基于三轴压缩的脆性煤体力学性质及其本构关系研究

doi:10.13722/j.cnki.jrme.2023.0320

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摘要为合理描述分析脆性煤体在三向应力状态下的应力–应变关系，对煤样进行三轴压缩试验。以已发生损伤破坏的微元体数目与总微元体数目之比表征损伤变量，在基于损伤力学理论和煤样内部微元强度服从Weibull分布的基础上，引入Mogi-Coulomb强度准则表征煤样微元强度随机分布的分布变量，建立煤样三维统计损伤本构关系，并分析其适用性。研究结果表明：(1) 围压对煤样力学性质影响显著，煤样强度和弹性模量随围压的增高而增大，煤样破坏后的裂隙网络分形维数随围压的增高而减小，损伤程度降低；(2) 分析数学简化算法求解模型参数的局限性，采用遗传算法对模型参数进行求解，参数m，F0，cn分别反映煤样的脆性程度、平均强度、残余强度；(3) 根据本构关系对煤样试验应力–应变曲线进行拟合验证，理论曲线与试验曲线的拟合度均值为94.74%，表明本文所建立的本构模型可用于描述煤样的三维应力–应变关系，能够反映脆性煤体的变形特性。

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关键词 ：采矿工程, 煤样, 三轴压缩, 分形维数, 损伤变量, 本构关系, Mogi-Coulomb强度准则

Abstract：为合理描述分析脆性煤体在三向应力状态下的应力–应变关系，对煤样进行三轴压缩试验。以已发生损伤破坏的微元体数目与总微元体数目之比表征损伤变量，在基于损伤力学理论和煤样内部微元强度服从Weibull分布的基础上，引入Mogi-Coulomb强度准则表征煤样微元强度随机分布的分布变量，建立煤样三维统计损伤本构关系，并分析其适用性。研究结果表明：(1) 围压对煤样力学性质影响显著，煤样强度和弹性模量随围压的增高而增大，煤样破坏后的裂隙网络分形维数随围压的增高而减小，损伤程度降低；(2) 分析数学简化算法求解模型参数的局限性，采用遗传算法对模型参数进行求解，参数m，F0，cn分别反映煤样的脆性程度、平均强度、残余强度；(3) 根据本构关系对煤样试验应力–应变曲线进行拟合验证，理论曲线与试验曲线的拟合度均值为94.74%，表明本文所建立的本构模型可用于描述煤样的三维应力–应变关系，能够反映脆性煤体的变形特性。

Key words：采矿工程煤样三轴压缩分形维数损伤变量本构关系 Mogi-Coulomb强度准则

引用本文:

刘洪涛，刘勤裕，韩子俊，陈子晗，韩洲. 基于三轴压缩的脆性煤体力学性质及其本构关系研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2023, 42(12): 2932-2944.
LIU Hongtao，LIU Qinyu，HAN Zijun，CHEN Zihan，HAN Zhou. Study on mechanical properties and constitutive relation of brittle coal based on triaxial compression. , 2023, 42(12): 2932-2944.

链接本文:

http://rockmech.whrsm.ac.cn/CN/10.13722/j.cnki.jrme.2023.0320 或 http://rockmech.whrsm.ac.cn/CN/Y2023/V42/I12/2932

