基于细观结构的煤（岩）体三轴抗压强度快速评价模型研究

Rock strength is one of the important parameters of rock engineering design， many of the issues closely related to coal mining are all in need the analysis of coal and rock strength. At present, the coal and rock strength assessment both at home and aboard is based on the strength tests of coal and rock specimens. Triaxial compressive strength is the most important indicator of rock strength, which should be tested in almost all strength analysis. With this research, we will firstly propose a method for analysis and assessment the coal and rock strength from the microscopic view. Research will study the shapes and filling situation of the specimens’ particles with SEM and Thin Section experiments, study the porosity of specimens with soil mechanics theories of the relationship between density and porosity, study the size distribution of the specimens’ particles with size analyze experiments, study the strength of specimens with the uniaxial compressive test and triaxial compressive test experiments. On the basis of the above experiments, we will put forward a theoretical model that shows the influence of microstructure on the strength of specimens, study the size of the grains can influence the strength of the specimens, and verify the results with strength test experiments. Through the proposed model, we will establish a relationship between microstructure and triaxial compressive strength. The development of the model would hopefully make it possible for a quick assessment of the specimen strength based on size distribution information without invoking expensive and time consuming strength tests.

岩体强度是岩体工程设计的重要参数之一，煤矿开采诸多问题的研究都需要进行煤（岩）体强度分析测试。目前，我国乃至世界范围内的煤（岩）体强度评价都是基于煤（岩）体试样的强度测试。三轴抗压强度作为岩体强度最重要的指标，几乎所有强度分析都需要对其测定，研究首次提出从微观角度评价煤（岩）体的三轴抗压强度。研究将基于细小充填颗粒对试样强度的内在影响机理展开，采用扫描电子显微镜实验和薄片鉴定以分析试样的颗粒形状以及细小颗粒的充填状况；采用密度测定以分析试样的孔隙率；采用粒径分析实验以分析试样的颗粒级配；采用单轴压缩实验与三轴压缩实验以分析试样的强度。进而提出试样细观结构对强度影响的理论模型，研究影响试样强度的颗粒尺度，与实测结果进行对比验证。通过模型的提出，建立煤（岩）体细观结构与三轴压缩强度对应关系，使得在评价煤（岩）体强度时，直接通过粒径分布信息对强度作出快速评价，而无需通过昂贵和耗时的强度试验。

三轴抗压强度作为岩体强度最重要的指标，是岩体工程设计的重要参数之一，常规试样强度测试过程费时费力且价格昂贵，项目从细观结构角度开展岩体强度研究，构建快速评价模型体系。采用扫描电子显微镜技术、薄片分析与粒径分析等细观实验观测技术，对实验砂岩与煤体试样细观结构及物理性质进行研究，分析了实验砂岩试样细观颗粒的形状及粒度分布情况，分析了实验煤体试样细观裂隙分布情况；采用单轴压缩实验方法，对煤体试样的强度进行分析，建立了单轴抗压强度与细观裂隙对应关系，对砂岩试样制取、破坏模式、尺寸效应、形状效应、强度参数等方面进行分析。提出了针对实验砂岩特殊性质的试样制取方法；研究了砂岩试样单轴压缩下两种典型破坏模式的力学机制；研究了试样的尺寸效应与形状效应；基于理论分析、尺寸和扰动的影响、现场测试和实践考虑，确定了试验砂岩强度实验标准试样的尺寸；对弹性模量和泊松比进行了测定研究，研究将应力-侧向应变曲线分为三个阶段。采用三轴压缩实验方法，解释砂岩三轴压缩实验金字塔状破坏模式的机制，证明了本课题建立细观结构与三轴强度对应关系的正确性，验证了砂岩强度与颗粒结构相关联，提出了强度增幅指数（RAS）用以定量的表述围压对强度的影响。建立了基于实验砂岩细观结构定量评价宏观强度的数学模型，从理论上解释了该砂岩典型的孔隙率分布范围和孔隙率变化的基本原因；通过充填颗粒对结构模型的改进，解释了其强度效应。建立抗压强度与细观结构的对应关系，直接通过细观结构分析对强度做出快速评价。在本项目资助下，项目负责人及成员入选2017年度陕西省“百人计划”、陕西省“特支计划”，获省部级科技进步一等奖1项、二等奖1项，指导本科生科技作品竞赛获陕西省一等奖1项，授权发明专利2项，实用新型专利5项，登记软件著作权1项；发表论文18篇、出版专著1部；参加学术会议10人次；晋升副教授2名，博士后出站1名，博士毕业1名，硕士毕业2名，完成了项目计划任务。