深部三元煤岩复合结构双尺度变形破坏机制：煤厚与层理面的协同控制效应

《Scientific Reports》：Macro?mesoscopic mechanical response of deformation?induced disasters in deep coal?rock structures

　　

摘要

深部大断面煤岩洞室易受复合结构效应影响而发生变形失稳灾害。为揭示深部煤岩洞室围岩的变形破坏机制，本文以10 mm煤厚梯度为精细控制变量，对实验室试件与洞室围岩进行了双尺度对比研究。结合力学试验、数字图像相关（DIC）应变监测、声发射（AE）监测和数值模拟，本文阐明了双尺度下三元煤岩复合结构的应力演化规律、变形特征及破坏规律，揭示了煤厚与层理面的协同破坏机制。试验结果表明，随着煤厚增加，复合试件呈现明显的脆性向韧性转变，单轴抗压强度呈三阶段非线性衰减，破坏模式依次由岩体拉裂破坏、煤岩拉剪复合破坏、煤体X形剪切破坏演化为煤体整体多面剪切破坏。变形与声发射响应受煤厚与层理面耦合效应的控制。数值结果表明，煤层厚度与层理面的协同劣化是围岩失稳的关键诱因，随着煤层厚度增加，煤层塑性区由弱面主导扩展演变为整体塑性屈服。本文的双尺度分析阐明了实验室力学规律与工程响应之间的内在关联与差异，为深部采矿工程中的跨尺度力学解释提供了可靠的理论基础。