松软煤岩破裂机理与损伤特性研究.pdf

Ⅱ coal-rock fracture process. Coupling relationship, the results show that the stable growth stage of acoustic emission signals is a sign of coal rock fracture instability. In the early period of uniaxial stress loading of soft rock, the deation of the main body is basically along the axial loading direction. After the coal rock is compacted, the transverse tensile stress and the axial compressive stress are deflected under the action of shear stress. Under the action, the stress concentration at the crack tip occurs, and the cracks “shear” the tensile fracture along the axial direction. When a large number of “shearing” tensile strains are generated, they coalesce with each other, eventually leading to the overall instability of the soft coal rock; The damage model based on acoustic emission parameters and the theoretical damage model based on the number of speckles proposed by the basic theory of mechanics were compared with the experimental data. Both damage models can describe the damage conditions of coal samples. Key wordsSoft coal rock; Digital image correlation ; Acoustic emission; Scattered speckle number; Damage variable ThesisApplied research 目录 Ⅰ 目录 1 绪论.................................................................................................................................1 1.1 选题背景及研究意义..............................................................................................1 1.1.1 研究背景...........................................................................................................1 1.1.2 研究意义...........................................................................................................1 1.2 国内外研究现状.......................................................................................................2 1.2.1 煤岩变形破裂损伤研究现状...........................................................................2 1.2.2 松软煤岩物理力学性质研究现状...................................................................3 1.2.3 煤岩变形破裂演化监测方法...........................................................................3 1.3 研究内容及技术路线..............................................................................................5 