構(gòu)造煤組合體單軸加載下裂隙演化及分形規(guī)律

趙鵬翔 劉云川 韓霜瑩 劉妍群 劉瑩瑩 曹聰穎 王玉龍

摘 要：為研究不同占比的構(gòu)造煤-原生質(zhì)煤組合體壓裂后的裂隙演化規(guī)律及分形特征，運(yùn)用單軸加載試驗(yàn)手段，得到了5種不同占比構(gòu)造煤組合體的裂隙長(zhǎng)度、角度及分形維數(shù)演化規(guī)律。結(jié)果表明，隨構(gòu)造煤占比的增大，組合體抗壓強(qiáng)度、彈性模量均呈減小的趨勢(shì)，而峰值應(yīng)力應(yīng)變呈增大的趨勢(shì)，組合體整體特性向構(gòu)造煤的脆性特性靠近，破壞形式從剪切破壞逐漸過渡到拉伸破壞。隨構(gòu)造煤占比的增大，主裂隙擴(kuò)展時(shí)間占比由14%增大至59%，主裂隙平均擴(kuò)展速率由0.76 mm/s增長(zhǎng)至2.34 mm/s，主裂隙角度平均變化速率由3.07°/s減小至0.70°/s，煤體交界處的主裂隙角度和主裂隙角度平均變化速率均逐漸減小。隨著不斷的加載，組合體分形維數(shù)逐漸增大，各峰值應(yīng)力處分形維數(shù)普遍分布在0.99～1.31。隨著主裂隙角度的變化，全原生質(zhì)煤試件主裂隙不同角度的分形維數(shù)逐漸減小，全構(gòu)造煤試件主裂隙不同角度的分形維數(shù)逐漸增大，其他占比的構(gòu)造煤組合體不同角度的主裂隙分形維數(shù)均先增加后減少，且其變化均發(fā)生在各自的煤體交界處。揭示了不同占比的構(gòu)造煤組合體在加載過程中的裂隙擴(kuò)展與角度的有關(guān)變化規(guī)律，為煤礦安全開采提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：構(gòu)造煤組合體；單軸加載試驗(yàn)；裂隙演化；主裂隙發(fā)育角度；分形特征

中圖分類號(hào)：TD 712

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：

A

文章編號(hào)：1672-9315（2023）06-1035

-10

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2023.0601開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Fracture evolution and fractal law of tectonic coal

combinations under uniaxial loading

ZHAO Pengxiang1，2，3，LIU Yunchuan1，HAN Shuangying1，LIU Yanqun1，

LIU Yingying1，CAO Congying1，WANG Yulong1

（1.College of Safety Science and Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China；

2.Key Laboratory of Western Mine Exploitation and Hazard Prevention，Ministry of Education，

Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China；

3.Western Engineering Research Center of Mine Gas Intelligent Drainage for Coal Industry，Xian 710054，China）

Abstract：In order to study the crack evolution law and fractal characteristics of the combinations of

different tectonic coal-protoplasmic coal proportions after fracturing，the evolution law of crack length，angle and fractal dimension of five different proportions of tectonic coal combinations were obtained by uniaxial loading experiment.The results show that with the increase of the proportion of tectonic coal，the compressive strength and elastic modulus of the combination show a decreasing trend，while the peak stress-strain show an increasing trend.The overall characteristics of the combined body are close to the brittle characteristics of the structural coal，and the failure mode gradually changes from shear failure to tensile failure.The proportion of the main crack growth time gradually increases from 14% to 59%，the average expansion rate of main fracture increases from 0.76 mm/s to 2.34 mm/s，and the average change rate of the main crack angle gradually decreases from 3.07°/s to 0.70°/s，the change rate of main crack angle and average main crack angle at the junction of coal body both decrease gradually.With constant loading，the fractal dimension values of tectonic coal combination increase gradually，and the peak stress disposition dimension is generally distributed in the range of 0.99～1.31.With the change of the main crack angle，the fractal dimension of the main crack angle of the whole protoplasmic coal specimen at different angles decreases gradually，and the fractal dimension of the main crack angle of the whole tectonic coal specimen at different angles increases gradually.The fractal dimension values of the main fractures at different angles of the tectonic coal combination with other proportions increases first and then decreases，and the changes occur at the junction of their respective coal bodies.In this paper，the law of crack expansion and angle change of tectonic coal combinations with different proportions during loading are revealed，which provides a theoretical basis for the safe mining of coal mine.

