岩土力学 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (S1): 387-398.doi: 10.16285/j.rsm.2021.0797

• 基础理论与实验研究 • 上一篇    下一篇

单侧限压缩煤岩组合体的破裂机制研究

彭阳1，高永涛1，王文林2，甫尔卡特1，温建敏1，周喻1   

  1. 1. 北京科技大学 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083；2. 陕西华彬煤业股份有限公司，陕西 咸阳 713500
  • 收稿日期:2021-05-28 接受日期:2021-10-09 出版日期:2023-11-16 发布日期:2023-11-19
  • 通讯作者: 周喻，男，1985年生，博士，副教授，主要从事矿山岩石力学及数值计算方面的教学与研究工作。E-mail：westboy85@sina.com E-mail:273529078@qq.com
  • 作者简介:彭阳，男，1996年生，博士研究生，主要从事矿山岩石力学方向的研究。
  • 基金资助:
    国家自然科学基金青年基金项目（No.51504016）；中央高校基本科研业务费专项资金（No.FRF-IDRY-20-024）

Fracture mechanism of coal-rock combination under unilateral confinement compression

PENG Yang1, GAO Yong-tao1, WANG Wen-lin2, FUER Kate1, WEN Jian-min1, ZHOU Yu1   

  1. 1. Key Laboratory of Ministry of Education for Efficient Mining and Safety of Metal Mine, University of Science & Technology Beijing, Beijing 100083, China; 2. Shaanxi Huabin Coal Industry Co., Ltd., Xianyang, Shaanxi 713500, China
  • Received:2021-05-28 Accepted:2021-10-09 Online:2023-11-16 Published:2023-11-19
  • Supported by:
    This work was supported by the Young Scholars of National Natural Science Foundation of China (51504016) and the Fundamental Research Funds for the Central Universities (FRF-IDRY-20-024).

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摘要： 对深部煤层与周围岩体组成煤−岩系统的研究已成为深部开采的热门研究方向之一。借助L型模具开展岩−煤−岩组合体单侧限压缩试验，结合数字图像相关（digital image correlation，DIC）技术及颗粒流PFC2D的计算数据分析单侧限压缩煤-岩组合体的试验强度、破坏特征及裂纹分布等规律。研究表明：（1）单侧限压缩煤岩组合体的主应变集中区域均处于试样煤层的临空侧。（2）单侧限压缩下两端岩层对煤层的共同约束随着煤层高宽比增大而减小，试样破坏由煤层临空面中部逐渐转移到煤层的端部。（3）单侧限压缩下组合体岩煤岩比例为1∶1∶1和1∶2∶1时，计算模型的破坏形态在煤层中部呈<状破裂，表现在临空面一侧。岩煤岩比例为1∶4∶1时，宏观破坏逐渐转移到煤层中上部，渐渐演变为剪切破坏。（4）计算模型微观裂纹主要位于临空面一侧，表现为张拉型裂纹，模型内部的张拉型裂纹数目是剪切型裂纹的4.5倍左右。

关键词: 组合岩体, 单侧限压缩, 数字图像相关技术, 颗粒流程序, 破裂机制

Abstract: The research of the coal-rock system composed of deep coal seams and surrounding rock masses has become one of the popular research directions in deep mining. In this study, the L-shaped mold is used to carry out the unilateral confinement compression test on the rock-coal-rock combination, and the digital image correlation technology (DIC) and the particle flow PFC2D are used to analyze the test strength, failure characteristics and crack distribution of the coal-rock combination. (1) The main strain areas of coal-rock combination are all concentrated on the free side of the sample coal seam. (2) Under unilateral confinement, the joint restriction of the two rock layers on the coal seam decreases as the height-to-width ratio of the coal seam increases. The damage of the sample is gradually transferred from the middle of the coal seam to the end of the coal seam. (3) When the ratio of coal-rock combination is 1:1:1 and 1:2:1, the failure mode of the calculation model shows a <-shaped fracture, which appears on the free side in the middle of the coal seam. When the rock-to-rock ratio is 1:4:1, the macroscopic damage gradually shifts to the middle and upper part of the coal seam, and evolves into shear failure. (4) The microscopic cracks of the calculation model are mainly located on the free side, which appear as tensile cracks. The number of the tensile cracks inside the model are about 4.5 times that of the shear cracks.

Key words: coal-rock combination, unilateral confinement compression, digital image correlation technology, particle flow code, fracture mechanism

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