不同煤岩介质弯载作用下的断裂特征

摘要

煤矿覆岩破坏主要为弯载作用下发生的断裂,而煤岩介质的断裂特征对于冲击地压、煤与瓦斯突出等煤矿灾害密切相关。采用煤、泥岩、砂岩等不同介质的三点弯曲实验,研究了弯载作用下煤岩介质的强度特征、裂纹扩展规律、宏细观断口形貌特征及声发射变化特性,基于弹性断裂力学与均匀化方法对煤岩断裂机制进行了分析。研究结果表明:煤、泥岩样品的断裂峰值载荷、断裂能、断裂长度等断裂参数分布较离散,而砂岩样各参数分布则相对集中,该特征与煤岩介质内部结构密切相关,主要是由于煤及泥岩样品内部发育的微裂隙、微孔洞使得其均质度比砂岩样品高;宏观断口形貌方面,煤的宏观断口清晰可见原生裂隙,泥岩的宏观断口以微裂纹、微孔洞及层理为主,砂岩的宏观断口则仅包含少量杂质;细观断口形貌方面,煤的细观形貌表现为拉、剪断面和微裂隙,泥岩细观断口表面上分布有较多晶间断裂、微孔洞、黏土矿物及解理断裂,砂岩细观断口则仅为晶间断裂和少量微孔洞;煤样断裂声发射波形远比岩石要复杂,主波峰不明显,小断裂激发的声发射事件持续发生,而泥岩和砂岩的主断裂事件较显著,且在主断裂事件发生前通常有明显的起裂事件;弯载作用下煤岩介质尖端断裂扩展的临界应变能释放率主要受其弹性模量E控制,而介质的弹性模量与细观结构有关,且结构方向性对煤岩介质断裂特征具有重要影响。介质断裂的力学属性与宏细观断口特征之间具有密切的关系,对不同煤岩介质的断裂特征进行了初步的研究,认识到不同煤岩介质的细观结构对于其宏观断裂的重要影响,对于更科学严谨的结论,仍需要大量的实验数据支撑才能得以验证;煤岩介质的非均质性、各向异性使得其断裂机理十分复杂,探讨宏细观断裂的跨尺度问题、建立细观结构特性与宏观力学属性之间的内在联系,对于解决工程遇到的实际问题意义重大。