冲击地压一直是困扰我国煤矿安全高效生产的难题。冲击倾向性煤是诱发冲击地压灾害的一类特殊的岩石类材料,研究该材料不同受载方式下变形破坏过程及能量演化规律,有利于揭示冲击倾向性煤体的失稳机理,为冲击地压的预防打下基础。尽管学者们对煤的变形破坏规律做了许多研究,但对于冲击倾向性煤受载的力学响应及能量演化特征的研究还有一些欠缺。为充分揭示冲击倾向性煤的力学性质,本文聚焦于忻州窑煤矿的冲击倾向性煤,研究了层理及割理等裂隙对其力学性质的影响、压密阶段应力-应变及侧向应变-轴向应变的非线性力学特征,单轴循环加卸载下能量演化及分配规律、以及动静组合加载下的拉伸力学响应特征。围绕上述研究,得到的研究成果如下:(1)冲击倾向性煤单轴压缩的层理及割理效应(1)根据忻州窑冲击倾向性煤的层理、面割理、端割理相互正交的定向分布关系,实施了考虑层理及割理角度的超声波波速测试试验、单轴压缩及声发射监测试验,系统分析了层理及割理对煤力学性质的影响。当层理面倾角为0°,面割理和端割理倾角为90°时,煤样具有最高的强度,破坏状态最剧烈,脆性特征明显,AE信号的爆发阶段短暂而剧烈,变形模量最小。当层理和面割理均为45°,端割理倾角为90°时,试样的峰值强度最低,主要破断面沿着这些结构弱面,并且主破坏面上有若干分支裂缝,应力-应变曲线呈现阶梯式跌落,AE信号在爆发期出现多个峰值,变形模量适中。当层理和和端割理倾角为90°,面割理倾角为0°时,煤样的强度略大于层理为45°时的强度;其破坏模式为层理的拉伸破坏;破坏面上有若干板状裂纹,应力-应变曲线也有阶梯状跌落形态,AE信号有多个峰值;变形弹性模量较大。(2)建立了考虑层理及割理的冲击倾向性煤的各向异性模型。模型中考虑了层理、面割理及端割理的定向分布关系,包括煤受载的弹性阶段,裂纹扩展阶段和峰后台阶跌落阶段。该各向异性本构模型被植入到FLAC3D中,并对比验证了不同层理及割理倾角下,煤岩模型与实验煤样的单轴压缩实验曲线及破坏模式。该模型能良好地体现除压密阶段外,冲击倾向性煤的受载的弹性、裂纹扩展和台阶跌落阶段;层理倾角为0°,45°及90°时的峰值强度位于实验结果范围之内,破坏模式与实验结果吻合良好。(3)在FLAC3D中用该模型以15°为间隔,连续模拟了层理倾角从0°增加到90°过程中,冲击倾向性煤样单轴受载的破坏模式:在层理面倾角为0°时,其破坏主要为煤基质的失稳破坏;在层理面倾角为15°和30°,其破坏主要为面割理的剪切破坏;当层理面倾角为45°、60°和75°,其破坏为层理面的剪切破坏;当层理面为90°时,其破坏为层理面的拉破坏。(4)同样以15°为间隔,连续模拟了层理倾角从0°增加到90°过程中,冲击倾向性煤模型单轴受载的强度特征:层理倾角为0°时,煤样的强度最高,为47.1 MPa;层理面从0°增加到45°过程中,煤的强度逐渐降低,在层理倾角为45°时,试样的强度最低,为21.7 MPa;随着层理面倾角从45°增加到90°,煤样的强度又呈现一定的上升趋势,在层理倾角为90°时,达到另一个峰值,24.1 MPa。分别模拟了仅含面割理或层理时,煤强度的变化:层理对煤强度的影响起决定作用,但割理对煤强度的影响也是不可忽视的,割理从整体上削弱了煤的强度,且改变了最小强度对应的层理角度。忽略割理会高估煤的强度,甚至错误判断煤的失稳方向。(2)冲击倾向性煤压密段非线性特征(1)根据冲击倾向性煤受载压密阶段明显的非线性特征,参考土力学中邓肯-张非线性模型,提出了立足于冲击倾向性煤并适用所有富含孔隙的松软岩石的压密段非线性模型。采用双曲线来模拟煤压密段应力-应变上凹型曲线的演变过程,在压密阶段完成,煤到达裂隙闭合点之后,采用传统的固定变形模量的线性应力-应变关系来描述煤弹性段的力学行为。同样地,类比压密阶段的应力-应变的非线性模型,建立了冲击倾向性煤压密段侧向应变-轴向应变的双曲线模型。两个模型并称为冲击倾向性煤压密段的非线性模型,模型中包括初始弹性模量a,主应力差趋向于无穷时的轴向应变的倒数b,线弹性段弹性模量E_e,初始泊松比f,侧向应变趋于无穷大时轴向应变的负倒数D,线弹性阶段的泊松比?_e等六个参数,并通过图解介绍了6个参数的物理意义。提出采用最小二乘法求取a,b,E_e,f,D,?_e等参数。(2)运用该模型分析了层理等因素对冲击倾向性煤压密段非线性力学行为的影响,揭示了冲击倾向性煤压密阶段的非线性行为的各向异性。对于应力应变的非线性特征,层理面倾角从0°→45°→90°过程中,初始弹性模量a不断增大,E_e/a逐渐变小,说明非线性段越来越短;1/b先减小后增大,总体值在0.01处附近。(3)对于侧向应变-轴向应变的非线性特征,层理面倾角从0°→45°→90°过程中,?_e先减小后增大,说明层理面为45°的试样在步入线弹性阶段后,侧向变形不显著;初始泊松比f先增大后减小,说明层理面为0°与层理面为90°时,加载初期主要发生的是层间间隙被压实,而侧向应变不明显,而层理面为45°的试样压密阶段侧向变形就已明显;(-1/D)先减小后增大,总体在应变小于0.008。