[14]	尤明庆. 岩样三轴压缩的破坏形式和Coulomb准则[J]. 地质力学学报，2002，8(2)：179-185.(YOU Mingqing. Failure mode of rock sample under triaxial compression and Coulomb strength criterion[J]. Journal of Geomechanics，2002，8(2)：179-185.(in Chinese))
[5]	JAEGER J C，COOK N G W，ZIMMERMAN R W. Fundamentals of rock mechanics[M]. 4th ed. UK：Blackwell Publishing，2007：9-60.
[15]	尤明庆. 基于黏接、摩擦承载特性对岩石变形破坏的研究[J]. 地质力学学报，2005，11(2)：288-292.(YOU Mingqing. Study of deformation and failure of rock based on properties of cohesion and friction[J]. Journal of Geomechanics，2005，11(2)：288-292.(in Chinese))
[2]	王伟东，苏承东，孟亚周. 基于煤层顶底板岩石力学参数的综采技术可行性研究[J]. 煤炭科学技术，2018，46(12)：113-118.(WANG Weidong，SU Chengdong，MENG Yazhou. Feasibility study on fully-mechanized technology based on rock mechanics parameters of roof and floor[J]. Coal Science and Technology，2018，46(12)：113-118.(in Chinese))
[4]	丁鑫，肖晓春，潘一山，等. 单轴压缩条件下不同冲击倾向性煤岩损伤与破碎能演化规律研究[J]. 采矿与安全工程学报，2022，39(3)：517-526.(DING Xin，XIAO Xiaochun，PAN Yishan，et al. Study on damage evolution and fracture energy of coal with different bursting liability under uniaxial compressive test[J]. Journal of Mining and Safety Engineering，2022，39(3)：517-526.(in Chinese))
[7]	张向东，蔡冀奇，唐楠楠，等. 深部砂岩力学特性试验与本构模型[J]. 煤炭学报，2019，44(7)：2 087-2 093.(ZHANG Xiangdong，CAI Jiqi，TANG Nannan，et al. Experimental study on mechanical properties of deep sandstone and its constitutive model[J]. Journal of China Coal Society，2019，44(7)：2 087-2 093.(in Chinese))
[12]	曹文贵，赵明华，刘成学. 基于统计损伤理论的莫尔-库仑岩石强度判据修正方法之研究[J]. 岩石力学与工程学报，2005，14(14)：2 403-2 408.(CAO Wengui，ZHAO Minghua，LIU Chengxue. Research on correction method of Mohr-Coulomb rock strength criterion based on statistical damage theory[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，14(14)：2 403-2 408(in Chinese))
[17]	谢和平. 岩石混凝土损伤力学[M]. 徐州：中国矿业大学出版社，1990：9-10.(XIE Heping. Mechanics of rock and concrete damage[M]. Xuzhou：China University of Mining and Technology，1990：9-10.(in Chinese))
[10]	汪泓，杨天鸿，于庆磊，等. 不同围压条件下榆横矿区砂岩力学特性和本构关系[J]. 煤炭学报，2015，40(增2)：320-327.(WANG Hong，YANG Tianhong，YU Qinglei，et al. Constitutive relationship of the sandstone from Yuheng mining area under different confining pressures[J]. Journal of China Coal Society，2015，40(Supp.2)：320-327.(in Chinese))
[20]	李地元，谢涛，李夕兵，等. Mogi-Coulomb强度准则应用于岩石三轴卸荷破坏试验的研究[J]. 科技导报，2015，33(19)：84-90.(LI Diyuan，XIE Tao，LI Xibin，et al. On the Mog-Coulomb strength criterion as applied to rock triaxial unloading test[J]. Science and Technology Review，2015，33(19)：84-90.(in Chinese))
[22]	石崇，蒋新兴，朱珍德，等. 基于Hoek-Brown准则的岩石损伤本构模型研究及其参数探讨[J]. 岩石力学与工程学报，2011，30(增1)：2 647-2 652.(SHI Chong，JIANG Xinxing，ZHU Zhende，et al. Study of rock damage constitutive model and discussion of its parameters based on Hoek-Brown criterion[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2011，30(Supp.1)：2 647-2 652.(in Chinese))
[24]	AL-AJMI A M，ZIMMERMAN R W. Relation between the Mogi and the Coulomb failure criteria[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2005，42(3)：431-439.