1.3.1 研究内容...........................................................................................................6 1.3.2 技术路线...........................................................................................................6 2 松软原煤煤质特征及力学特性.....................................................................................7 2.1 煤质特征...................................................................................................................7 2.2 原煤单轴压缩实验...................................................................................................7 2.3 本章小结................................................................................................................10 3 松软煤样破裂演化特征................................................................................................11 3.1 数字散斑相关方法原理.........................................................................................11 3.2 单轴压缩下松软煤样损伤演化试验....................................................................12 3.2.1 试样制备及试验系统.....................................................................................12 3.2.2 试验结果及分析.............................................................................................14 3.3 本章小结.................................................................................................................21 4 松软煤岩体声发射特性研究.......................................................................................22 4.1 声发射基础.............................................................................................................22 4.2 单轴压缩下煤岩声发射特性................................................................................24 4.2.1 松软煤样动态破裂过程的声发射参量特征..................................................25 4.2.2 松软煤岩失稳破坏演化特性研究..................................................................28 4.3 本章小结................................................................................................................31 5 松软煤岩体破裂机理与损伤模型...............................................................................32 5.1 松软煤岩破裂机理分析........................................................................................32 5.2 基于声发射参量的损伤理论模型........................................................................35 5.3 基于散斑特性的单轴压缩煤样损伤模型............................................................40 5.4 本章小结................................................................................................................46 6 结论与展望...................................................................................................................48 目录 Ⅱ 6.1 主要结论................................................................................................................48 6.2 展望........................................................................................................................49 致谢...................................................................................................................................50 参考文献...........................................................................................................................51 附录...................................................................................................................................58 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景及研究意义 1.1.1 研究背景 煤炭为我国主要的不可再生矿产资源之一，据预测，到 2030 年煤炭仍占一次能源 消费总量的 50左右[1]，我国的生产结构和消费结构比较大，对煤炭能源的需求很大， 但埋藏浅易开采的煤炭资源已接近枯竭，煤矿都进入了深部开采的阶段，随着巷道深度 的增加，各种煤矿灾害也随之而来，例如煤与瓦斯突出，冲击地压，煤爆、岩爆等，这 些灾害都可以归结为煤岩动力灾害，而这些灾害的发生都与煤岩的力学性质紧密相关。 煤岩动力灾害与煤岩体的失稳息息相关， 煤岩体失稳从孕育、 激发到发展的过程中， 煤岩自身各成分之间以及与外部系统的相互作用都表现出非线性特性， 煤岩在受力破坏 过程中都有高度的非线性和不可逆性[2,3]； 煤岩体的组成成分比较复杂， 在形成过程因其 所处环境、地质构造的不同，使其具有不同的构造面，煤岩体内部含有微裂隙、孔洞等， 而在宏观尺度上多为构造、位置不同的断层和节理[4]，结构的差异、成分的不同，使得 煤岩失稳更加复杂。 防治煤与瓦斯突出规定[5]中煤层类型归结为五类，将ⅢⅤ类煤称作“软煤” 。 软煤层的煤体其自身稳定性和承载能力较弱， 受回采扰动和上部煤层压力作用下易发生 煤壁片帮，软煤层工作面顶板冒漏率和冒漏程度均有所加剧，甚至于引发瓦斯燃烧，形 成煤与瓦斯突出，对工作人员的人身安全造成巨大威胁和损失，严重影响了瓦斯治理效 果。而松软煤岩的性质与其他煤质又有较大区别，软煤的破碎程度较大，强度小，坚固 性系数也小，接缝薄弱，抵抗外力作用的能力低，松软煤层通过一些强烈的地质构造运 动，使煤体原有的裂缝被摧毁，煤体变软，渗透率降低，成为施工复杂介质，因此，对 于软煤岩物理力学特性的研究就显得颇为紧迫和重要。 1.1.2 研究意义 煤岩体失稳即是煤岩在外部荷载的挤压作用而使其内部原生裂隙扩展并诱发新生 裂纹产生，最终汇合、贯通的过程，突出表现为时空上的非线性和各向异性；并且其原 生裂纹的形貌特征对煤岩体的破裂失稳有显著的作用，致使煤岩体的失稳机理十分复 杂，而没有一个统一的解释；而松软煤岩的微结构组成、破坏失稳又与其他类型的煤岩 具有较大区别，因此对于松软煤岩破裂损伤特性的研究，对工程实践具有重要的意义。 