“双曲线”型煤样承载力学特性试验研究

煤炭地下气化结束后,两气化炉间形成类“双曲线”形煤柱,支撑覆岩,保障气化区域安全稳定。为研究类“双曲线”形煤柱承载力学特性,基于声发射监测系统和XTDIC三维全场应变测量系统,开展了不同侧向拱高(h=0,3,7,10,13,17 mm)的6组“双曲线”形煤样单轴压缩试验,分析了h对煤样峰值载荷、变形破坏及声发射特征的影响,揭示了其承载破坏机制。结果表明:①“双曲线”形煤样可分为矩形结构(主要承载体)和侧向拱结构,其承载破坏机制与其受力形式、侧向拱结构有关;随着h增大,煤样承载能力降低,与h=0煤样相比,峰值载荷分别降低了7.66%,13.56%,26.83%,35.28%,62.75%。②随着h增大,煤样整体受力形式由以受压为主向受压–受弯曲转变,中部区域产生应力集中而形成薄弱区,对应的水平位移场向中部迁移,最终汇集于中部边缘处;而垂直位移场由水平条带状向倾斜条带状转变,最终集中于煤样侧向拱结构上端。③在轴向载荷作用下,煤样侧向拱结构对其矩形结构中部区域产生等效作用力,加之煤样非均质性影响,加剧了薄弱区损伤程度,该作用随着h增大而增强,煤样承受载荷未超过其抗拉强度即产生剪切破坏,其破坏模式由拉–剪混合破坏向剪切破坏转变,均伴随着不同程度的剥落和局部弹射破坏。④煤样声发射累计计数–时间曲线演化可分为3种类型,当h为0和3 mm时,分为“上凸”式增长、相对快速增长、快速增长、“突变”式增长4个阶段,其演化特征与常规煤岩试样一致;当h为7 mm和10 mm时,分为相对快速增长、快速增长、“突变”式增长3个阶段;当h为13 mm和17 mm时,分为快速增长和“突变”式增长2个阶段;峰后阶段均呈“突变”式增长,而峰前阶段增长形式不一致是由煤样裂纹稳定扩展和中部区域持续损伤共同导致的。