煤巖組合體分級(jí)循環(huán)加卸載力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)研究

朱卓慧，馮濤，宮鳳強(qiáng)，葉洲元，喻智(.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，40083；.湖南科技大學(xué) 能源與安全工程學(xué)院，湖南 湘潭，40)

煤巖組合體分級(jí)循環(huán)加卸載力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)研究

朱卓慧1,2，馮濤2，宮鳳強(qiáng)1，葉洲元2，喻智2
(1.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410083；
2.湖南科技大學(xué) 能源與安全工程學(xué)院，湖南 湘潭，411201)

使用MTS815巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)煤巖組合體進(jìn)行單軸分級(jí)循環(huán)加卸載實(shí)驗(yàn)，對(duì)煤巖組合體在分級(jí)循環(huán)加卸載實(shí)驗(yàn)條件下的力學(xué)特性進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明：在單軸分級(jí)循環(huán)加卸載實(shí)驗(yàn)條件下，煤巖組合體破壞以剪切破壞機(jī)制為主；與單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，在單軸分級(jí)循環(huán)加卸載作用下，煤巖組合體內(nèi)部微觀裂紋得到擴(kuò)展，試樣的整體強(qiáng)度降低，試樣破壞更徹底；在分級(jí)加卸載過程第1階段中，煤巖組合體單循環(huán)應(yīng)變曲線及能耗曲線呈現(xiàn)先驟然下降然后平緩下降的趨勢(shì)，初始應(yīng)力與耗散能和應(yīng)變呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。

