真三轴加卸载含瓦斯煤力学特性与破坏前兆特征研究

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煤矿井下开采活动会导致煤岩体应力卸载造成三向应力发生静态加卸载变化,应力的卸载会进一步导致煤岩体发生变形破坏,从而诱导煤岩瓦斯动力灾害的发生。因此研究含瓦斯煤在真三轴加卸载条件下的力学特性与破坏前兆特征对于了解煤岩瓦斯动力灾害的发生发展过程尤为重要。本文以含瓦斯煤为研究对象,利用自行设计的含瓦斯煤真三轴变形破坏试验系统,开展不同条件下的常规三轴加载以及真三轴加卸载试验,探讨不同加卸载条件下含瓦斯煤力学试验性质,分析不同加卸载条件下含瓦斯煤失稳破坏的前兆信息,得到以下主要研究成果:(1)开展含瓦斯煤常规三轴加载试验,研究在不同围压及不同瓦斯压力条件下,含瓦斯煤的变形破坏特征,分析不同加载条件对含瓦斯煤变形破坏特征的影响,确定真三轴加卸载试验的初始卸载点。(2)开展不同加卸载条件的含瓦斯煤真三轴加卸载试验,研究不同加卸载条件下含瓦斯煤的力学性质、能量演化以及声发射时序特征。真三轴加卸载条件下,在与最小主应力垂直的方向上,含瓦斯煤内的裂纹逐渐发育形成主破坏面,破坏形式为张剪复合型破坏。随着与卸载面的距离越来越小,裂纹由剪切裂纹逐步向劈裂拉伸裂纹过渡,在卸载面附近形成层裂结构,卸载面附近的破坏多是以劈裂成板、板曲折断的形式发生。真三轴加卸载条件下含瓦斯煤破坏过程中的能量变化曲线与应力应变曲线对应良好,可作为分析含瓦斯煤破坏过程的重要参考。真三轴加卸载条件下,通过分析声发射累计计数与累计能量可以发现,声发射时间序列呈现出三个变化时期,其变化过程可以反映试样的破坏过程。(3)基于岩石力学D-P强度准则、统计损伤理论以及太沙基(Terzaghi)有效应力原理,综合考虑三向应力和瓦斯压力的作用,建立含瓦斯煤真三轴应力条件本构模型。将不同加卸载条件下的应力应变理论曲线与试验曲线进行对比,两者具有较好的相似性。根据弹塑性断裂力学,考虑吸附瓦斯和游离瓦斯的共同作用,推导得到煤体裂纹强度准则,并分析径向应力与轴向应力的比值对裂纹扩展长度的影响。根据弹性力学理论,建立层裂结构体破坏失稳板结构压曲模型,计算得到层裂结构体失稳破坏的临界载荷条件。(4)计算得到真三轴加卸载条件下含瓦斯煤破坏过程的声发射多重分形特征,分析不同加卸载条件下声发射多重分形参数的变化过程,同时将多重分形参数的变化过程与试样的损伤演化过程进行对比,得到表征试样破坏的前兆特征。多重分形参数Δα、Δf的动态变化可以反映煤样所处的受力状态及其破坏程度。Δα的动态变化过程表现为先减小后急剧增大,损伤曲线的变化过程表现为先缓慢增长后快速增长,Δα的逐渐减小与损伤曲线的缓慢增长对应,Δα的急剧增大与损伤曲线的快速增长对应,同时不同应力差水平下损伤曲线突变点的变化趋势与Δα值突变点的变化趋势相同,说明Δα的变化可以反映出煤样的损伤变化过程,可将Δα的急剧增大作为表征试样破坏的前兆信息。
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