摘要： 水环境是影响煤体强度和孔隙发展的重要因素。基于不同pH浸润条件对煤样内部孔隙的影响,分析了不同浸润煤样三维分形与含水率关系,建立了浸润煤样三维分形与强度、弹性模量数学模型,开展了不同pH浸润条件下4组共12个煤样动态浸润试验,研究了不同pH浸润煤样含水率、分形维数、孔洞分数与抗拉强度、峰值应变、弹性模量的关系,探讨了不同pH浸润煤样细观裂隙扩展规律与宏观失稳破裂机制。结果表明:水-煤作用下,煤样孔隙结构增大主要由矿物成分膨胀消蚀和圆润颗粒带走所致,酸性浸润对孔隙影响最大,碱性次之,中性最小;浸润煤样分形维数可通过含水率进行表征,分形维数与煤样抗拉强度、弹性模量呈近似反向线性关系;浸润煤样含水率、分形维数与时间呈幂函数关系,且前期含水率、分形维数增加较快,后期趋势相对稳定,相同浸润时间、3种pH浸润下,煤样分形维数及增幅均为pH=5>pH=9>pH=7,浸润12 d煤样分形维数为2.041～2.163;孔洞分数增量与分形维数呈正线性关系,随着分形维数(孔洞分数增量)的增加,不同pH浸润煤样的抗拉强度、峰值应变和弹性模量均呈降低趋势;浸润煤样较未浸润煤样的峰值抗拉强度降低超过28.37％,所对应的峰值应变降低超过16.55％,弹性模量降低超过14.21％;酸性浸润易导致多含量CaMg(CO₃)₂快速溶蚀搬运,碱性浸润易导致少含量NaAlSi₃O₈溶蚀搬运,不同pH环境对浸润煤样微裂隙扩展和劣化度表现为pH=5>pH=9>pH=7,不同pH浸润煤样破坏形态可分为中轴拉伸破坏(pH=7)、多裂隙拉剪破坏(pH=5)、偏中轴拉伸-拉剪破坏(pH=9);分形维数-抗拉强度、弹性模量关系试验结果与理论曲线较为吻合,相关系数分别为0.950和0.997。

关键词: 浸润煤样, 分形维数, 力学模型, 强度特征, 破坏形态

中图分类号: 

• TD 315