煤巖組合體；分級(jí)循環(huán)加卸載；整體強(qiáng)度；耗散能

上保護(hù)層開采能夠使下部具有瓦斯突出危險(xiǎn)性的煤層受到采動(dòng)影響而減小突出危險(xiǎn)性，是防治煤與瓦斯突出的有效措施。上保護(hù)層開采過程中巷道掘進(jìn)、工作面開采、老頂初次來壓、周期來壓等對(duì)底板及被保護(hù)煤層產(chǎn)生反復(fù)的應(yīng)力擾動(dòng)，此時(shí)，被保護(hù)煤層與上保護(hù)層底板共同組成一種極復(fù)雜的巖石結(jié)構(gòu)，由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在不同的外部應(yīng)力作用下會(huì)產(chǎn)生不同的宏觀力學(xué)表現(xiàn)[1]。巖石在不同應(yīng)力條件下的破壞實(shí)際上是內(nèi)部微裂紋、微缺陷在荷載作用下斷裂、發(fā)展、聚合及相互作用的宏觀體現(xiàn)[2-3]。巖石宏觀力學(xué)特性的表現(xiàn)決定于內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)在不同應(yīng)力條件下的力學(xué)響應(yīng)[4]。人們對(duì)煤巖組合體進(jìn)行了研究，如：郭東明[5]等通過對(duì)4種不同傾角組合煤巖體單軸實(shí)驗(yàn)、三軸實(shí)驗(yàn)和有限元分析，得出傾角與煤巖組合體破壞強(qiáng)度、圍壓與煤巖組合體破壞強(qiáng)度、傾角與煤巖組合體黏聚力之間的關(guān)系；劉文崗[6]基于能量積聚-釋放誘發(fā)沖擊地壓的原理進(jìn)行了組合體結(jié)構(gòu)加載失穩(wěn)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)煤巖組合體在加卸載過程和破壞失穩(wěn)過程中表現(xiàn)出穩(wěn)定態(tài)能量積蓄、非穩(wěn)態(tài)釋放特性是非線性動(dòng)力學(xué)過程；劉少虹等[7-8]運(yùn)用改進(jìn)的霍普金森壓桿對(duì)動(dòng)靜載下煤巖結(jié)構(gòu)的應(yīng)力波傳播機(jī)制與能量耗散進(jìn)行了研究，分析了應(yīng)力波幅值和靜載對(duì)煤巖組合體中應(yīng)變波波形、透射系數(shù)的影響等規(guī)律。通過理論分析和非線性力學(xué)模型建立，得到了一維動(dòng)靜加載下煤巖組合系統(tǒng)的破壞判據(jù)、突跳位移和能量釋放的數(shù)學(xué)表達(dá)式，發(fā)現(xiàn)外載能量與自身固有能量之間的相互作用是導(dǎo)致模型階段性演化過程和混沌現(xiàn)象出現(xiàn)的原因；王學(xué)濱[9]運(yùn)用拉格朗日元法，對(duì)彈性巖石與彈性-應(yīng)變軟化煤體所構(gòu)成的平面應(yīng)變兩體模型破壞過程進(jìn)行了模擬，并分析了巖石高度對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線、煤體變形速率、煤體破壞模式及剪切增量分布的影響；左建平等[10]使用MTS815實(shí)驗(yàn)機(jī)和聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)單體巖石、單體煤和煤巖組合體進(jìn)行單軸實(shí)驗(yàn)下的聲發(fā)射測(cè)試，對(duì)三者的破壞機(jī)制進(jìn)行了對(duì)比；劉杰等[11]測(cè)試并研究了不同組合煤巖試樣單軸壓縮過程的破裂形式、應(yīng)力應(yīng)變特性、試樣強(qiáng)度、聲發(fā)射特性等規(guī)律，分析了巖石強(qiáng)度對(duì)煤、巖體整體失穩(wěn)的影響；牟宗龍等[12]分析了巖-煤-巖組合體受載過程中各部分的位移、加速度、剛度及能量等物理參量的演化規(guī)律，提出了以煤體峰值后剛體和巖石卸載剛度為基本參量的組合體破壞的判別條件；張澤天等[13]利用MTS815巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)巖-煤-巖、巖-煤及煤-巖3種組合方式試件進(jìn)行了單軸和三軸壓縮實(shí)驗(yàn)，對(duì)其力學(xué)特性及破壞特征進(jìn)行了研究。為分析巖石在反復(fù)應(yīng)力作用下的力學(xué)響應(yīng)，尤明慶等[14-15]對(duì)大理石、矽卡巖進(jìn)行了循環(huán)加卸載實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明循環(huán)加卸載情況下，試樣的整體強(qiáng)度得到提高；而周家文等[16]對(duì)砂巖進(jìn)行了單軸循環(huán)加卸載實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明砂巖的循環(huán)加卸載強(qiáng)度比單軸壓縮強(qiáng)度小得多；劉建鋒等[17]通過研究循環(huán)荷載作用下巖石的阻尼特性，分析出了動(dòng)彈模、阻尼比、動(dòng)載荷之間的關(guān)系；楊永杰等[18]研究了鮑店礦3煤試樣循環(huán)載荷作用下的強(qiáng)度、變形及疲勞損傷過程。由于巖石的構(gòu)造差異，不同的巖石在循環(huán)加卸載條件下具有不同的力學(xué)變化趨勢(shì)。鑒于煤巖組合體的特殊構(gòu)造，煤巖組合體在循環(huán)加卸載作用下的力學(xué)響應(yīng)更特殊。左建平等[19]對(duì)煤巖組合體進(jìn)行了不同應(yīng)力水平的循環(huán)加卸載實(shí)驗(yàn)，對(duì)煤巖組合體的強(qiáng)度、耗散能、殘余變形、彈性模量等進(jìn)行了研究。為更好地模擬開采過程中上保護(hù)層底板與被保護(hù)煤層組成的煤巖組合體受力狀態(tài)，本文作者采用原煤與砂巖組合試件進(jìn)行分級(jí)循環(huán)加卸載實(shí)驗(yàn)，對(duì)煤巖組合體在循環(huán)加卸載條件下的力學(xué)特性進(jìn)行研究。

1　煤巖組合體試件及實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)所用原煤體采自貴州盤江煤電(集團(tuán))有限公司金佳礦，埋深500 m。使用直徑為50 mm的鉆機(jī)鉆取煤巖試樣，用巖石切割機(jī)將煤巖柱切割成直徑×高為50 mm×50 mm的小圓柱，用磨平機(jī)對(duì)煤巖樣進(jìn)行研磨，保證兩端不平行度不大于0.01 mm，上下兩端偏差不大于0.02 mm。經(jīng)組合，煤巖組合體均為直徑×高為50 mm×100 mm的小圓柱，徑高比為1:2。

為減少原煤體裂隙對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，首先對(duì)煤樣波速進(jìn)行測(cè)定，從中選取波速相近的煤體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)共加工28組試件，選取其中波速相近的3組進(jìn)行單軸實(shí)驗(yàn)，4組進(jìn)行分級(jí)加卸載實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)使用湖南科技大學(xué)MTS815巖石力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)。

軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)采用力控制加載方式，采用0.02 kN/s的加載速率，直到試件破壞，對(duì)試件的單軸抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量。分級(jí)循環(huán)加卸載實(shí)驗(yàn)采用力控制方式,采用0.02 kN/s的加載速率加載至設(shè)定的初始平均力，采用組合加載方式加固定振幅(6 kN)和頻率(1 Hz)的斜波循環(huán)載荷，逐步分級(jí)提高初始平均力等級(jí)(力分級(jí)差值取1.5 kN)，加載固定振幅和頻率的斜波循環(huán)載荷直到煤巖組合體破壞。分級(jí)加卸載方案見表1，分級(jí)加卸載力曲線見圖1。

表1　分級(jí)循環(huán)加卸載實(shí)驗(yàn)方案Table 1　Multistage cyclical loading-unloading test plan

圖1　力加卸載示意圖Fig.1　Schematic of force loading-unloading test

2　煤巖組合體常規(guī)單軸實(shí)驗(yàn)

單軸實(shí)驗(yàn)測(cè)得煤巖組合體平均單軸抗壓強(qiáng)度為20.91 MPa。對(duì)砂巖實(shí)驗(yàn)進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，測(cè)得砂巖單軸抗壓強(qiáng)度如表2所示。由表2可知：砂巖試樣的破壞強(qiáng)度高于煤的破壞強(qiáng)度。在實(shí)驗(yàn)過程中，隨著荷載增加，煤體上首先出現(xiàn)微裂紋，當(dāng)達(dá)到峰值荷載時(shí)，煤體產(chǎn)生典型的單斜面剪切破壞，部分部位出現(xiàn)粉碎性破壞，局部區(qū)域有煤樣剝落。單軸荷載條件下煤巖組合體的實(shí)驗(yàn)參數(shù)及變形破壞如表3和圖2所示。

表2　單軸荷載下砂巖的基本物理力學(xué)參數(shù)Table 2　Fundamental physico-mechanical parameters of sandstone under uniaxial compression test

表3　單軸荷載下煤巖組合體的基本物理力學(xué)參數(shù)Table 3　Fundamental physico-mechanical parameters of coal-rock combination bodies under uniaxial compression tests

圖2　單軸荷載條件下煤巖組合體變形破壞圖Fig.2　Failure models of coal-rock combination bodies under uniaxial compression loading

3　煤巖組合體分級(jí)循環(huán)加卸載實(shí)驗(yàn)

為模擬采礦工程中煤巖體所受循環(huán)荷載作用，對(duì)煤巖組合體進(jìn)行單軸分級(jí)循環(huán)加卸載實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。從表4可見：在分級(jí)加卸載條件下，煤巖組合體的破壞強(qiáng)度(平均15.81 MPa)，相對(duì)單軸壓縮強(qiáng)度(平均20.91 MPa)有所降低。其主要原因是在分級(jí)加卸載過程中，內(nèi)部裂紋在長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)擾動(dòng)下不斷擴(kuò)張，進(jìn)而破壞煤巖組合體的整體性，降低其強(qiáng)度。在煤巖組合體分級(jí)加卸載實(shí)驗(yàn)中，煤巖體組合體破壞仍為單斜面剪切破壞，但煤體比單軸壓縮實(shí)驗(yàn)時(shí)更破碎，如圖3所示。從破壞機(jī)制看，分級(jí)加卸載條件下試件仍以剪切破壞機(jī)制為主，但與單軸實(shí)驗(yàn)相比，煤體更破碎，這主要是分級(jí)加卸載導(dǎo)致煤體內(nèi)部疲勞損傷所致。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：循環(huán)加卸載有助于煤巖組合體內(nèi)部微裂紋的發(fā)展，能夠降低煤巖組合體的整體強(qiáng)度。

4　煤巖組合體循環(huán)加卸載能耗分析

在上保護(hù)層開采過程中，隨著頂板周期來壓和采煤機(jī)割煤振動(dòng)的影響，煤巖組合體受循環(huán)加卸載應(yīng)力作用，本實(shí)驗(yàn)中煤巖組合體第1階段循環(huán)加卸載能模擬該情形下煤巖組合體的受力作用。提取MR-4，MR-5，MR-6和MR-7這4個(gè)試件第1階段應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖4所示。

由圖4可知：煤巖組合體同一循環(huán)中加載和卸載曲線通常不重合，應(yīng)力應(yīng)變曲線形成多樣式的滯回環(huán)。這是煤巖組合體自身材料特性及原生缺陷、結(jié)合巖石材料的黏滯性所致。當(dāng)加載和卸載曲線幾乎重合時(shí)，意味著此時(shí)煤巖組合體已經(jīng)接近完全脆性材料，隨著應(yīng)力增加，此時(shí)的煤巖組合體將破壞。