(3)冲击倾向性煤单轴循环加载力学性质及能量演化特征(1)采用循环加卸载的试验手段,分析了冲击倾向性煤受载过程中的应力及变形特征、能量演化及分配规律。试样循环加卸载过程中,试样力学性质诸如强度、峰值应变等参数变化不大,但在同一次加卸载过程中,煤样加载时的弹性模量会略大于煤卸载时的弹性模量,连续加卸载会一定程度上降低煤的变形模量。定义了变形模量劣化率来描述加载及卸载过程变形模量的降低,整体而言,冲击倾向性煤加卸载过程中变形模量劣化不明显,变形模量劣化率的平均值小于0.03。(2)计算了试样加卸载过程中弹性能及耗散能,并分析了整个过程中的能量演化规律。输入能量密度随着荷载的增加而呈非线性增加,且试样的输入能量大部分以弹性应变能的形式储存在岩石中。从能量存储率来看,冲击倾向性煤的弹性应变能所占比例一直较高,且持续增大;试样的能量耗散率最大值出现在加载的初始阶段,说明试样在压密过程中能量耗散效应强烈,能量储存效应微弱。随着载荷的增加,能量耗散率持续降低,说明弹性阶段试样的能量储存效应强烈,耗散效应微弱。总地说,冲击倾向性煤的储存能量的能力较强,失稳破坏前兆不明显,失稳过程中更易发生较强能量释放。声发射监测信号表明,试样卸载过程中既有能量释放,又有能量耗散。(4)冲击倾向性煤巴西试样动静组合加载力学响应特征(1)采用改进的霍普金森压杆(SHPB)装置结合高速摄像机,对冲击倾向性煤巴西试样展开动静组合加载。随着静载轴压经历从0→0.289 MPa→0.578 MPa,试样的平均动态抗拉强度从4.35 MPa→6.28 MPa→3.65 MPa,呈现出先增高后降低的趋势;试样的动态抗拉强度值更加趋于离散,试样动态抗拉强度的变异系数从0.27→0.48→0.48;试样的平均峰值应变从11.04e~(-3)→6.40e~(-3)→7.69e~(-3),呈现出先降低后微微升高的趋势。(2)静载轴压为0时,冲击速度越大,动态抗拉强度越高,二者呈现出很好的正相关性;静载轴压为0.289 MPa时,冲击速度越大,动态抗拉强度越小,冲击速度与强度呈现出很好的负相关性,且应变率越大,对应的动态抗拉强度越小,冲击速度与强度呈现出明显的负相关性;静载轴压为0.578 MPa时,冲击速度与动态抗拉强度呈现出很好的负相关性,且随着应变率增加,对应的动态抗拉强度呈现一定的波动。总体来讲,无轴压时,随着冲击速度增大,动态抗拉强度有增大的趋势;但加上一定的轴压后,随着冲击速度增大,动态抗拉强度反而有下降的趋势。(3)静载轴压与冲击速度从不同方面影响圆盘试样的裂纹扩展。静载轴压主要影响巴西圆盘试样裂纹扩展的时序特征,增加轴压后,试样的起裂及贯通耗时有所缩短,试样破碎程度有所提高。冲击速度主要影响裂纹扩展的空间分布特征,随着冲击速度的增加,巴西盘面的破坏呈现出从整体到局部,从中心到边缘的特征。
【学位单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TD324
【部分图文】：
是冲击倾向性煤层，其煤厚0~4.62 m，平均煤厚1.44 m。煤质的主要成分为亮煤和暗煤，煤岩强度较高，其断口平整度好。内生裂隙广泛分布在煤基质中，层理沿着水平方向延伸。图2.1为现场煤岩块图。图 2.1 水平层理的煤岩块Fig.2.1 Coal blocks with horizontal bedding planes鉴于14#煤层的层理及割理较为发育，试验煤样均在14#煤层的同一位置取样，以避免试验煤样的离散型过高。煤块钻取过程中尽量防止扰动，保证其完整性。
完毕后需立即包好煤块，以防止煤块发生风化；到井上之后，需及时用石蜡对煤块表面实施至加工场所。煤块运输过程中，需轻拿轻放生裂纹，影响实验结果。工艺包括三个步骤：：实验采取湿式加工法钻取煤芯，钻取过程于块体。钻取过程中需用冷水持续冷却钻头：钻取获得的煤芯一般端部不够平整，需要切割面需与煤芯轴向垂直，保证切割的端面：为保证实验煤样满足岩石力学的试样标准的起伏控制在0.02 mm以内。
(b) 巴西圆盘试样图 2.3 加工的部分的煤岩试样Fig.2.3 Some processed coal samples使试样尺寸的端面精度达到要求，需要分析实验煤样的端面平样的尺寸、质量、密度等。同时需要保证实验煤样的离散性尽样实施超声波速测定。经过测定分析，所有实验煤岩的离散性倾向性煤的裂隙分布特征一种多尺度材料，煤岩在不同尺度下的形貌是不同的，图2.4罗岩的形貌[128]。在微观尺度下（10-4m），可以看到煤岩的基本粒；在细观尺度下（10-4m ~ 10-2m），可以发现煤岩基质被其隙纵横切割成块；在实验室尺度下（10-2m ~ 1 m），可以观察密的裂纹；在工程尺度下，煤岩内部的的微裂隙及孔洞则无法虑则是整个整个煤岩体结构断裂、滑移及陷落。
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