因此， 本文在前人学者的研究基础上， 对松软煤岩的破裂机理和损伤特性进行研究， 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 2 从实验室实验、理论推导分析等方面，研究松软煤岩体的破裂失稳及损伤演化的规律， 运用数字图像方法、 声发射监测技术等手段和设备系统研究松软煤岩体的破裂机理和时 空演化特征，借助损伤力学的思想，建立基于声发射参量和以散斑数为基准的损伤理论 模型，为松软煤岩失稳机理研究和煤矿现场监测预警提供一些作用。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 煤岩变形破裂损伤研究现状 20 世纪 50、60 年代，Kachanov、Rabotnov[6-7]等人相继提出了连续变量、损伤因子 等概念，损伤理论逐渐发展起来，到 1976 年，Dougill[8]将岩石的破裂过程与损伤理论 结合起来，岩石的损伤力学慢慢发展壮大；Steffen Abe[9]利用离散单元法建模，研究了 离散材料的泊松比、杨氏模量与压缩载荷的关系。K.C. Bennett[10]分析研究了超弹塑性 下的多孔岩石的连续损伤与孔隙度的关系，并给出了损伤演化的新型帽型材料模型。 Nikhil Ninad Sirdesai[11]等人通过分析量化弹性模量、超声波速度来研究经过热处理的岩 石的损伤情况。Timo Saksala[12-13]等利用数值模拟软件建立模型研究了一种连续损伤嵌 入的不连续模型，分析了加载速率与连续标量损伤模型的关系。M Ghamgosar[14-15]通过研 究静态、循环加载以及巴西圆盘实验下岩石的破裂过程，测定了岩石的断裂韧度值，并 利用 CT 扫描技术研究了岩石破裂的微观结构特征。 IMonier[16]对花岗岩岩芯进行了单轴 压缩试验， 发现引起了离散剪切断裂， 并研究了裂缝尖端周围微裂纹的分布、 裂缝密度、 颗粒直径和裂纹走向等。Nazife Erarslan[17]通过对布里斯班的凝灰岩进行压缩和圆盘实 验，研究了亚临界裂纹扩展的微观机理和微观结构动力学。Gurson[18]分析与研究了含有 预制孔裂隙岩石的破裂损伤特性。R. Das[19]对不同形状的岩石试样进行模拟冲击，确定 形状对冲击断裂过程中的断裂模式和能量耗散的影响。 E. Eberhardt[20]综合使用应变测量 仪和声发射监测装置，对花岗岩进行单循环加载实验，用损伤模型来表征破裂过程。 我国学者在煤岩损伤方面也做了大量研究，谢和平[21-24]根据团队多年在岩土损伤力 学方面的钻研提出了岩石损伤体系。吴晶晶、张绍和[25]等研究了煤岩在不同条件下的脉 动水力压裂过程，并分析了在压裂过程中的声发射特征。刘传孝、王龙[26]等对深井煤岩 在不同围压下的短时蠕变规律进行了研究，分析了其细观损伤的机制。王金贵、张苏[27] 等研究了煤岩体在变形破裂过程中的电磁信号特征，并以此建立了其损伤模型。李新平 [28]等建立了岩石的损伤演化方程及适合于裂隙岩体的等效连续模型。任建喜[29]等通过 CT 试验得到了不同发展阶段的图像。葛修润[30]等发现了岩石疲劳破坏存在门槛值。赵 振龙、 赵坤[31]等研究了加载速率对于煤岩体的强度、 破裂形态的影响。 徐涛、 唐春安[32-33] 等采用 RFPA 数值模拟软件，模拟了含瓦斯煤岩的破裂变形规律。李振华、李化敏[34] 等推导了煤样单轴压缩下的损伤本构模型。殷山、李忠辉[35]等研究了煤岩体破裂过程中 1 绪论 3 的电位特征，建立了电位特征与损伤变形的关系。陆银龙，王连国[36]等利用 Comsol 软 件模拟双轴压缩下岩石蠕变的变形破裂特征。倪骁慧、朱珍德[37]等利用扫描电镜对岩石 的显微与宏观破裂进行了实时采集， 发现岩石的微裂纹分布符合某一指数分布。 胡柳青、 李夕兵[38]等将损伤理论与能量耗散规律和断裂准则结合起来，分析了岩石的破裂损伤。 白国良，梁冰[39]从能量的角度研究了岩体的破坏失稳机制。刘立东，王俊虎[40]等从煤岩 结构和组成等方面研究了松散膨胀性软岩巷道的破坏机理。伍永平，黄超慧[41,42]等对松 软煤岩巷道底鼓发生机理和防治措施进行了研究。对于煤岩的变形破裂损伤特性研究， 国内外学者从实验室实验到现场实际，从理论到实践，从解释说明到预警治理，得到了 很多符合工程实际的结论，为煤矿的安全开采做出了重大贡献。 1.2.2 松软煤岩物理力学性质研究现状 对于松软煤岩或软煤层的研究，我国学者大多从松软煤岩的微结构、吸附特性、质 量比等方面进行了研究，李胜利[43]通过压裂实验得到了软煤的基本力学特性，分析了软 煤的裂隙演化特征； 李树刚[44-45]等针对余吾矿松软煤层巷道围岩的物理性质， 利用UDEC 数值模拟软件提出了支护方案； 赵鹏翔[46]等研究了不同质量比下的混合软硬煤的吸附特 性。朱红青、张民波[47]等通过建立损伤模型，研究了低透气性脉动压力下的松软煤岩的 损伤规律；赵发军[48]等研究了软硬煤在同一吸附压力下的吸附量的变化情况，得出了软 硬煤的吸附量与扩散系数的关系。许满贵[49-50]等人针对澄合矿区软煤体的孔隙结构和性 质，运用分形理论研究软煤体孔隙的瓦斯吸附空间。