基于CT扫描的三维重构煤体加载损伤演化特征及尺寸效应

摘要

煤体是一种包含孔隙结构和矿物成分的多孔材料，具有明显的各向异性和尺寸效应。为研究煤体各向异性及尺寸效应对破坏特征的影响，本文提出了一种基于CT扫描、核磁共振和X衍射等技术手段的煤样内部孔隙、矿物成分表征和三维重构模拟方法。在此基础上，反演实验室单轴压缩获得了三维重构模型煤基质和矿物成分的模拟参数，进一步模拟分析了不同宽高比煤体的强度损伤特征。模拟结果表明：(1)在加载过程中，塑性区首先在孔隙和矿物成分周边逐渐向外扩展连通。在空间分布上，塑性区前期由加载端垂直向内部扩展，后期转变为由四周水平向内部扩展，最终模型破坏的非塑性区形成“双圆台结构体”。(2)随着宽高比的增加，煤样的抗压强度(p)、达到屈服强度时的应变(ζ)以及弹性模量(K)均会增加，其中ζ和K呈线性增加，而p增幅逐渐减小。(3)在煤样单轴加载过程中总能量和弹性能呈指数增加，耗散能呈线性增加。随着宽高比增加，煤体内积聚的弹性能增加，破坏时释放的能量增大，更容易诱发动力冲击相关灾害。研究结果为冲击矿压地区区段煤柱尺寸的合理选择提供参考。

关键词

CT扫描 / 三维重构 / 孔隙结构 / 矿物成分 / 尺寸效应

基金资助

国家重点研发计划(2023YFC3012101); 国家自然科学基金(52104155); 中国博士后基金(2023M733778)