圖3　分級(jí)加卸載條件下煤巖組合體變形破壞圖Fig.3　Failure models of coal-rock combination bodies in multistage cyclical loading-unloading tests

表4　分級(jí)循環(huán)加卸載下煤巖組合體的物理力學(xué)參數(shù)Table 4　Physico-mechanical parameters of coal-rock combination bodies in multistage cyclical loading-unloading tests

由圖5可知：隨著循環(huán)加卸載次數(shù)增加，滯回環(huán)面積逐漸減小。滯回環(huán)面積代表1個(gè)循環(huán)過程中煤巖組合體能量耗散，因此，隨著循環(huán)加卸載次數(shù)增加，單個(gè)循環(huán)能量耗散減小，累計(jì)耗散增加。圖4、圖5顯示滯回環(huán)面積與初始應(yīng)力呈正相關(guān)關(guān)系，初始應(yīng)力越大的試件其能耗越大。這是由于循環(huán)加卸載過程中，較大的初始應(yīng)力能夠充分閉合試件內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，提高了單循環(huán)的能量耗散。

圖4　煤巖組合體循環(huán)加卸載第1階段應(yīng)力應(yīng)變曲線圖Fig.4　Stress-strain curves of coal-rock combination bodies at the first stage of cyclical load tests

圖5　煤巖組合體第1階段能耗曲線Fig.5　Energy dissipation curves of coal-rock combination bodies in the first cycle

5　煤巖組合體循環(huán)加卸載應(yīng)變分析

煤體和砂巖作為沉積類巖石，在長(zhǎng)期沉積環(huán)境下，礦物內(nèi)部發(fā)育有大量的節(jié)理、裂紋、孔洞等微觀結(jié)構(gòu)，同時(shí)還伴隨有水、瓦斯等物質(zhì)，這導(dǎo)致煤巖組合體在循環(huán)加卸載過程中具有明顯的非線性彈性行為和滯后特性。對(duì)4個(gè)試樣第1階段各循環(huán)軸向應(yīng)變進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可看出：伴隨循環(huán)加卸載的進(jìn)行，應(yīng)變?cè)谡麄€(gè)過程中逐漸減少；在初始階段，由于煤巖體內(nèi)部大量原生裂隙被壓實(shí)，應(yīng)變量大；隨著循環(huán)加卸載進(jìn)行，微觀結(jié)構(gòu)減少，應(yīng)變逐漸減少，并逐漸趨于穩(wěn)定。試件的應(yīng)變與初始應(yīng)力成正相關(guān)關(guān)系，這是因?yàn)檠h(huán)加卸載前期，較大的初始應(yīng)力閉合了更多的微觀結(jié)構(gòu)，造成了更大的應(yīng)變；而在同一階段循環(huán)加卸載后期，可閉合微觀結(jié)構(gòu)變少，應(yīng)變相應(yīng)減小。

圖6　煤巖組合體第1階段軸向應(yīng)變統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.6　Statistical results of strain of coal-rock combination bodies at the first stage

6　結(jié)論

1)煤巖組合體在同一循環(huán)中加載和卸載曲線通常不重合，應(yīng)力應(yīng)變曲線形成多樣式的滯回環(huán)，這主要是煤巖組合體自身材料特性、內(nèi)部原生缺陷及材料的黏滯性所致。當(dāng)加載和卸載曲線幾乎重合時(shí)，意味著此時(shí)煤巖組合體已經(jīng)接近完全脆性材料，隨著應(yīng)力增加，此時(shí)的煤巖組合體將發(fā)生剪切破壞。

2)隨著循環(huán)加卸載次數(shù)增加，滯回環(huán)面積逐漸減小。隨著循環(huán)加卸載次數(shù)增加，單個(gè)循環(huán)能量耗散減小，累計(jì)耗散能增加。此外，滯回環(huán)面積與初始應(yīng)力呈正相關(guān)關(guān)系，初始應(yīng)力越大的試件能耗越大。其原因在于在循環(huán)加卸載過程中，較大的初始應(yīng)力能夠充分閉合試件內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，提高單循環(huán)的能量耗散。

3)隨著循環(huán)次數(shù)增加，第1階段中單循環(huán)滯回環(huán)面積和應(yīng)變都呈現(xiàn)驟然下降然后逐漸緩慢下降的趨勢(shì)，表明循環(huán)初始階段煤巖組合體內(nèi)部大量微觀結(jié)構(gòu)被壓密，致使應(yīng)變急劇增加，后期微觀結(jié)構(gòu)減少變形難度增大，同時(shí)初始應(yīng)力與耗散能和應(yīng)變呈現(xiàn)正相關(guān)趨勢(shì)。

[1]BIENIAWSKI Z T.Mechanism of brittle rock fracture.Part I: theory of the fracture process[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences and Geomechanics Abstracts, 1967,4(4):395-406.