[30]	袁超，王卫军，赵延林，等. 考虑岩体塑性硬化与软化特性的巷道围岩变形理论分析[J]. 煤炭学报，2015，40(增2)：311-319. (YUAN Chao，WANG Weijun，ZHAO Yanlin，et al. Theoretical analysis on roadway surrounding rock deformation based on the properties of rock plastic hardening and softening[J]. Journal of China Coal Society，2015，40(Supp.2)：311-319.(in Chinese))
[32]	周辉，张凯，冯夏庭，等. 脆性大理岩弹塑性耦合力学模型研究[J]. 岩石力学与工程学报，2010，29(12)：2 398-2 409.(ZHOU Hui，ZHANG Kai，FENG Xiating，et al. Elastoplastic coupling mechanical model for brittle marble[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，29(12)：2 398-2 409.(in Chinese))
[34]	刘洪永，程远平，赵长春，等. 采动煤岩体弹脆塑性损伤本构模型及应用[J]. 岩石力学与工程学报，2010，29(2)：358-365.(LIU Hongyong，CHENG Yuanping，ZHAO Changchun，et al. Constitutive model for elastic-brittle-plastic damage of coal rock mass due to mining and its application[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，29(2)：358-365.(in Chinese))
[27]	徐卫亚，韦立德. 岩石损伤统计本构模型的研究[J]. 岩石力学与工程学报，2002，21(6)：787-791.(XU Weiya，WEI Lide. Study on statistical damage constitutive model of rock[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2002，21(6)：787-791.(in Chinese))
[8]	刘冬桥. 岩石损伤本构模型及变形破坏过程的混沌特征研究[博士学位论文][D]. 北京：中国矿业大学，2014.(LIU Dongqiao. Study on rock damage constitutive model and chaos characteristics in the process of deformation and failure[Ph. D. Thesis][D]. Beijing：China University of Mining and Technology，2014.(in Chinese))
[18]	单仁亮，程瑞强，高文蛟. 云驾岭煤矿无烟煤的动态本构模型研究[J]. 岩石力学与工程学报，2006，25(11)：2 258-2 263.(SHAN Renliang，CHENG Ruiqiang，GAO Wenjiao. Experimental study on dynamic constitutive characteristics of anthracite of Yunjialing Coal Mine[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2006，25(11)：2 258-2 263.(in Chinese))
[28]	蔡武，窦林名，韩荣军，等. 基于损伤统计本构模型的煤层冲击倾向性研究[J]. 煤炭学报，2011，36(增2)：346-352.(CAI Wu，DOU Linming，HAN Rongjun，et al. Bursting liability of coal based on damage statistical constitutive model[J]. Journal of China Coal Society，2011，36(Supp.2)：346-352.(in Chinese))
[3]	翟新献，翟俨伟，刘勤裕，等. 冲击作用下含水煤样能量吸收和耗散规律及本构关系研究[J]. 振动与冲击，2023，42(6)：202-211. (ZHAI Xinxian，ZHAI Yanwei，LIU Qinyu，et al. Energy absorption and dissipation and the constitutive relation of water-bearing coal specimens under impact load[J]. Journal of Vibration and Shock，2023，42(6)：202-211.(in Chinese))
[13]	曹文贵，赵明华，刘成学. 基于Weibull分布的岩石损伤软化模型及其修正方法研究[J]. 岩石力学与工程学报，2004，23(19)：3 226-3 231.(CAO Wengui，ZHAO Minghua，LIU Chengxue. Study on the model and its modifying method for rock softening and damage based on Weibull random distribution[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004，23(19)：3 226-3 231.(in Chinese))
[23]	MOGI K. Experimental rock mechanics[M]. London：CRC Press，2007：113-130.
[33]	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：自然科学版，2004，32(2)：200-203.(YANG Shengqi，XU Weiya，WEI Lide，et al. Rock damage constitutive model and experimental study under uniaxial compression[J]. Journal of Hehai University：Natural Science，2004，32(2)：200-203.(in Chinese))