Key words：tectonic coal combination；uniaxial loading experiment；crack evolution；main crack angle；fractal feature

0 引 言煤炭是保障中國(guó)能源安全的“壓艙石”和“穩(wěn)定器”，2022年我國(guó)煤炭占能源消費(fèi)總量的56.2%，煤炭需求量大［1-2］。由于煤炭開采時(shí)的地應(yīng)力會(huì)使得煤巖中的天然裂隙成為應(yīng)力集中-釋放區(qū)域，導(dǎo)致煤巖穩(wěn)定性降低，影響滲透特性，不利于煤層氣開采，甚至?xí)l(fā)突水、瓦斯突出、頂板垮塌等安全問題［3-6］。因此，研究煤巖體裂隙演化及失穩(wěn)破壞特征十分有必要。眾多專家學(xué)者對(duì)煤巖組合體力學(xué)特性及裂紋演化等課題進(jìn)行了研究。ZHAO等通過物理模擬試驗(yàn)并結(jié)合數(shù)值模擬方法研究了不同強(qiáng)度煤巖組合體在單軸壓縮下破壞特征，發(fā)現(xiàn)弱膠結(jié)軟巖體和煤體呈現(xiàn)拉剪破壞［7-9］;趙鵬翔等通過不同煤厚試件單軸壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了隨煤厚占比增加，煤巖體的破壞模式由剪切破壞逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槔炱茐模?0］；LIU等通過不同類型的煤巖組合體壓縮試驗(yàn)，研究了巖石強(qiáng)度、界面傾角等因素對(duì)煤巖組合體破壞形式及特征的影響，發(fā)現(xiàn)不同巖石強(qiáng)度的組合體破壞形式主要為剪切破壞，不同傾角組合體的破壞形式為剪切破壞、滑移破壞［11］;ZHAO等通過類巖試件的5種加載速率單軸壓縮試驗(yàn)，結(jié)合二值化成像處理，發(fā)現(xiàn)了隨著加載速率的增大，類巖試件的峰值抗拉強(qiáng)度和峰值抗壓強(qiáng)度均增大，并隨著加載速率的增加，裂紋擴(kuò)展的平均速率呈指數(shù)增長(zhǎng)［12］；左建平等研究發(fā)現(xiàn)煤巖組合體隨著應(yīng)力的不斷增大首先發(fā)生破裂的位置出現(xiàn)在煤體處［13］；趙洪寶等開展了不同應(yīng)變率下的復(fù)合巖體動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其發(fā)生破壞的密集區(qū)域主要位于煤體處，且煤體處裂隙在界面效應(yīng)的影響下逐步擴(kuò)展至巖體側(cè)［14］；UNTEREGGER等開展了三軸加載不同類型條件下的巖石壓縮試驗(yàn)，并構(gòu)建了與巖石類型有關(guān)的三軸非線性力學(xué)模型［15］；李地元等通過單軸壓縮試驗(yàn)及數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，預(yù)制裂隙試件破壞方式以拉伸破壞為主，試件裂隙首先出現(xiàn)在預(yù)制裂隙尖端處［16］；朱譚譚等研究發(fā)現(xiàn)組合型缺陷砂巖預(yù)制裂隙傾角對(duì)巖體起裂形式有顯著影響［17］；LI等通過對(duì)具有不同角度裂紋的煤樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)裂紋的存在降低了煤的力學(xué)性能［18］。構(gòu)造煤體的物理力學(xué)特性和破壞行為相比較普通煤巖體有所不同，因此，張軍偉等研究了構(gòu)造煤體在不同卸荷速率下的煤體變形特征和力學(xué)特性［19］；高魁、盧守青等對(duì)比研究了原生煤體和構(gòu)造煤體在力學(xué)特性方面的差別，發(fā)現(xiàn)原生煤體的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于構(gòu)造煤體，且相同應(yīng)力下，瓦斯壓力越大，煤體抗壓強(qiáng)度越小［20-21］；馮康武研究了單軸加載不同構(gòu)造煤分層條件下的煤體力學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)隨著構(gòu)造煤分層厚度的增加，煤體的單軸抗壓強(qiáng)度逐步減?。?2］。當(dāng)前煤巖組合體裂隙發(fā)育規(guī)律研究與試件分層厚度占比、預(yù)制裂隙及試驗(yàn)加載速率形式等具有一定關(guān)聯(lián)，但加載過程煤巖裂隙及其角度演化規(guī)律的相關(guān)研究以及構(gòu)造煤與原生煤的組合體裂隙演化研究還不夠深入。因此，制作不同分層占比的構(gòu)造煤與原煤的組合體并開展單軸加載過程的角度變化及其對(duì)裂隙發(fā)育影響程度的研究，對(duì)開采含構(gòu)造煤煤層具有一定的指導(dǎo)意義。

