煤岩组合体峰前能量分布公式推导及试验

摘要

冲击地压一定是在能量驱使下发生的,为探索引发冲击地压的能量在煤岩系统中的积聚层位,构建了煤岩组合体力学模型,推导了煤岩组合体峰前能量分布公式,对细砂岩-煤(finesandstone-coal,简称FC)、粗砂岩-煤(gritstone-coal,简称GC)、细砂岩-煤-粗砂岩(fine sandstone-coal-gritstone,简称FCG)3种组合体开展5种加载速率下的能量积聚规律试验,分析了组合体破坏特征、力学特性及能量积聚规律。试验表明:(1)在0.001mm/s加载速率下,组合体峰前能量主要以原生裂纹的扩展、贯通的形式缓慢耗散,属于塑性完全破坏;在0.1mm/s加载速率下,组合体峰前能量主要以局部弹射破坏的形式快速释放,属于脆性不完全破坏。(2)组合体的抗压强度、弹性模量、峰前能量、冲击能量指数与加载速率呈对数关系。随着加载速率增大,组合体抗压强度、弹性模量、冲击能量指数增幅逐渐减小,峰前能量增长率呈现低-高-低的趋势。(3)随着加载速率增加,煤组分储能增多,能量占比增大。在0.001~0.010mm/s加载速率下,煤组分积聚能量增加较快;在0.010~0.100 mm/s加载速率下,煤组分积聚能量增加较慢。(4)相同加载速率下,煤组分能量占比顺序:FC组合体>FCG组合体>GC组合体。(5)组合体中煤组分能量占比均大于50%,煤组分是能量积聚的主要载体。相同应力条件下,软弱岩层能量积聚能力强于坚硬岩层,更易积聚能量。研究结果可为确定冲击地压能量积聚层位和释能减冲工作提供参考。