煤体非线性弹性力学行为研究及弹塑性本构模型

"考虑煤体非线性弹性力学行为的弹塑性本构模型" 在煤炭开采过程中，煤巷开挖的围岩响应是至关重要的工程问题。传统的弹性力学理论，如胡克定律，通常无法准确描述煤体在开挖瞬间表现出的异常大弹性变形现象。这是因为煤体具有显著的非均质性，内部富含孔隙、裂隙、层理和割理等结构缺陷，导致其在弹性阶段就表现出强烈的非线性特性。 针对这一现象，研究人员深入分析了煤体的非线性弹性特征。非线性弹性力学行为主要体现在煤体应力应变关系并非简单的线性比例关系，而是随着应力的增加，弹性模量会随应变发生改变。这种行为是由煤体内部的微观结构决定的，如裂隙网络的闭合与开启，以及孔隙内的流体压力变化等。 为了更好地模拟和预测这种非线性弹性行为，研究者提出了一个弹塑性本构模型——NLEPS（Nonlinear Elastic-Plastic-Softening）模型。该模型扩展了传统的弹塑性模型，考虑了煤体在弹性阶段的非线性特性，能够更精确地描述煤体在受载荷作用下的变形过程。NLEPS模型通过数值编程实现，可以处理煤体在不同应力状态下的复杂力学行为。 在数值验证中，NLEPS模型被应用于大尺度煤巷开挖的场景，结果显示，基于NLEPS模型的计算结果能更准确地反映开挖卸载时围岩的非线性变形情况。相比于传统模型，NLEPS模型能更好地捕捉到煤体的局部化破坏、裂缝扩展以及非均匀应力分布等关键特征，这对于评估巷道稳定性、预测岩体破坏模式以及制定合理的支护策略具有重要意义。 因此，考虑煤体非线性弹性力学行为的弹塑性本构模型对于改善煤炭开采中的安全性和经济性具有实际价值，有助于推动煤炭开采技术的发展，提高矿井的安全管理水平。通过这样的模型，工程师可以更精确地预测煤巷开挖后的力学响应，从而采取相应的措施防止煤体的过度变形和可能的岩爆事故，确保煤矿开采作业的安全进行。