煤岩组合体的能量演化规律与破坏机制

杨磊^1,2,3，高富强^1,2,3，王晓卿^1,2,3，李建忠^1,2,3

1. 天地科技股份有限公司开采设计事业部2. 煤炭科学研究总院开采研究分院3. 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室

摘 要：为研究煤岩组合结构受压过程中的能量演化规律与破坏机制,对煤、岩石及3组煤岩组合体进行了单轴一次加载与循环加卸载试验,分析了煤岩组合体输入能密度、弹性能密度、耗散能密度以及弹性模量与单轴抗压强度等力学参数的演化规律,得到了不同试样的储能特性,基于煤岩组合体的力学响应、能量演化与变形破坏特征,建立并探讨了煤岩组合体破坏的能量驱动机制。结果表明:煤岩组合体峰前阶段的输入能密度、弹性能密度及耗散能密度随轴向应力的增加呈明显的非线性增长特征,峰前阶段的能量密度-应力曲线可分为压密段、弹性变形段和非稳定破裂发展阶段,整个过程储存在试样内部的弹性能较高,耗散能较少,试样达到屈服后,耗散能所占比例开始增加。煤岩组合体的单轴抗压强度与弹性模量介于纯煤和岩石试件中间,更接近于纯煤试件,随着岩石强度的增大,组合体力学性能稍有增强,但幅度有限,煤体是控制组合体强度等力学特性的主要因素。煤岩组合体破坏的能量驱动机制可概括为:煤岩组合体受压过程中,煤、岩开始不断储存弹性应变能,煤体储能速度快,内部弹性能达到其储能极限时,煤体率先发生破坏,破碎程度高,主要呈X状共轭斜面剪切破坏,破坏瞬间释放的能量传递至岩石,达到岩石的储能极限时,煤体中裂纹扩展贯通至岩石内部,在弹性能的驱动下岩石发生张拉破坏。

关键词：煤岩组合体;循环加卸载;能量演化;非线性;储能;驱动机制;