[2]EBERHARDT E.Brittle rock fracture and progressive damage inuniaxialcompression[D].Saskatoon:Universityof Saskatchewan,1998:17-22.

[3]周家文,徐衛(wèi)亞,李明衛(wèi),等.巖石應(yīng)變軟化模型在深埋隧洞數(shù)值分析中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2009,28(6): 1116-1127. ZHOU Jiawen,XU Weiya,LI Mingwei,et al.Application of rock strain softening model to numerical analysis of deep tunnel[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2009,28(6):1116-1127.

[4]JAEGER J C.Brittle fracture of rocks[C]//Proceedings of the 8th Symposium on Rock Mechanics.Baltimore:Port City Press, 1967:3-57.

[5]郭東明,左建平,張毅,等.不同傾角組合煤巖體的強(qiáng)度與破壞機(jī)制研究[J].巖土力學(xué),2011,32(5):1333-1339. GUO Dongming,ZUO Jianping,ZHANG Yi,et al.Research on strength and failure mechanism of deep coal-rock combination bodies of different inclined angles[J].Rock and Soil Mechanics, 2011,32(5):1333-1339.

[6]劉文崗.沖擊地壓災(zāi)害結(jié)構(gòu)失穩(wěn)機(jī)理的組合體實(shí)驗(yàn)研究[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào),2012,32(3):287-294. LIU Wengang.Coal-rock mass experimental study on coal bump structure instability mechanism[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology,2012,32(3):287-294.

[7]劉少虹,毛德兵,齊慶新,等.動(dòng)靜加載下組合煤巖的應(yīng)力波傳播機(jī)制與能量耗散[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(增):15-22. LIU Shaohong,MAO Debing,QI Qingxin,et al.Under static loadingstresswavepropagationmechanismandenergy dissipation in compound coal-rock[J].Journal of China Coal Society,2014,39(Suppl):15-22.

[8]劉少虹.動(dòng)靜加載下組合煤巖破壞失穩(wěn)的突變模型和混沌機(jī)制[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(2):292-300. LIUShaohong.Nonlinearcatastrophemodelandchaotic dynamic mechanism of compound coal-rock unstable failure under coupled static-dynamic loading[J].Journal of China Coal Society,2014,39(2):292-300.

[9]王學(xué)濱.煤巖兩體模型變形破壞數(shù)值模擬[J].巖土力學(xué),2006, 27(7):1066-1070. WANG Xuebin.Numerical simulation of deformation and failure for two bodies model composed of rock and coal[J].Rock and Soil Mechanics,2006,27(7):1066-1070.

[10]左建平,裴建良,劉建鋒,等.煤巖體破裂過程中聲發(fā)射行為及時(shí)空演化機(jī)制[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2011,30(8): 1564-1570. ZUO Jianping,PEI Jianliang,LIU Jianfeng,et al.Investigationon acoustic emission behavior and its time-space evolution mechanism in failure process of coal-rock combined body[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2011, 30(8):1564-1570.

[11]劉杰,王恩元,宋大釗,等.巖石強(qiáng)度對(duì)于組合試樣力學(xué)行為及聲發(fā)射特性的影響[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(4):685-691. LIU Jie,WANG Enyuan,SONG Dazhao,et al.Effects of strengthonmechanicalbehaviorandacousticemission characteristics of samples composed of coal and rock[J].Journal of China Coal Society,2014,39(4):685-691.

[12] 牟宗龍,王浩,彭蓬,等.巖-煤-巖組合體破壞特征及沖擊傾向性實(shí)驗(yàn)研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào).2013,30(6):841-847. MU Zonglong,WANG Hao,PENG Peng,et al.Experimental research on failure characteristics and bursting liability of rock-coal-rocksample[J].JournalofMining&Safety Engineering,2013,30(6):841-847.