[6]	张明，王菲，杨强. 基于三轴压缩试验的岩石统计损伤本构模型[J]. 岩土工程学报，2013，35(11)：1 965-1 971.(ZHANG Ming，WANG Fei，YANG Qiang. Statistical damage constitutive model for rocks based on triaxial compression tests[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2013，35(11)：1 965-1 971.(in Chinese))
[16]	刘刚，李明. 煤岩单轴与三轴压缩试验研究[J]. 煤矿安全，2013，44(7)：4-6.(LIU Gang，LI Ming. Experimental study of coal rock uniaxial and triaxial compression[J]. Safety in Coal Mines，2013，44(7)：4-6.(in Chinese))
[26]	王渭明，赵增辉，王磊. 考虑刚度和强度劣化时弱胶结软岩巷道围岩的弹塑性损伤分析[J]. 采矿与安全工程学报，2013，30(5)：679-685.(WANG Weiming，ZHAO Zenghui，WANG Lei. Elastic-plastic damage analysis for weakly consolidated surrounding rock regarding stiffness and strength cracking[J]. Journal of Mining and Safety Engineering，2013，30(5)：679-685.(in Chinese))
[1]	谢和平，高峰，鞠杨. 深部岩体力学研究与探索[J]. 岩石力学与工程学报，2015，34(11)：2 161-2 178.(XIE Heping，GAO Feng，JU Yang. Research and development of rock mechanics in deep ground engineering[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2015，34(11)：2 161-2 178.(in Chinese))
[9]	卢允德，葛修润，蒋宇，等. 大理岩常规三轴压缩全过程试验和本构方程的研究[J]. 岩石力学与工程学报，2004，23(15)：2 489-2 493. (LU Yunde，GE Xiurun，JIANG Yu，et al. Study on conventional triaxial compression test of complete process for marble and its constitutive equation[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004，23(15)：2 489-2 493.(in Chinese))
[11]	曹文贵，方祖烈，唐学军. 岩石损伤软化统计本构模型之研究[J]. 岩石力学与工程学报，1998，27(6)：628-633.(CAO Wengui，FANG Zulie，TANG Xuejun. Study on the statistical damage constitutive model of rocks[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，1998，17(6)：628-633.(in Chinese))
[19]	谢理想，赵光明，孟祥瑞. 岩石在冲击载荷下的过应力本构模型研究[J]. 岩石力学与工程学报，2013，32(增1)：2 772-2 781.(XIE Lixiang，ZHAO Guangming，MENG Xiangrui. Research on excess stress constitutive model of rock under impact load[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2013，32(Supp.1)：2 772-2 781. (in Chinese))
[21]	尤明庆. 统一强度理论的试验数据拟合及评价[J]. 岩石力学与工程学报，2008，27(11)：2 193-2 204.(YOU Mingqing. Fitting and evaluation of test data using unified strength theory[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008，27(11)：2 193-2 204.(in Chinese))
[25]	AL-AJMI A M，ZIMMERMAN R W. Stability analysis of vertical boreholes using the Mogi-Coulomb failure criterion[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2006，43(8)：1 200-1 211.
[29]	周维垣，吴澎，杨若琼. 节理岩体的损伤模型[C]// 岩石力学新进展. 沈阳：东北工学院出版社，1989：44-61.(ZHOU Weiyuan，WU Peng，YANG Ruoqiong. Damage model of jointed rock mass[C]// New Advances in Rock Mechanics. Shenyang：Press of Northeast University of Technology，1989：44-61.(in Chinese))
[31]	李文婷，李树忱，冯现大，等. 基于莫尔-库仑准则的岩石峰后应变软化力学行为研究[J]. 岩石力学与工程学报，2011，30(7)： 1 460-1 466.(LI Wenting，LI Shuchen，FENG Xianda，et al. Study of post-peak strain softening mechanical properties of rock based on Mohr-Coulomb criterion[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2011，30(7)：1 460-1 466.(in Chinese))
[35]	任柱安. 综放开采回采巷道两帮钻孔卸压防冲技术研究[硕士学位论文][D]. 焦作：河南理工大学，2023.(REN Zhu?an. Study on boreborehole distressing and impact prevention of gateway two sides in longwall caving mining[M. S. Thesis][D]. Jiaozuo：Henan Polytechnic University，2023.(in Chinese))