D0L:10.13374h.issn1001-053x.2011.06.011 第33卷第6期 北京科技大学学报 Vol.33 No.6 2011年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2011 煤岩强度及变形特征的微细观损伤机理 杨永杰12王德超1,2) 王凯”黄冬梅” 1)山东科技大学矿山灾害预防控制国家重点实验室，青岛2665102)中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，徐州221008 ☒通信作者，E-mail:yj.6125@163.com 摘要利用MTS815.03电液伺服岩石力学试验系统和S250M3扫描电镜对三种煤岩性能及形貌进行分析观察，采用损伤 力学分析方法对煤岩强度和变形特征的微细观机理进行了研究.结果表明，煤岩微细观损伤变量对其宏观力学参数影响很 大，同为石炭二叠系究州煤田的鲍店矿3煤和许厂矿3煤的原生损伤变量分别比新河矿3煤减少68.5%和50.6%，其单轴抗 压强度分别增加224.8%和109.9%，弹性模量分别增加147.3%和66.9%.同时，随损伤变量减小，煤的单轴压缩破坏逐渐由 塑性向脆性转变.煤岩宏观力学性质与其微细观损伤密切相关. 关键词岩石力学：煤：材料强度：变形：损伤机理 分类号P618.11:TU458 Micro and meso-damage mechanism of coal's strength and deformation charac- teristics YANG Yongjie,WANG De-chao,WANG Kai,HUANG Dong-mei 1)State Key Laboratory of Disaster Prevention and Control,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266510,China 2)State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221008,China Corresponding author,E-mail:yyj.6125@163.com ABSTRACT The properties and morphological structures of three types of coal rocks were experimentally analyzed with MTS815.03 servo-control rock mechanical test system and S250Mk3 scanning electronic microscope.The micro and meso-damage mechanisms of the coal's strength and deformation characteristics were studied with using the theory of damage mechanics.It is shown that the micro and meso-damage variable has great influence on the coal's macroscopic mechanical parameters.The original damage variables of No. 3 coal seam in Baodian Colliery and No.3 coal seam in Xuchang Colliery,which both belong to carboniferous-permian Yanzhou Coalfield,decrease by 68.5%and 50.6%compared with No.3 coal seam in Xinhe Colliery,the uniaxial compressive strengths in- crease by 224.8%and 109.9%,and the elastic moduli increase by 147.3%and 66.9%,respectively.With decreasing damage vari- able,the uniaxial compression failure gradually changes from plastic to brittle.Macroscopic mechanical properties of the coal rocks are closely related to micro and meso-damage. KEY WORDS rock mechanics:coal:strength of materials:deformation:damage mechanism 煤是远古地表腐植物沉积演化的一种有机岩类 胶结物，无疑是一种含有原始损伤的微观非均质 矿物（煤岩）.属于沉积岩的煤，由于古气候及沉积 体风.同其他岩石相比，煤岩微细观结构更为复杂 环境的差异，煤系地层煤岩在微观上存在差异.大 多样，其力学性质更为复杂.因此，要研究煤岩宏观 量的微观研究表明口，煤成岩后具有不均匀性，由 强度和变形特征及其力学参数离散性的内部原因， 形状不同、大小不同的块状颗粒叠压而成，存在许多 应从煤的微细观结构及组分入手，探讨煤体微细观 微空洞、微裂隙、层理和节理等软弱结构面以及颗粒 损伤对其强度和变形特征的影响机理同. 收稿日期：2010-07-26 基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项目(No.2010CB226805):深部岩土力学与地下工程国家重点实验室开放基金资助项目(No. SKLGDUE08002X):山东省“泰山学者”建设工程专项经费资助项目第 33 卷 第 6 期 2011 年 6 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 33 No． 6 Jun． 2011 煤岩强度及变形特征的微细观损伤机理 杨永杰1，2) 王德超1，2) 王 凯1) 黄冬梅1) 1) 山东科技大学矿山灾害预防控制国家重点实验室，青岛 266510 2) 中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，徐州 221008 通信作者，E-mail: yyj． 6125@ 163． com 摘 要 利用 MTS815． 03 电液伺服岩石力学试验系统和 S250 Mk3 扫描电镜对三种煤岩性能及形貌进行分析观察，采用损伤 力学分析方法对煤岩强度和变形特征的微细观机理进行了研究． 结果表明，煤岩微细观损伤变量对其宏观力学参数影响很 大，同为石炭二叠系兖州煤田的鲍店矿 3 煤和许厂矿 3 煤的原生损伤变量分别比新河矿 3 煤减少 68. 5% 和 50. 6% ，其单轴抗 压强度分别增加 224. 8% 和 109. 9% ，弹性模量分别增加 147. 3% 和 66. 9% ． 同时，随损伤变量减小，煤的单轴压缩破坏逐渐由 塑性向脆性转变． 煤岩宏观力学性质与其微细观损伤密切相关． 关键词 岩石力学; 煤; 材料强度; 变形; 损伤机理 分类号 P618. 11; TU458 Micro and meso-damage mechanism of coal’s strength and deformation charac￾teristics YANG Yong-jie 1，2) ，WANG De-chao 1，2) ，WANG Kai 1) ，HUANG Dong-mei 1) 1) State Key Laboratory of Disaster Prevention and Control，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266510，China 2) State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221008，China Corresponding author，E-mail: yyj． 6125@ 163． com ABSTRACT The properties and morphological structures of three types of coal rocks were experimentally analyzed with MTS815． 03 servo-control rock mechanical test system and S250Mk3 scanning electronic microscope． The micro and meso-damage mechanisms of the coal’s strength and deformation characteristics were studied with using the theory of damage mechanics． It is shown that the micro and meso-damage variable has great influence on the coal’s macroscopic mechanical parameters． The original damage variables of No． 3 coal seam in Baodian Colliery and No． 3 coal seam in Xuchang Colliery，which both belong to carboniferous-permian Yanzhou Coalfield，decrease by 68. 5% and 50. 6% compared with No． 3 coal seam in Xinhe Colliery，the uniaxial compressive strengths in￾crease by 224. 8% and 109. 9% ，and the elastic moduli increase by 147. 3% and 66. 9% ，respectively． With decreasing damage vari￾able，the uniaxial compression failure gradually changes from plastic to brittle． Macroscopic mechanical properties of the coal rocks are closely related to micro and meso-damage． KEY WORDS rock mechanics; coal; strength of materials; deformation; damage mechanism 收稿日期: 2010--07--26 基金项目: 国家重点基础研究发展计划资助项目( No． 2010CB226805) ; 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室开放基金资助项目( No． SKLGDUE08002X) ; 山东省“泰山学者”建设工程专项经费资助项目 煤是远古地表腐植物沉积演化的一种有机岩类 矿物( 煤岩) ． 属于沉积岩的煤，由于古气候及沉积 环境的差异，煤系地层煤岩在微观上存在差异． 大 量的微观研究表明［1］，煤成岩后具有不均匀性，由 形状不同、大小不同的块状颗粒叠压而成，存在许多 微空洞、微裂隙、层理和节理等软弱结构面以及颗粒 胶结物，无疑是一种含有原始损伤的微观非均质 体［2］． 同其他岩石相比，煤岩微细观结构更为复杂 多样，其力学性质更为复杂． 因此，要研究煤岩宏观 强度和变形特征及其力学参数离散性的内部原因， 应从煤的微细观结构及组分入手，探讨煤体微细观 损伤对其强度和变形特征的影响机理［3］． DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2011.06.011