1 試件制取

1.1 原料選取及制備工藝型煤與原煤的力學(xué)規(guī)律具有一定相似性，可通過研究型煤來反映原煤的力學(xué)規(guī)律［23］。試驗(yàn)煤樣來自山西晉中某高瓦斯礦井的主采工作面。原生質(zhì)煤、構(gòu)造煤制作的骨料以各自現(xiàn)場(chǎng)采集煤樣為主，膠結(jié)劑選用腐殖酸鈉、石膏，材料選取如圖1所示。

將現(xiàn)場(chǎng)采集煤樣通過巖石粉碎機(jī)研磨制作成不同粒徑的煤粉，通過不同孔徑的標(biāo)準(zhǔn)篩（3，1 mm）對(duì)煤粉進(jìn)行篩分［24］。原生質(zhì)煤試件和構(gòu)造煤試件的煤粉粒徑分布為0～1 mm∶1～3 mm=0.76∶0.24，成型水分均選用固定比例10%。試件制備系統(tǒng)由高頻沖擊儀、脫模裝置和恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱組成，流程如圖2所示。各設(shè)備參數(shù)設(shè)置如下：高頻沖擊儀設(shè)置成型壓力20MPa，穩(wěn)壓時(shí)間15 min，試件恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱設(shè)置恒定溫度25 ℃、濕度65%。制備工藝過程如下。

1）準(zhǔn)備原料。按照表1、2中的配比號(hào)進(jìn)行的煤粉、腐殖酸鈉、石膏及水等原材料準(zhǔn)備。

2）攪拌材料。將已準(zhǔn)備好的材料放入容器并充分?jǐn)嚢琛?/p>

3）試件制備。將攪拌充分的原料定量稱取并進(jìn)行裝填-壓制。

4）脫模。將高頻沖擊儀壓制結(jié)束的模具放至脫模裝置上進(jìn)行自動(dòng)脫模。

5）編號(hào)。試件編號(hào)為對(duì)應(yīng)的試件配比號(hào)。

6）養(yǎng)護(hù)。為防止試件表面干裂，將制備好的試件統(tǒng)一放入恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱，設(shè)定好參數(shù)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，試件養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，將試件從養(yǎng)護(hù)箱取出進(jìn)行自然風(fēng)干，待其質(zhì)量不再減少方可進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2 原生質(zhì)煤、構(gòu)造煤試件物理力學(xué)特性測(cè)試原生質(zhì)煤（Primary coal）和構(gòu)造煤（Tectonic coal）試件配比號(hào)分別為P-腐殖酸鈉含量、T石膏含量-腐殖酸鈉含量，對(duì)不同配比的試件依次進(jìn)行重量、尺寸、縱波波速測(cè)試以及單軸力學(xué)試驗(yàn)，其物理力學(xué)特性測(cè)試結(jié)果見表1、表2。