陈才贤[51]等人研究了不同气体压力 下软煤体围岩的变形规律，发现气体压力越大，钻孔内壁的破坏变形越大；于军[52]对比 分析了不同软硬煤样表面形貌和孔隙结构特征， 发现软煤的表面孔隙结构更为复杂且平 均孔径更小；柳先锋[53]通过分析不同软硬煤的表面化学微结构特征，研究了不同软硬煤 的瓦斯吸附控制机理及其对瓦斯吸附行为的微观作用机理。高魁，刘泽功[54]等对比分析 原生结构煤和构造软煤微观结构特征、吸附特性、渗透特性和力学特性，分析构造软煤 的物理力学特性对煤与瓦斯突出的影响。我国学者从煤岩的微观结构、吸附特性、质量 比等方面对松软煤岩的物理特性做了研究，分析了理化性质，而对于其破裂损伤的研究 却少见报端，因此，研究松软煤岩的破裂损伤特性具有重要意义。 1.2.3 煤岩变形破裂演化监测方法 煤岩体变形破坏就是裂纹萌发、 扩大和贯通， 直到产生宏观裂纹并导致失稳的过程， 发现和观测煤岩的破裂过程就成为学者研究的热点， 所以学者们在实验室内采取成熟的 技术手段来研究煤岩材料的破裂过程，主要包括声发射检测技术、影像检测技术、数字 图像相关技术等。 （1）声发射检测技术 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 4 最早观测到的声发射现象是锡鸣。近代对于声发射的研究源于 1940 年 L.Obert 等 在美国阿米克铜矿监测到爆发性声发射，预报岩爆的来临。目前的国内外学者对于声发 射技术的研究主要集中在煤岩体受载过程中的声发射参量特征、 Kaiser 效应以及声发射 损失理论等方面。Agioutantis Z.[55]运用 TPB 试验方法对 Nestos 大理石试样进行了声发 射测试， 在临界应力区域用接近大理石强度的声发射来确定损伤定位； Jiang Chang-bao[56] 等研究了分层循环加载下煤的渗流特性、声发射特性和能量耗散特性，建立了耗散能煤 损伤变量的新方程；Xiao Fu-kun、Tang Shou-feng、Li Hong-yan[57-59]等用声发射探测技 术对冲击倾向性不同的煤体失稳破坏进行实验研究， 发现煤体失稳破坏过程中不同阶段 的振铃计数、能量、频谱及 b 值变化存在差异；左建平，裴建良[60-61]对单体岩石、单体 煤和煤样组合体的破坏机制和声发射特性差异进行了分析研究；林海飞、李志良[62]等对 覆岩采动裂隙在的声发射能量与来压次数的规律进行了研究；刘建坡[63]等通过预制钻 孔，对不同类型的岩石进行声发射试验，发现了不同类型的岩石其破坏方式和声发射特 性各有特点；李元辉[64]研究了在不同应力水平下岩石破裂过程中，声发射 b 值和空间分 布分形维值在不同阶段的变化趋势；赵兴东[65-67]采用正交实验，利用声发射监测了各种 类型岩石的破坏过程，用声发射定位技术精确定位了裂纹位置及扩展方向。刘保县[68-69] 等通过对煤岩破裂过程中的声发射特征研究，将声发射参数曲线划分为三个阶段，并提 出损伤模型来表征其破裂程度； 来兴平[70]等利用统计学原理对非均质的煤样进行声发射 特征实验，用损伤程度百分比反映煤样的损伤情况。贾炳[71]针对软硬煤的声发射差异进 行研究，发现软煤的声发射幅值更小。通过大量的研究结果表明，声发射技术可以作为 研究煤岩变形破裂的技术手段。 （2）CT 扫描 CT 扫描可以无损的辨识试样变形破裂的信息，并可以用数字图像表示出来，能够 清楚的观察试样中孔隙、裂隙的变化情况，杨更社、谢定义[72-75]等在国内首次将 CT 检 测技术运用煤岩体损伤特性的识别，发现 CT 技术可以无损且全面的对煤岩体进行损伤 检测， 还可以通过 CT 图像分析和 CT 数的统计分布规律来定量分析煤岩体的损伤特性。 任建喜[76-77]等将岩石破裂过程中的 CT 图像划分为五个阶段，得到了岩石损伤的扩展规 律；接着任建喜[78-79]等人通过岩石破裂过程的 CT 扫描发现了应力损伤门槛值，并提出 了应力峰值前各分段的岩石损伤演化方程及本构关系；刘京红[80,81]采用图像计盒维数拟 合单轴压缩下的煤岩应力应变曲线，并发现半高斯函数更符合其曲线变化；毛灵涛[82] 用表面孔隙率和体孔隙率来表征 CT 图像的特点，反映煤样的内部损伤；孙华飞[83]为了 定量地分析单轴压缩条件下土石混合体的内部损伤演化规律， 建立了土石混合体破裂－ 损伤的三维重构模型；尹光志[84]通过 CT 实验，得到了煤岩不同阶段的 CT 图像和 CT 数以及探讨了各阶段的损伤演化规律。CT 图像能够观测和保存煤岩细观的破裂图像和 统计其 CT 数，利用损伤力学的思想，研究煤岩的损伤演化过程和规律，是研究煤岩破 1 绪论 5 裂的重要技术手段。 （3）数字图像相关方法 数字散斑相关方法 Digital Speckle Correlation ，DSCM 是一种光学测量方 法，又称数字图像相关方法（Digital Image Correlation ，DIC） ，自 DSCM 方法提 出后国内外许多学者做了大量的工作。1983 年，Peters[85]等学者用数字图像相关方法进 行刚体位移测量方面的研究。1985 年，Chu 和 Ranson[86]等完善了 DSCM 的理论，提高 了其测量精度。 