J]. 冰川冻土, 2010, 32(1): 116-120.
[11]	李双洋, 张明义, 高志华, 张淑娟. 广州某地铁人工冻结法施工热力分析[J]. 冰川冻土, 2006, 28(6): 823-832.
[12]	吴青柏, 朱元林, 刘永智. 青藏高原多年冻土顶板温度和温度位移预报模型的应用[J]. 冰川冻土, 2002, 24(5): 614-617.
[13]	马巍, 朱元林, 马文婷, 常小晓. 冻结粘性土的变形分析[J]. 冰川冻土, 2000, 22(1): 43-47.
[14]	王希尧 . 关于“衬砌工程冻害新思维”问题的商榷[J]. 冰川冻土, 1999, 21(1): 81-84.
[15]	武建军, 何丽红, 王廷栋, 俞祁浩. 冻土位移的散斑照相测量[J]. 冰川冻土, 1997, 19(3): 258-262.

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Failure mechanisms under uniaxial compression and microscopic parameter inversion of frozen fractured coal rock

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