構(gòu)造煤、原生質(zhì)煤各配比對(duì)應(yīng)的試件抗壓強(qiáng)度變化范圍分別在0.5～1.1 MPa、1.6～2.5 MPa。試件的抗壓強(qiáng)度隨著石膏、腐殖酸鈉含量

增加均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。構(gòu)造煤、原生質(zhì)煤各配比對(duì)應(yīng)試件的縱波波速變化范圍在0.396～0.713 km/s、1.112～1.298 km/s?；谏鲜鲈囼?yàn)結(jié)果，不同配比所制作的試件之間有明顯的差異性，并且同一配比所制作的試件具有較好的同一性［25］，為后續(xù)構(gòu)造煤組合體制備提供了基礎(chǔ)。

1.3 構(gòu)造煤組合體試件制備基于現(xiàn)場(chǎng)煤樣力學(xué)特征，并結(jié)合1.2中不同配

比構(gòu)造煤、原生質(zhì)煤試件的力學(xué)測(cè)試結(jié)果，挑選P20、T5-25進(jìn)行組合體配比，試驗(yàn)設(shè)置5組構(gòu)造煤占比水平（0%、25%、50%、75%、100%），見表3。每組3個(gè)試件，試件尺寸為50 mm×100 mm，

共15個(gè)，其中制備完成的煤體采用熱塑管進(jìn)行粘合［26］。

2

組合體單軸加載破裂下裂隙擴(kuò)展規(guī)律

2.1

組合體加載破裂條件下裂隙演化特征

單軸壓縮試驗(yàn)采用位移控制加載，加載速率為0.05 mm/s。根據(jù)攝像記錄的不同構(gòu)造煤占比組合體加載破裂過程中裂隙產(chǎn)生、發(fā)育及擴(kuò)展規(guī)律。其裂隙演化特征可分為2種不同類型：全構(gòu)造煤、全原生質(zhì)煤試件分為內(nèi)部裂隙壓密、非裂隙產(chǎn)生、裂隙產(chǎn)生發(fā)展及破壞階段；構(gòu)造煤組合體試件分為內(nèi)部孔隙壓密、非裂隙產(chǎn)生、裂隙擴(kuò)展貫通及破壞階段［27］。構(gòu)造煤分層占比為0%、25%、50%、75%及100%的組合體試件加載破裂過程應(yīng)力-應(yīng)變-裂隙演化特征，如圖3（a）～（e）所示。

如圖3（a）所示，當(dāng)軸向應(yīng)力加載至0.97σc，煤體底部首先出現(xiàn)裂隙，同時(shí)在煤體表面快速擴(kuò)展；當(dāng)加載至0.99σc，宏觀裂隙迅速貫通；直到最

