第6期 杨永杰等：煤岩强度及变形特征的微细观损伤机理 ·655· 观点，Hult把Kachanov提出的损伤参数p解释为拉 杆断面的实际面积A与表观面积A的比值： 片 (1) 由于实际面积减小，截面上的应力σ增大，称截面 上增大后的应力为“有效应力”，记为σ‘： 0=g (2) Robotov推广了Kachanov等的理论，用2=l-p作 图1煤中的微孔隙及微裂隙风 Fig.I Micro-pores and micro-cracks in coal 为损伤变量，则 (3) 成一个主干通道. 0=1-2 3煤岩强度和变形特征的微细观损伤机理 另外，还有一种按材料弹性模量降低量定义损 伤变量的方法.设材料无损时的弹性模量为E。,损 分析 伤使其降低为E。,则损伤变量定义为 上述分析表明，煤体中的微孔隙直径和裂隙宽 ED 2=1- 度一般为1~30m,裂隙长度一般更大一些.在岩 Eo (4) 石（体）力学界对微、细、宏观空间尺度的一般界定 于是 为：细观尺度范围10~1000m,微观尺度范围 =觉=a5公 6= (5) 小于10m,宏观观尺度范围大于1000m.因此煤 体中的微孔隙裂隙部分属于微观尺度，部分属于细 式(5)说明材料的应变响应和无损材料的差 观范畴，总体上属于微细观范畴.本文对属于微细 别，可以通过有效应力来反映.用无损材料的本构 观尺度的孔隙裂隙等原生损伤对煤体强度和变形特 方程来表示损伤材料，只需用有效应力替代表观应 征的影响进行分析. 力即可，这就是损伤力学的等效应变假设 3.1煤岩体的损伤力学分析方法 3.3煤样微细观损伤变量对其力学参数的影响 煤岩体的不连续特征对力学性质的影响可以用 分别从鲍店矿3煤、许厂矿3煤和新河矿3煤 损伤指标来进行描述 取样，将在扫描电子显微镜下观察到的微孔隙及微 由于煤体内部存在许多微小的孔隙和裂隙，因 裂隙摄成照片，并在Magiscan图像处理仪上求得它 此表现为典型的不连续性.如果这些孔隙和裂隙十 们占视野面积的百分数，并利用式(1)求得损伤变 分微小，而且分布比较均匀，则从宏观意义上可认为 量2.同时，将三个矿的3煤加工成的标准煤样，在 该介质是连续的，实际上煤体中的微孔隙和裂隙并 MTS815.03电液伺服岩石试验系统上进行单轴压缩 不是均匀分布的.损伤力学研究方法的引入，为多 试验，得出其宏观力学参数，以分析煤岩原生损伤变 孔隙和多裂隙岩体力学性质的研究提供了新的途 量2对其力学参数的影响. 径ig 图2为同为兖州煤田不同矿井石炭二叠系沉积 3.2损伤力学的相关概念 的3煤典型煤样的单轴压缩全应力-应变曲线，图3 3.2.1损伤与损伤力学 为其相应的典型煤样微孔隙裂隙扫描电镜照片，其 损伤是指材料在一定应力状态下其力学性能的 微细观损伤面积率即损伤变量2及力学参数测试 劣化，如材料内微裂纹的萌生和扩展、内黏聚力的进 结果的平均值见表1.从扫描电镜测试结果可以看 展性减弱等。损伤并不是一种独立的物理性质，它 出：鲍店矿3煤、许厂矿3煤和新河矿3煤中的孔隙 是作为一种“劣化因素”被结合到弹性、塑性和黏弹 主要为煤变质过程中所形成的气孔，鲍店矿3煤中 性介质中的.材料的损伤是一种客观事实，损伤则 的孔隙很少且直径较小，基本没有尺度较大的裂隙： 作为一种“劣化因素”被提出来. 新河矿3煤孔隙很多且相互连通形成了很多尺度较 3.2.2损伤变量 大的裂隙：许厂矿3煤的孔隙裂隙情况介于两者之 假设材料宏观力学性能劣化的主要原因是微孔 间，煤种虽然发育较多的孔隙，但形成的裂隙较少， 洞和微裂纹导致有效承载面积的减少，根据这一 且尺度不大.第 6 期 杨永杰等: 煤岩强度及变形特征的微细观损伤机理 图 1 煤中的微孔隙及微裂隙［8］ Fig． 1 Micro-pores and micro-cracks in coal ［8］ 成一个主干通道． 