顶板砂岩直接拉伸破坏声发射特征及损伤本构模型

摘要

深部煤炭资源开采常面临复杂的赋存及采动力学环境，冒顶等灾害事故风险激增。顶板拉破坏是其中一个重要诱因，故亟需深入探究顶板岩石拉伸破坏力学特性及损伤演化规律。通过开展顶板砂岩单轴直接拉伸试验和全过程同步声发射测试，探究了砂岩的直接拉伸力学特性和声发射时空演化特征，对比分析了顶板砂岩与煤的直接拉伸破坏差异性过程规律，同时发展并对比验证了煤岩拉伸全应力应变损伤本构模型。结果表明：1）顶板砂岩平均直接抗拉强度为5.01 MPa，约为煤体直接抗拉强度的7.6倍；顶板砂岩直接拉伸力学参数变异性强，反映出砂岩易产生破坏局部化而导致顶板拉破坏。2）砂岩在直接拉伸峰后的弹性能释放速率显著高于煤体，表现出明显的脆性特征。3）声发射空间定位演化分析揭示了顶板砂岩不同拉伸加载阶段的微裂纹扩展与空间集聚成核过程机制，同时发现峰值应力前仅有少量随机分布的微裂纹产生，主要发生基质的弹性变形；峰值后应力下降20%时，微裂纹局部化，此后宏观裂纹出现并快速扩展，直至破坏。4）构建了基于声发射特征参数的煤岩拉伸损伤本构模型，砂岩和煤的直接拉伸和声发射试验数据的验证显示其具有良好的拟合效果，可较好地表征岩石在直接拉伸作用下的峰后应变软化特征。研究成果对巷道支护结构设计优化，以及煤矿灾害防治具有重要指导意义。

关键词

砂岩 / 煤 / 直接拉伸 / 声发射 / 损伤本构模型

基金资助

国家自然科学基金项目（52174084;51804204）; 四川省自然科学基金项目（2022NSFSC0406）