大承載應(yīng)力σc時(shí)煤體失去承載能力，形成剪切破

壞形式；隨后煤體表面大量煤塊脫落，進(jìn)入破壞階段。

如圖3（b）所示，當(dāng)軸向應(yīng)力加載至0.94σc時(shí)，裂隙同時(shí)出現(xiàn)在原生質(zhì)煤體與構(gòu)造煤體交界面位置；當(dāng)加載至0.97σc時(shí)，試件構(gòu)造煤體表面部分煤層脫落，原生質(zhì)煤體裂隙寬度增加；當(dāng)加載至σc時(shí)，原生質(zhì)煤體表面煤層開始脫落，構(gòu)造煤體部分內(nèi)部粉化嚴(yán)重，有粉末產(chǎn)生；隨后進(jìn)入破壞階段，煤體最終形態(tài)主要為拉伸破壞。如圖3（c）所示，當(dāng)軸向應(yīng)力加載至0.89σc時(shí)，裂隙首先出現(xiàn)在構(gòu)造煤體底部，當(dāng)加載至0.93σc時(shí)，裂隙快速自下而上發(fā)育擴(kuò)展；當(dāng)加載至0.97σc時(shí)，試件構(gòu)造煤體表面裂隙寬度增加，且有部分裂隙發(fā)育至原生質(zhì)煤體部分；當(dāng)達(dá)到σc時(shí)，試件內(nèi)外裂隙貫通，構(gòu)造煤體部分大量碎煤塊脫落，內(nèi)部粉化現(xiàn)象嚴(yán)重，原生質(zhì)煤體只有少量煤塊沿裂隙方向脫落；隨后進(jìn)入破壞階段，煤體最終形態(tài)形成典型的拉伸剪切復(fù)合型破壞形式。如圖3（d）所示，當(dāng)軸向應(yīng)力加載至0.94σc時(shí)，裂隙首先出現(xiàn)在構(gòu)造煤體底部；當(dāng)加載至0.96σc時(shí)，底部裂隙自下而上快速擴(kuò)展。當(dāng)加載至0.99σc時(shí)，構(gòu)造煤體底部裂隙擴(kuò)展高度達(dá)到最大，但并沒有發(fā)育到原生質(zhì)煤體，分析其原因?yàn)闃?gòu)造煤強(qiáng)度小于原生質(zhì)煤且占比較大，試件力學(xué)特性主要受構(gòu)造煤所影響；之后加載至σc，煤體失去承載力，進(jìn)入破壞階段，構(gòu)造煤分層占比75%試件表面煤體有大量脫落，粉化現(xiàn)象減弱。如圖3（e）所示，當(dāng)軸向應(yīng)力加載至0.58σc時(shí)，煤體表面上部開始出現(xiàn)裂隙；當(dāng)加載至0.99σc時(shí)，煤體裂隙大范圍貫通，直至達(dá)到σc時(shí)煤體失去承載能力，形成典型的拉伸破壞形式，且裂隙貫徹整個(gè)試件；隨后進(jìn)入破壞階段，煤體表面大量煤塊脫落，內(nèi)部粉化嚴(yán)重。

2.2

構(gòu)造煤組合體抗壓強(qiáng)度、彈性模量及峰值應(yīng)變變化特征分析

構(gòu)造煤組合體抗壓強(qiáng)度、彈性模量及峰值應(yīng)力應(yīng)變隨構(gòu)造煤厚占比的變化規(guī)律如圖4所示。隨著構(gòu)造煤厚占比增加，構(gòu)造煤組合體抗壓強(qiáng)度、彈性模量均呈現(xiàn)減小的變化趨勢(shì)，其中抗壓強(qiáng)度平均降幅為0.375 MPa，分析其原因?yàn)樵嚰W(xué)參數(shù)主要受構(gòu)造煤影響；并且兩者之間存在良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系；峰值應(yīng)變隨構(gòu)造煤厚占比增加呈增大的變化趨勢(shì)，變化范圍在3.25%～4.14%，但兩者之間并沒有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。構(gòu)造煤組合體抗壓強(qiáng)度、彈性模量在構(gòu)造煤厚占比25%時(shí)變化幅度最為顯著，分析其主要原因?yàn)椴煌谌|(zhì)煤試件，構(gòu)造煤組合體在加載破裂后并沒有瞬間失去承載能力，而是存在一個(gè)峰后軟化階段，并在構(gòu)造煤厚占比25%時(shí)十分明顯。

