基于CT扫描的煤岩裂隙特征及其对破坏形态的影响

付裕^1,2，陈新^1,2，冯中亮^1,2

1. 中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院2. 中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室

摘 要：为了研究煤岩原始裂隙结构对其宏观破坏特征的影响,以河南城郊煤矿21304工作面的煤岩为研究对象,利用nanoVoxel-4000系统对不同围压作用下加载前后的煤样进行了CT扫描试验。基于图像处理软件对裂隙结构进行提取和三维重建,结合等效球体模型定量分析了煤岩内不同尺度原始裂隙在空间的分布特征。通过计算平面内原始裂隙与破裂主裂隙的裂隙组构张量,以及空间内原始主裂隙面与新产生主裂隙面的倾角,对比分析了不同围压下原始裂隙分布方向与破坏时新生成主裂隙方向之间的关系。研究结果表明:煤样试件内含有大量不同尺度的裂隙,等效直径小于1 000μm的裂隙数量多,体积小;等效直径大于5 000μm的裂隙数量少,体积大;当等效直径小于5 000μm时,随着裂隙等效直径的增加,裂隙的数目逐渐减少;在等效直径小于300μm时,裂隙体积分数随等效直径的增加而增大;等效直径在3 00～5 000μm的裂隙的体积分数整体呈现下降趋势,且等效直径在大于1 500μm以后波动较大。利用2阶和4阶裂隙组构张量计算得到的椭圆形分布规律,可以有效的描述裂隙的优势方向和劣势方向,且相比2阶张量,4阶对于平面裂隙分布规律的描述更全面。不同围压下平面内原始裂隙的2阶和4阶裂隙张量计算的优势方向与破坏主裂隙的发展方向一致,三维空间新产生的破坏主裂隙面会沿着原有较大主裂隙面方向扩展,形成了近似平行的裂隙面。不同围压作用下,煤岩试件内部损伤破裂面的三维分形维数不同,随着围压的增大裂隙面的分形维数减小,二者具有较好的相关性。

关键词：煤岩;裂隙;CT扫描;三维重建;破坏特征;三轴压缩;