3 煤岩强度和变形特征的微细观损伤机理 分析 上述分析表明，煤体中的微孔隙直径和裂隙宽 度一般为 1 ～ 30 μm ，裂隙长度一般更大一些． 在岩 石( 体) 力学界对微、细、宏观空间尺度的一般界定 为［9］: 细观尺度范围 10 ～ 1 000 μm，微观尺度范围 小于10 μm，宏观观尺度范围大于 1000 μm． 因此煤 体中的微孔隙裂隙部分属于微观尺度，部分属于细 观范畴，总体上属于微细观范畴． 本文对属于微细 观尺度的孔隙裂隙等原生损伤对煤体强度和变形特 征的影响进行分析． 3. 1 煤岩体的损伤力学分析方法 煤岩体的不连续特征对力学性质的影响可以用 损伤指标来进行描述［9］． 由于煤体内部存在许多微小的孔隙和裂隙，因 此表现为典型的不连续性． 如果这些孔隙和裂隙十 分微小，而且分布比较均匀，则从宏观意义上可认为 该介质是连续的，实际上煤体中的微孔隙和裂隙并 不是均匀分布的． 损伤力学研究方法的引入，为多 孔隙和多裂隙岩体力学性质的研究提供了新的途 径［10］． 3. 2 损伤力学的相关概念 3. 2. 1 损伤与损伤力学 损伤是指材料在一定应力状态下其力学性能的 劣化，如材料内微裂纹的萌生和扩展、内黏聚力的进 展性减弱等． 损伤并不是一种独立的物理性质，它 是作为一种“劣化因素”被结合到弹性、塑性和黏弹 性介质中的． 材料的损伤是一种客观事实，损伤则 作为一种“劣化因素”被提出来． 3. 2. 2 损伤变量 假设材料宏观力学性能劣化的主要原因是微孔 洞和微裂纹导致有效承载面积的减少［11］，根据这一 观点，Hult 把 Kachanov 提出的损伤参数 φ 解释为拉 杆断面的实际面积 Aef与表观面积 A 的比值: φ = Aef A ( 1) 由于实际面积减小，截面上的应力 σ 增大，称截面 上增大后的应力为“有效应力”，记为 σ·: σ· = σ φ ( 2) Robotov 推广了 Kachanov 等的理论，用 Ω = 1 － φ 作 为损伤变量，则 σ· = σ 1 － Ω ( 3) 另外，还有一种按材料弹性模量降低量定义损 伤变量的方法． 设材料无损时的弹性模量为 E0，损 伤使其降低为 ED，则损伤变量定义为 Ω = 1 － ED E0 ( 4) 于是 ε = σ ED = σ ( 1 － Ω) E0 = σ· E0 ( 5) 式( 5) 说明材料的应变响应和无损材料的差 别，可以通过有效应力来反映． 用无损材料的本构 方程来表示损伤材料，只需用有效应力替代表观应 力即可，这就是损伤力学的等效应变假设． 3. 3 煤样微细观损伤变量对其力学参数的影响 分别从鲍店矿 3 煤、许厂矿 3 煤和新河矿 3 煤 取样，将在扫描电子显微镜下观察到的微孔隙及微 裂隙摄成照片，并在 Magiscan 图像处理仪上求得它 们占视野面积的百分数，并利用式( 1) 求得损伤变 量 Ω． 同时，将三个矿的 3 煤加工成的标准煤样，在 MTS815. 03 电液伺服岩石试验系统上进行单轴压缩 试验，得出其宏观力学参数，以分析煤岩原生损伤变 量 Ω 对其力学参数的影响． 图 2 为同为兖州煤田不同矿井石炭二叠系沉积 的 3 煤典型煤样的单轴压缩全应力－应变曲线，图 3 为其相应的典型煤样微孔隙裂隙扫描电镜照片，其 微细观损伤面积率即损伤变量 Ω 及力学参数测试 结果的平均值见表 1． 从扫描电镜测试结果可以看 出: 鲍店矿 3 煤、许厂矿 3 煤和新河矿 3 煤中的孔隙 主要为煤变质过程中所形成的气孔，鲍店矿 3 煤中 的孔隙很少且直径较小，基本没有尺度较大的裂隙; 新河矿 3 煤孔隙很多且相互连通形成了很多尺度较 大的裂隙; 许厂矿 3 煤的孔隙裂隙情况介于两者之 间，煤种虽然发育较多的孔隙，但形成的裂隙较少， 且尺度不大． ·655·