2.3 主裂隙擴(kuò)展特征

2.3.1 主裂隙擴(kuò)展長(zhǎng)度單軸壓縮下5種占比構(gòu)造煤組合體峰值應(yīng)力時(shí)的主裂隙形態(tài)如圖5所示。

由圖5可知，在組合體中，構(gòu)造煤體的主裂隙傾角更大，且起裂位置首先出現(xiàn)在構(gòu)造煤體中，然后向上發(fā)育擴(kuò)展并貫穿整體試件（圖5（e））或只造成部分煤體破壞（圖5（d））。測(cè)量、統(tǒng)計(jì)圖5中5種構(gòu)造煤占比組合體的主裂隙長(zhǎng)度，如圖6所示。當(dāng)占比為100%時(shí)，試件裂隙最長(zhǎng)，原因?yàn)闃?gòu)造煤的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)小

于原生質(zhì)煤抗壓強(qiáng)度；在組合煤體試件中，構(gòu)造煤占比為25%的試件主裂隙最長(zhǎng)，占比為75%的試件主裂隙最短。隨著組合體構(gòu)造煤占比的增大，主裂隙長(zhǎng)度出現(xiàn)先增大再減小最后增大的明顯變化。分析25%占比組合體主裂隙長(zhǎng)度增大的原因?yàn)樵嚰w力學(xué)性質(zhì)傾向于原生質(zhì)煤的力學(xué)性質(zhì)，構(gòu)造煤部分破壞后試件未達(dá)到失穩(wěn)狀態(tài)裂隙繼續(xù)向上擴(kuò)散；50%和75%占比的構(gòu)造煤組合體主裂隙長(zhǎng)度減小的原因?yàn)?0%占比試件的整體性質(zhì)受構(gòu)造煤影響增大，但還要受到原生質(zhì)煤部分的影響，裂隙在原生質(zhì)煤部分?jǐn)U散時(shí)試件才達(dá)到失穩(wěn)狀態(tài)。75%占比的試件主裂隙最短的原因?yàn)闃?gòu)造煤占比較大，裂隙擴(kuò)散至原生質(zhì)煤體前試件的構(gòu)造煤部分已完全貫穿造成試件整體失穩(wěn)，裂隙難以擴(kuò)散至原生質(zhì)煤體。

2.3.2 主裂隙擴(kuò)展時(shí)間及平均速率特征定義單軸壓縮過程中主裂隙未出現(xiàn)時(shí)間為t0，裂隙擴(kuò)展直至組合體破壞時(shí)間為t1，單軸壓縮總時(shí)間為ta。定義T0為未出現(xiàn)裂隙時(shí)間與單軸壓縮總時(shí)間之比；T1為裂隙擴(kuò)展時(shí)間與單軸壓縮總時(shí)間之比。兩者可以在一定程度上反映出示裂隙擴(kuò)展時(shí)間的快慢，計(jì)算公式如下

T0=t0ta

（1）

T1=t1ta

（2）計(jì)算得到不同占比構(gòu)造煤組合體裂隙擴(kuò)展時(shí)間占比關(guān)系圖，如圖7所示。由圖7可知，隨著構(gòu)造煤占比的增大，構(gòu)造煤組合體整體的破壞向構(gòu)造煤的脆性破壞特性靠近，主裂隙擴(kuò)展時(shí)間占比由14%逐漸增大至59%。

1）

主裂隙平均擴(kuò)展速率特征。分別計(jì)算出5

種構(gòu)造煤組合體的主裂隙平均擴(kuò)展速率，如圖8所示。

由圖8可知，0%、25%、50%、75%和100%占比構(gòu)造煤組合體主裂隙平均擴(kuò)展速率分別為0.76，0.73，1.09，1.65和2.34 mm/s，呈逐漸減小趨勢(shì)。而25%構(gòu)造煤組合體裂隙發(fā)育速率最慢，分析其原因?yàn)橄噍^于其他組合體，組合體構(gòu)造煤占比較小，裂隙先在構(gòu)造煤部分快速擴(kuò)展，裂隙角度發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)，未能垂直進(jìn)入原生質(zhì)煤部分（圖5），裂隙擴(kuò)展至原煤部分所需時(shí)間更長(zhǎng)。2）主裂隙擴(kuò)展角度特征。通過捕捉圖6的不同構(gòu)造煤占比組合體主裂隙擴(kuò)展角度，以垂直于煤體軸向?yàn)樗矫?，得到其主裂隙擴(kuò)展角度變化次數(shù)曲線，如圖9所示。