[13]張澤天,劉建鋒,王璐,等.組合方式對(duì)煤巖組合體力學(xué)特征和破壞特征影響的實(shí)驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2012,37(10): 1677-1681. ZHANG Zetian,LIU Jianfeng,WANG Lu,et al.Effects of combinationmodeonmechanicalpropertiesandfailure characteristics of the coal-rock combinations[J].Journal of China Coal Society,2012,37(10):1677-1681.

[14] 尤明慶,蘇承東.大理巖試樣循環(huán)加載強(qiáng)化作用的實(shí)驗(yàn)研究[J].固體力學(xué)學(xué)報(bào),2008,29(1):66-72. YOUMingqing,SUChengdong.Experimentalstudyon strengthening of marble specimen in cyclic loading of uniaxial or pseudo-triaxialcompression[J].ChineseJournalofSolid Mechanics,2008,29(1):66-72.

[15]徐速超,馮夏庭,陳炳瑞.矽卡巖單軸循環(huán)加卸載實(shí)驗(yàn)及聲發(fā)射特性研究[J].巖土力學(xué),2009,30(10):2929-2934. XU Suchao,FENG Xiating,CHEN Bingrui.Experimental study of skarn under uniaxial cyclic loading and unloading test and acoustic emission characteristics[J].Rock and Soil Mechanics, 2009,30(10):2929-2934.

[16]周家文,楊興國(guó),符文熹,等.脆性巖石單軸循環(huán)加卸載實(shí)驗(yàn)及斷裂損傷力學(xué)特性研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2010, 29(6):1172-1183. ZHOU Jiawen,YANG Xingguo,FU Wenxi,et al.Experimental test and fracture damage mechanical characteristics of brittle rock under uniaxial cyclic loading and unloading conditions[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2010, 29(6):1172-1183.

[17]劉建鋒,謝和平,徐進(jìn),等.循環(huán)荷載作用下巖石阻尼特性的實(shí)驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2008,27(4):712-717. LIU Jianfeng,XIE Heping,XU Jin,et al.Experimental study of damping characteristics of rock under cyclic loading[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2008,27(4): 712-717.

[18]楊永杰,宋揚(yáng),楚俊.循環(huán)荷載作用下煤巖強(qiáng)度及變形特征實(shí)驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2007,26(1):201-205. YANG Yongjie,SONG Yang,CHU Jun.Experimental study on characteristics of strength and deformation of coal under cyclic loading[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2007,26(1):201-205.

[19]左建平,謝和平,孟冰冰,等.煤巖組合體分級(jí)加卸載特性的實(shí)驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2011,32(5):1287-1296. ZUOJianping,XIEHeping,MENGBingbing,etal. Experimentalresearchonloading-unloadingbehaviorof coal-rock combination bodies at different stress levels[J].Rock and Soil Mechanics,2011,32(5):1287-1296.

(編輯陳燦華)

Experimental research of mechanical properties on grading cycle loading-unloading behavior of coal-rock combination bodies at different stress levels

ZHU Zhuohui1,2,FENG Tao2,GONG Fengqiang1,YE Zhouyuan2,YU Zhi2
(1.School of Resources and Safety Engineering,Central South University,Changsha 410083,China;
2.School of Energy and Safety Engineering,Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411201,China)

To research the mechanical properties of coal-rock combination bodies under multistage and cyclical loading-unloading,a multistage and cyclical uniaxial loading-unloading test(consisting of repeated loading and unloading)was conducted by using the MTS815 System.The results show that the shear failure is the main failure type occurring in the coal-rock combination bodies under multistage uniaxial cyclical loads.Crack propagation in the coal-rock combination bodies under multistage cyclical loads reduces the overall strength of the samples,resulting in more severe failure than in uniaxial compression test.At the first stage of the testing,the strain curve and energy dissipation curve of the samples for a single cycle tend to drop sharply and then go into a slower decline.Moreover,the initial stress shows a positive correlation with dissipate energy and strain.

coal-rock combination body;multistage cyclical loading-unloading;overall strength;energy dissipation

馮濤，教授，博士生導(dǎo)師，從事復(fù)雜煤層開采研究；E-mail:tfeng@hnust.edu.cn

TU45

A

1672-7207(2016)07-2469-07

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.07.039

2015-07-26；

2015-09-24

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51274095，51204068)；煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放研究基金資助項(xiàng)目(13KF06)(Projects(51274095,51204068)supported by the National Natural Science Foundation of China;Project(13KF06)supported by the Open Projects of State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining,CUMT)