煤岩组合体真三轴破坏行为及结构-材料协同破坏机制

摘要

研究煤岩组合体真三轴条件下的破坏行为对煤矿灾害机制的认识具有重要意义.本文从塔山煤矿取样加工了立方体煤岩组合试件，利用合作研发的深部复杂条件多维模拟系统开展了不同模拟围压下从0°到45°不同倾角煤岩组合体的真三轴加载试验，并利用声发射系统对加载全过程煤岩组合体的声发射特征进行了监测.结果表明：水平主应力大小与结构面倾角都会显著影响煤岩组合体的整体破坏行为及强度.随着倾角从0°增大到45°,不同围压下煤岩组合体的强度逐渐减小，其中倾角为0°和15°的试样破坏主要发生在煤体中，倾角为30°和45°的试样破坏主要为集中于交界结构面的滑移剪切破坏.煤岩组合体破坏的声发射信号可大致分为3个阶段：初期压密阶段的低频活跃期、地应力保持阶段的寂静期及破坏失稳阶段的高频活跃期.依据室内试验结果利用PFC^3D软件展开7种不同倾角煤岩组合体在5个不同埋深条件下的真三轴试验模拟，结果进一步印证了倾角与埋深对煤岩组合体破坏模式的影响.对含倾角煤岩组合体做进一步理论分析发现，煤、岩材料及结构面协同控制着煤岩组合体的整体破坏行为，当结构面倾角在阈值倾角内时，煤岩组合体将发生结构主控-材料辅控型破坏；反之，将发生材料主控-结构辅控型破坏；并且随着埋深增大，结构主控作用将逐渐减弱甚至转换为材料主控.试验、理论和数值模拟结果均初步验证了煤岩组合体结构-材料协同主控破坏机制.研究可为深部煤岩破坏行为及围岩稳定性控制等提供理论依据.

关键词

真三轴试验 / 煤岩立方组合体 / 结构-材料协同控制 / 深部煤岩整体破坏行为

基金资助

国家自然科学基金项目(52225404,52394192,42321002); 中央高校优秀青年团队资助项目(2023YQTD01)