在相关搜索方法上， Sutton[87]等对初始的相关方法做了简化和改进。 1986 年，Sutton[88]等提出双参数法，其优点为精度不降低但提高了测试速度。芮嘉白[89]博士 等提出十字搜索方法相关，提高了计算效率，且改善了测量精度。在系统误差分析的研 究上， Tong、Schreier 和 Sutton[90-91]等都提出了现有问题并给出了解决方法。Schreier 和 Sutton[92-93]讨论了由于位移模式的不匹配引起的系统误差，用 Levenberg-Marquardt 迭代算法求解数字相关问题。 近年来，由于数字图像相关方法的进一步发展，我国很多学者将数字图像相关方法 应用于岩石体的破坏损伤研究，其中马少鹏，刘善军[94]等用数字图像的灰度相关性来描 述岩石的损伤演化。 潘一山[95]等用实验测得了岩石变形过程中不同阶段的局部化带的宽 度。马永尚、毛灵涛[96-97]等用数字图像方法测得了裂纹的产生位置、形态变化和扩展方 向。陈新[98]分析了单轴荷载下石膏表面的裂纹图像，得到了各向异性节理岩石体损伤演 化特性。陈新忠[99]利用 CCD 相机采集到的胶结充填试样散斑图像，根据水平位移和垂 直位移，计算弹性范围内的泊松比。张天军、张磊[100,101]等对含预制方形钻孔的软煤型 煤孔周位移、破坏类型进行了研究和分析。对许多的试验研究说明数字散斑相关方法可 作为描述岩石材料损伤演化的一种工具，是研究材料变形细观机理的一种有效方法[102]。 松软煤层在上部岩层和外部荷载的作用下， 其物理力学性能及形态特征势必会产生 变化，致使原生裂隙的扩展和新生裂纹的产生规律与其它煤不一样。目前，许多的学者 对煤岩的破裂失稳性质做了许多分析，但对于松软煤岩的研究却相对较少，且大多都是 集中在软煤的物理力学性质和其吸附性能研究上，或者利用某种单一技术手段进行研 究，未能完全综合研究，因此本文采用数字图像相关方法、声发射检测手段对松软煤岩 的破裂特性及时空演化损伤进行研究。 1.3 研究内容及技术路线 从实验室实验、理论推导分析等方面，研究松软煤岩体的破裂失稳及损伤演化的规 律，运用数字图像方法、声发射监测技术等手段和设备系统研究松软煤岩体的破裂机理 和时空演化特征，借助损伤力学的思想，建立基于声发射参量和以散斑数为基准的损伤 理论模型，以期为松软煤岩失稳机理研究和煤矿现场监测预警提供一些作用。 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 6 1.3.1 研究内容 （1）原煤煤质特征及力学特性研究 对原煤试样进行工业分析，获取其煤质特征；对原煤试样进行单轴压缩，研究其力 学特性（应力、应变、强度、弹性模量等） 。 （2）松软型煤破裂特性研究 自制型煤，实验室测试松软煤样的表面应变和内部声发射特性，研究煤岩失稳破坏 过程中全场应变及声发射的参数特征。 （3）损伤特性和破裂机理研究 从损伤理论入手，结合数字图像相关方法、声发射参量，推导松软煤岩的损伤理论 模型，并利用试验数据进行验证，进而分析松软煤岩破裂机理。 1.3.2 技术路线 技术路线如图 1.1 所示。 图 1.1 技术路线图 2 松软原煤煤质特征及力学特性 7 2 松软原煤煤质特征及力学特性 煤岩体在成形过程中，因所处环境不同，其内部存在结构位置迥异的微裂隙、孔洞 等缺陷，因此煤岩体具有复杂的力学性质，其突出表现为非线性、各向异性。煤岩的力 学性质不仅受其组成成分的影响，还与其受力状况和所处环境相互关联，因此要研究煤 岩体的破裂损伤特性，首先要对煤岩的煤质特征和力学参数进行分析。 2.1 煤质特征 实验煤岩样取自山西潞安矿区某矿，潞安矿区处于沁水煤田东部中段，总体为一个 向西倾斜的单斜构造，一定范围内具有褶曲和断层。潞安矿区含煤地层为石炭系太原组 和二叠系山西组，共发育煤层 6～17 层，整体厚度约 11.32m，各煤层特征见表 2.1。 表表 2.1 潞安矿区主要煤层特征表潞安矿区主要煤层特征表 煤层编号 煤层厚度结构煤层间距（m） 最小最大平均夹矸层数厚度（m）最小最大平均 35.347.886.571～60.10～1.10 8-20.072.231.121～20.10～0.3433.2767.5750 90.081.431.1010.02～0.056.6226.5010 120.151.251.101～20.2～0.7010.2625.9718 140.552.100.6023.2933.5722 15-20.041.500.313.0019.008 15-30.204.701.541～60.10～0.600.805.503 试验煤岩样取自山西潞安矿区某矿 3煤，煤岩组分以亮煤为主，灰分含量为 3～ 23，平均 10～13，煤的镜质组反射率在 1.73～2.24之间，密度为 1.46 g/ cm3，含 夹矸 0～2 层，夹矸厚度最大为 0.10 m，最小为 0.01 m，平均 0.06 m，纯煤厚度 5.69 m。 