高瓦斯环境含钻孔煤样承载破坏特征真三轴试验

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