复杂真三轴应力路径下煤岩复合体的断裂特征与破坏机制

《Scientific Reports》：Fracture characteristics and failure mechanisms of coal-rock composites under complex true triaxial stress paths

　　

摘要

在深部巷道顶板与底板中，煤岩复合结构十分常见，其稳定性会受到开采引起的卸载作用以及煤岩相对厚度的显著影响。为明确其在实际应力变化路径下的断裂特征与破坏机制，研究人员对煤岩比为0:1、1:2、1:1、2:1和1:0的100毫米立方体试样进行了实验室真实三轴加卸载试验，同时结合声发射监测与PFC3D数值模拟，分析其力学响应、损伤演化过程及能量特性。研究结果表明，随着煤岩比的增加，试样的破坏模式会从以岩石为主的试样中相对稳定的裂剪破坏，逐渐转变为以煤为主的突然性不稳定破坏；而煤岩比处于中间值的复合试样，则会出现最为明显的由界面控制的X形或半X形共轭剪切损伤。由于煤与泥岩的弹性模量及泊松比存在差异，在卸载和应力重新调整阶段会出现明显的声发射前兆峰，且复合试样的这些前兆峰强度高于纯煤试样和纯岩试样。核心定量研究发现，随着煤岩比的增加，试样吸收的累积能量先上升后下降，在煤岩比为67%时达到最大值，而峰值强度则呈单调下降趋势。这表明，岩爆发生的倾向更多地取决于能量的积累与释放，而非单纯的强度。数值模拟结果很好地再现了试样的断裂过程，显示界面结合力的破坏促进了储存的应变能在最终不稳定阶段转化为动能。这些研究结果为评估深部复合地层中的动态不稳定性以及优化支护策略提供了理论依据。