2.2 原煤单轴压缩实验 从煤矿井下取出大块煤块和岩芯，现场封蜡包装后运抵实验室，将煤岩样加工成圆 柱型标准试件 50 mm100 mm，用磨平机将试块端面磨平，端面垂直于试件轴线，在 制备试样的过程中应尽量消除人为裂缝的产生。由于所选矿区煤块较为松软，自身存在 大量可视原始裂纹，在利用取芯机制备试样的过程中，很容易造成煤样破碎或断裂，因 此，共取得 4 个原煤试样，煤样制取过程如图 2.1 所示。 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 8 （a）取芯（b）切割 （c）打磨（d）煤样试件 图 2.1 制取煤样 对原煤试样进行单轴压缩，加载系统采用 DNS600 电子试验机，采用位移控制方式 加载，加载速率为 1mm/min，数据采集频率为 1Hz，以断裂为实验终止条件，为防止端 部效应的产生，在煤样与压头之间涂抹耦合剂，减小摩擦。 煤岩体的全应力应变曲线可以直观的反映煤岩的基本力学性质，读取其峰值强度、 弹性模量等，且可以为建立煤岩体的力学模型和本构方程提供实验凭证。将 4 个煤样的 应力应变曲线绘制如图 2.2 所示。 2 松软原煤煤质特征及力学特性 9 （a）LA1 试样应力应变曲线图（b）LA2 试样应力应变曲线图 （c）LA3 试样应力应变曲线图（d）LA4 试样应力应变曲线图 图 2.2 标准试样单轴压缩应力应变曲线图 试验煤样的几何尺寸及单轴压缩测试结果见表 2.2 所示。煤样的单轴抗压强度可由 式（2.1）计算得到 2 4 d P  （2.1） 式（2.1）中，为煤样的单轴抗压强度，MPa； P 为峰值荷载，kN； d 为试样的直径，mm。 表 2.2 中弹性模量取自全应力应变曲线应力峰值前弹性直线段的平均割线。 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 10 表表 2.2标准试样的单轴压缩测试结果标准试样的单轴压缩测试结果 试件编号直径/mm高度/mm最大荷载/kN抗压强度/MPa弹性模量/GPa LA149.6100.25.2342.7110.605 LA249.8100.37.8814.0480.612 LA349.5100.47.0263.6530.635 LA449.699.68.5094.4070.586 平均值------3.7050.609 分析表 2.2 和图 2.2，可以发现，虽然四个试样都是取自同一煤层，但其抗压强度、 弹性模量及曲线变化都不尽相同，其中 LA1、LA4 应力应变曲线几乎没有压密阶段，曲 线增长较快，煤样内部原生裂隙较少，以弹性变形为主；LA2、LA3 的曲线应力峰值前 出现多次应力下降，曲线有上下波动，说明此煤样内部构造不均匀，具有较多的原生裂 隙和孔洞，在未达到煤样最大的承载能力前，裂隙和孔洞已开始破裂、错动以及交汇； LA2、LA4 曲线在峰后一定范围内呈现出上升趋势，是由于产生了宏观裂隙，相互挤压 造成短时间内应力增大；LA1、LA2、LA3 煤样的应力应变曲线在应力峰值后都有一段 的平缓下降区，这是由于前期产生的裂纹、孔洞相互交汇、贯通，进而产生相对错动， 其抗压强度缓慢下降。综合以上数据图表，应力应变曲线的差别说明了煤岩在结构构造 上的不均匀性和非线性。 实验的四组试样抗压强度和弹性模量都较低，塑性变形较大。加载完成后的破裂煤 样，其破裂具有多个形态，但都比较松散，主要是由于煤样采自软煤层，硬度、强度都 较小，微裂隙衍生严重，在外荷载的作用下，裂纹扩展、交汇，形成宏观裂纹。 2.3 本章小结 本章主要通过收集资料分析了潞安煤矿的地质背景和主采煤层的宏观物理性质， 通 将煤岩样加工成圆柱型标准试件进行单轴压缩，获取煤样的物理力学特性。 （1）实验煤样取自山西潞安矿区某矿 3煤，宏观煤岩类型好，煤岩组分以亮煤为 主，密度为 1.46 g/ cm3，灰分含量为 3～23，平均 10～13，属中、低灰分煤层，硬 度较小，煤岩显微组分中镜质组煤反射率在 1.73～2.24之间。 （2）煤样应力应变关系曲线变化差异和数值上的不同显著说明了煤在构造结构上 的不均匀性，标准试样的峰值强度和弹性模量都较低，且破坏后煤样较为松散，可以认 为是松软煤样。 3 松软煤样破裂演化特征 11 3 松软煤样破裂演化特征 数字图像相关方法（DIC）可以测量煤岩表面细观变形，定量分析煤岩在实验前后 的形变方向、大小以及变化规律。通过研究煤岩表面的位移和应变，将细观破坏形貌特 征和裂纹扩展同损伤力学、断裂力学的相关机理联系起来，提供煤岩破裂扩展、损伤演 变的实时细观分析凭证，搭建起煤岩细观力学机理和宏观破坏机制的桥梁。 3.1 数字散斑相关方法原理 数字散斑相关方法是一种非接触式的测量试样或目标物表面全场应变的测量方法。 由图像采集系统和存储分析系统组成，如图 3.1。该系统采用计算视觉原理，通过差分 法、模式匹配等算法，匹配采集区域的数字散斑图形，计算得到全场变形信息。DIC 影 像是比对目标物即被测物体表面的灰阶特征，也可以称为斑点特征。当测量目标的表面 产生形变或位移时，其上的散斑点也随之移动。其基本过程如图 3.2 所示 图 3.1 系统组成图 西安科技大学全日制工程硕士学位论文