深部含瓦斯煤岩复合结构损伤失效行为及弹性能作用量化模型

摘要

探究含瓦斯煤岩复合结构在岩性和围压耦合作用下的能量演化行为对于探究煤岩复合动力灾害机理至关重要.为深入理解含瓦斯煤岩复合结构损伤失效及能量耗散行为的影响，利用GCTS RTR-4600高温高压岩石三轴试验系统，对含瓦斯煤岩复合结构进行了不同围压及岩性的声发射-渗流-损伤三轴试验.首先，获取了试样的损伤破坏及力学响应特征，并通过声发射监测的RA-AF裂纹相关性值揭示了裂纹的扩展规律，同时，分析试样渗透率与应力状态之间的动态关系.此外，系统讨论了围压和岩性对能量定量分配和转化的影响.基于能量耗散定律，进一步构建了含瓦斯煤岩组合体的能量传递数学模型，并利用试验数据进行验证.结果表明：岩石强度升高使组合体拉伸裂纹特征点占比显著增加，而围压增大则驱动裂纹扩展由拉伸主导向剪切破裂转变.围压改变了煤样能量分配模式，高围压缩短了能量硬化阶段，延长了能量软化阶段，使试样内部蓄能更快达到饱和状态.基于能量耗散理论，分别建立了不考虑岩组分峰后弹性能释放的能量模型（模型Ⅰ）和考虑岩组分峰后弹性能释放的能量模型（模型Ⅱ）.通过引入均方根误差(E_RMS)和决定系数（R²）评估模型曲线与试验数据之间误差和拟合度，发现所构建模型与试验数据吻合度较高，模型Ⅰ的E_RMS最小值和R²最大值分别为0.445和0.993.模型Ⅱ的E_RMS最小值和R²最大值分别为0.306和0.997.

关键词

含瓦斯煤岩复合结构 / 渗透率演化 / 声发射RA-AF相关性 / 能量定量分配 / 弹性能作用量化模型

基金资助

国家重点研发计划项目(2023YFC3009003); 国家自然科学基金项目(52374249,52130409); 中央高校基本科研业务费专项资金项目(2024JCCXAQ01)