煤炭学报

作者：刘伟, 朱轩世, 魏元龙, 赵福平, 赵凌云, 黄腾达, 李江豪,

关键词：煤储层, 支撑剂, 嵌入值测量, 弹塑性, 多级荷载下, 预测模型,

为了研究煤层气开采中支撑剂的弹塑性嵌入规律，利用力学试验系统和高精度位移传感器，设计并开展了多级荷载条件下支撑剂嵌入特性试验。对比分析了每一级加卸载的荷载−位移曲线和支撑剂嵌入特征，根据加卸载过程中的荷载−位移曲线提出了一种测量支撑剂嵌入过程中弹塑性变形值的方法。利用该方法测试了6组不同粒径、不同铺置质量浓度的支撑剂嵌入值，并对支撑剂弹塑性嵌入特征进行分析。基于Hertz弹性接触理论和Von Mises屈服准则，建立了支撑剂弹塑性嵌入深度模型，并通过试验数据对模型进行验证。结果表明：随着荷载的增加，荷载−位移曲线逐渐表现出非线性特征，曲线呈现“疏—密—疏”的特点，压痕的变形由弹性逐渐向塑性转变。随着支撑剂铺置浓度的增大，支撑剂颗粒相互作用导致煤样在受轴向应力的同时也受到颗粒的切向应力，导致接触面处发生剪切破坏。支撑剂的嵌入主要发生在加载初期和高荷载期，嵌入值随着荷载的增加均呈现“增加—稳定—增加”的趋势，对应嵌入过程的3个阶段：由弹性变形主导的接触面局部压溃；由塑性变形主导的接触面塑性区扩展；高荷载下支撑剂完全塑性嵌入。对应着压痕弹性变形、弹塑性变形和完全塑性过程。所构建的模型与试验数据有较好的一致性，平均误差为13.5%，模型能够有效地描述不同荷载下支撑剂嵌入深度。

来源：2025年第9期

《煤炭学报》期刊编辑部

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