《Engineering Failure Analysis》：Influence of principal stress direction on fracture evolution and failure mechanism of rectangular roadway in deep coal-rock composite: Insights from true triaxial experiment and DEM investigation
编辑推荐：
•随着主应力偏转角增大，大型张拉裂缝逐渐过渡为小型剪切裂缝，侧壁上的裂缝呈现出日益不对称的分布模式。•剪切裂缝分维数的递增速率逐渐超过张拉裂缝，表明剪切裂缝扩展程度增强。•AE b值的变化幅度随主应力偏转角增大而逐渐降低，可视为由张拉破坏向剪切破坏过渡的特征信号。•剪切裂缝的
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随着主应力偏转角增大，大型张拉裂缝逐渐过渡为小型剪切裂缝，侧壁上的裂缝呈现出日益不对称的分布模式。
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剪切裂缝分维数的递增速率逐渐超过张拉裂缝，表明剪切裂缝扩展程度增强。
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AE b值的变化幅度随主应力偏转角增大而逐渐降低，可视为由张拉破坏向剪切破坏过渡的特征信号。
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剪切裂缝的主导方向与主应力方向保持一致，而张拉裂缝的主导方向则随主应力偏转角发生变化。
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随着主应力偏转角增大，剪应力增量速率显著增加。
引言
随着煤炭资源开采由浅部向深部推进，煤岩体承受的原位应力水平越来越高，且采矿扰动强度不断增强[1]，引发围岩大规模变形与破坏等严重力学响应[2]，这对深部巷道围岩稳定性构成重大威胁。深部开采不仅会在侧向煤岩中引起应力集中，还会导致上覆关键层的破裂与转动，从而改变沿空留巷过程中的主应力方向[3]。主应力方向的变化是一个渐进过程：它在开采活动的影响下产生，并在距采空区一定距离处趋于稳定[4]。在这种主应力偏转作用下，巷道围岩的主要破坏模式呈现出明显的方向性与不对称特征，主要变形与破坏区也随之发生迁移[5]、[6]。对于位于煤层中的深部巷道而言，由于煤层与其顶底板岩层之间存在岩性差异，围岩的不对称变形与破坏被进一步加剧。因此，研究主应力偏转作用下煤巷围岩的宏微观裂缝机制，对于保障巷道稳定具有重要的实际意义。
为解决深部巷道围岩破坏问题，已有大量研究针对单一岩性巷道的真三轴加载-卸载试验开展[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]，并对圆形、矩形和D形拱巷道进行了实验研究[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]，从而对真实应力条件下围岩的全过程裂缝演化形成了较为全面的认识。在真三轴加载试验中，可通过调节试样中矩形空腔中线与加载板之间的夹角，来模拟巷道围岩中主应力方向的变化[20]。研究表明，主应力方向对巷道围岩的损伤程度和裂缝扩展具有显著影响，尤其会在巷道角部诱发应力集中，进而引发裂缝的萌生与扩展[21]。此外，主应力的大小与方向均对巷道围岩的破坏模式有深远影响：随着最大主应力增大，巷道角部区域越来越多地表现出剪切破坏，而顶底板则以张拉破坏为主[22]；随着最大主应力与最小主应力之比增大，巷道周围的塑性区逐渐呈蝴蝶状分布，且该蝴蝶状塑性区内最大损伤位置随主应力偏转角增大而发生迁移[23]、[24]。尽管已有这些进展，但基于真三轴加载试验的现有研究并未考虑深部煤巷特有的结构面特性。在主应力偏转作用下，煤巷围岩的结构比单一岩性巷道更为复杂，因此有必要进一步研究其在不同主应力方向下的破坏模式与裂缝扩展。
