高瓦斯环境含钻孔煤样承载破坏特征真三轴试验
马衍坤1
唐定邹1
袁亮1
刘晓斐2
赵敖寒1
黄勤豪1
1.安徽理工大学煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室,安徽淮南 232001;安徽理工大学深部煤炭安全开采与环境保护全国重点实验室,安徽淮南 2320012.中国矿业大学安全工程学院,江苏徐州 221116
摘要：为研究高瓦斯环境中含钻孔煤样的承载破坏特征,利用具有单面可视、气体密封功能的真三轴力学试验系统开展了 5种瓦斯压力下含钻孔煤样承载破坏试验,直接观测获得了煤样破坏过程的图像信息,结合数字图像相关(DIC)和声发射监测技术,分析了承载过程钻孔动力破坏特征及煤样表面裂纹演化规律.结果表明:钻孔破坏过程会逐步出现颗粒弹射、煤体抛出和碎片剥落等3类典型的动力破坏现象,整个破坏过程呈现非连续的、剧烈的动力破坏特征,钻孔孔壁最先出现颗粒或碎片弹射现象,随后密集出现煤体抛出和碎片剥落现象,在破坏后期出现孔壁垮落的现象;瓦斯气体的存在弱化了破坏的剧烈程度,随着瓦斯压力的升高,钻孔破坏由剧烈的颗粒弹射(煤体抛出)逐渐向碎片剥落转变,在试验瓦斯压力范围内(0～1.2 MPa),颗粒(碎片)的平均弹射速度逐渐降低,由0.345 m/s下降至0.197 m/s,降幅约为42.9％;煤样表面裂纹的萌生与扩展与应力、应变、声发射信号的突变点较为吻合,据此可将煤样破坏过程划分为应变能积累、钻孔上方煤体破坏、钻孔下方煤体破坏和裂纹贯通4个阶段.在试验瓦斯压力范围内(0～1.2 MPa),应变能积累阶段时长随瓦斯压力的升高逐渐减少,由127 s减少至84 s,降幅约为33.6％,累计声发射能量和计数均与瓦斯压力呈负相关,分别下降了 92.2％和98.5％;受剪切作用影响钻孔周围开始萌生裂纹,并在张拉剪切的复合作用下逐渐呈现拱形,随后裂纹受张拉作用影响逐渐增大,钻孔区域煤体呈现整体性失稳;煤样表面破坏裂纹呈现拱形形态,裂纹围成的拱形最大面积与瓦斯压力呈负相关,由748.27 cm2减少为394.90 cm2,降幅约为47.2％;煤样表面的应变局部化现象随着加载的进行逐渐加剧,应变场有效方差不断加速增长,在煤样表面形成了"X"形水平应变局部化带、"蝴蝶"形剪切应变局部化带和"条带"状垂直应变局部化带,对应最大拱形裂纹区域的剪切应变集中区面积与瓦斯压力呈负相关,由47.89 cm2减少为27.90 cm2,降幅约为41.7％.
关键词：含钻孔高瓦斯动力破坏DIC分析
分类号：TD713(矿山安全与劳动保护)
资助基金：国家自然科学基金(52227901)国家自然科学基金(52174161)安徽省高校杰出青年科研项目(2024AH020001)
论文发表日期：2025-09-30
在线出版日期：2025-10-31（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：18( 984-1001 )
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