CO2-荷载耦合作用下煤体细观统计损伤本构模型及验证

CO2 吸附会对煤体产生损伤劣化作用进而降低其稳定性,对CO2 封存的长期安全性提出挑战,明确CO2 劣化作用并建立本构模型至关重要.采用损伤力学理论和统计理论推导出能够综合反映CO2 吸附和荷载耦合作用下煤体总损伤变量的计算公式,并重点考虑了压密段的影响,分段建立了CO2 作用下煤体的细观统计损伤本构方程,明确了模型各参数的确定方法.最后通过CT扫描实验系统、MTS 816实验系统确定了本构模型参数,并采用自主研制的气-固耦合实验系统对不同CO2 压力下煤体进行了单轴压缩实验,验证了模型的合理性.研究结果表明:①基于CT扫描获取的裂隙率和运用Weibull分布理论分别定义了吸附和受载作用下的损伤变量,结合损伤理论进一步得到二者耦合作用下的总损伤变量,并建立了细观统计损伤本构模型;②基于CT扫描技术的裂隙三维重构真实反映了CO2 作用前后裂隙扩展特征,CO2 压力越高,裂隙扩展越充分,煤样三维裂隙参数和损伤变量越大,所形成的空间裂隙网络越复杂;③CO2 对煤体力学性质劣化作用显著,煤体的抗压强度与弹性模量随CO2 压力增加分别降低了 49.78%和 22.63%,CO2 对煤体的溶胀效应、塑化效应和气楔效应的综合作用导致了力学参数的降低;④建立的CO2 作用下煤体细观统计损伤模型理论曲线与单轴实验曲线具有较高的吻合度,说明损伤本构模型能够较好地反映出CO2 对煤体力学特性的损伤劣化作用,体现了损伤本构模型及模型参数确定方法的合理性与适用性.