通过物理实验直接观测试样内部裂缝发展与应力变化较为困难。基于颗粒的数值模拟已成为研究岩石破坏行为的关键手段，是揭示复杂条件下岩石裂缝与损伤机制更为有效的方法。在相关数值方法中，光滑粒子流体力学（SPH）[25]、[26]、物质点法（MPM）[27]以及离散元法（DEM）[28]、[29]已被广泛用于探索复杂条件下岩石的裂缝与损伤机制。在这些数值模拟技术中，离散元法（DEM）在模拟非均质岩石的破坏行为方面具有较高保真度和灵活性，例如二维颗粒流代码（PFC2D）可以模拟试样行为的整个过程，从而揭示内部裂缝的萌生、扩展与贯通过程[30]、[31]。已有研究利用PFC2D对拱形、矩形、软岩、硬岩以及软硬互层巷道进行了数值模拟，重点关注裂缝扩展与能量演化。然而，这些研究并未考虑主应力偏转的影响[32]、[33]、[34]、[35]，使得主应力方向变化对深部煤巷损伤与破坏的影响尚不明确。因此，进一步研究不同主应力方向下深部煤巷的损伤与破坏机制十分必要。
为填补这一研究空白，本研究建立了原位应力场与煤巷之间的应力偏转模型，并利用真三轴岩石试验系统进行三轴压缩试验，以评估不同主应力方向下的巷道破坏。采用声发射（AE）技术和微相机对加载过程中巷道围岩的损伤与破坏进行监测。此外，进一步利用离散元法（DEM）模型研究了不同主应力方向下煤巷破坏的演化过程，揭示了内部张拉-剪切裂缝的演化机制。这些成果为地下工程稳定性评估及煤巷支护系统设计提供了理论依据。
章节摘要
深部巷道主应力偏转的理论模型
在深部地下巷道工程中，工作面附近的采矿活动会扰动围岩的局部应力场，使主应力方向偏离水平与竖直方向，如图1(a)所示。这种现象在沿空留巷中尤为明显，在采面上方开采的影响下，侧向顶板会发生转动。最大主应力方向从竖直方向逐渐转向
AE参数与应力演化过程
加载过程中的AE事件数量被用作衡量岩石破坏程度的指标。通过分析试验全过程中记录的AE参数，阐明了不同主应力偏转角下巷道围岩的裂缝发育机制。图5展示了受不同主应力
参数标定与模型建立
在物理实验中，虽然确定了整个试样内微裂缝的分布水平，但试样中裂缝贯入与破坏的具体演化过程仍不清楚。PFC2D数值模拟的二维平面模型能够清晰捕捉裂缝扩展路径与破坏模式，从而避免三维模型中可能产生的复杂空间机制干扰[48]。因此，建立与
能量分布特征及其对不对称破坏的启示
在岩石破裂过程中，微裂缝萌生阶段释放的能量相对较低，而在裂缝贯通、扩展及宏观剪切滑移阶段则显著增加。因此，AE能量的时空分布可以定性反映裂缝扩展的规模与演化阶段：能量密集且数值较高的区域通常对应于裂缝网络密集发育的区域，以及
结论
基于所建立的应力偏转模型，采用集成AE监测系统的真三轴加载系统，研究了初始应力与采动应力共同作用下矩形开口煤岩组合体的破坏模式。本研究重点关注应力偏转角的影响，表征了试样在不同偏转角下的力学行为，并通过AE系统对内部裂缝的演化进行了监测，
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CRediT作者贡献声明
Guo Yijun：撰写——初稿。Chang Jucai：资源获取、方法、调查研究、资金获取。Luo Feng：撰写——审阅与编辑、方法。Qiao Longquan：撰写——审阅与编辑、调查研究。Diao Yanglong：软件。Gao Shuai：验证。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本研究获得国家自然科学基金（编号：52574098、52474129）、优秀科研与创新团队（2023AH010023）、河北省自然科学基金（E2025402094、E2023402120）资助。作者还感谢编辑与匿名审稿人提供的宝贵建议。
Guo Yijun|Chang Jucai|Luo Feng|Qiao Longquan|Diao Yanglong|Gao Shuai