由圖9可知，全構(gòu)造煤試件的主裂隙擴(kuò)展角度變化最頻繁，變化數(shù)值最穩(wěn)定。25%占比構(gòu)造煤組合體次之。全原生質(zhì)煤試件初始變化角度值最大，而全原生質(zhì)煤試件初始變化角度最大。50%占比構(gòu)造煤組合體主裂隙擴(kuò)展角度變化幅度最大。構(gòu)造煤組合體中，隨著構(gòu)造煤占比的增加，角度值逐漸穩(wěn)定，且原生質(zhì)煤體和構(gòu)造煤體交界處主裂隙角逐漸減小。對(duì)角度變化數(shù)值進(jìn)行平均化處理，如圖10所示。由圖10可知，隨著構(gòu)造煤占比的增加，主裂隙角度平均變化速率由3.07°/s逐漸減小至0.70°/s。

3 構(gòu)造煤組合體加載破裂分形特征

3.1 構(gòu)造煤組合體裂隙演化分形維數(shù)計(jì)算采用計(jì)盒維數(shù)法對(duì)構(gòu)造煤組合體不同加載階段裂隙網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)的分形維數(shù)進(jìn)行計(jì)算［28］。其中采用實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的“計(jì)盒-關(guān)聯(lián)”分形維數(shù)一體化綜合分析軟件對(duì)已拍攝圖片進(jìn)行二值化處理，計(jì)算步驟如圖11所示。通過上述步驟得出不同構(gòu)造煤占比組合體試件各加載階段的二值化處理結(jié)果，如圖12所示。

3.2

構(gòu)造煤組合體加載過程表面裂隙分形特征分析

3.2.1

構(gòu)造煤組合體各加載階段表面裂隙分形特征

根據(jù)不同構(gòu)造煤占比組合體加載破裂表面裂隙網(wǎng)絡(luò)演化特征，分析構(gòu)造煤組合體表面裂隙網(wǎng)絡(luò)發(fā)育程度。不同占比構(gòu)造煤組合體各峰值應(yīng)力附近對(duì)應(yīng)的表面裂隙網(wǎng)絡(luò)分形維數(shù)見表4。

構(gòu)造煤組合體隨著加載應(yīng)力的不斷增大，分形維數(shù)逐漸增大，分析其原因?yàn)闃?gòu)造煤組合體表面裂隙隨加載應(yīng)力的不斷增大發(fā)育度不斷提高；并且構(gòu)造煤組合體各加載終段分形維數(shù)普遍分布在1.17～1.31，基于構(gòu)造煤組合體分形維數(shù)變化特征得到構(gòu)造煤占比越大，分形維數(shù)均值越大，分析其原因?yàn)闃?gòu)造煤占比越大的試件破裂現(xiàn)象越明顯，裂隙發(fā)育自由度越高。

隨著構(gòu)造煤占比的增加，組合體峰值應(yīng)力時(shí)的分形維數(shù)呈增加趨勢(shì)。

3.2.2

構(gòu)造煤組合體破裂過程主裂隙不同角度分形特征

隨著載荷加載，主裂隙自下而上進(jìn)行擴(kuò)展，裂隙角度發(fā)生變化。對(duì)不同占比構(gòu)造煤組合體的主裂隙隨角度變化的主裂隙進(jìn)行切片并分維處理，得到如圖13所示。

由圖13可知，隨著載荷加載，全原生質(zhì)煤試件不同角度變化下的主裂隙分形維數(shù)逐漸減小，全構(gòu)造煤試件不同角度變化下的主裂隙分形維數(shù)逐漸增大。隨著主裂隙角度發(fā)生變化，25%、50%、75%占比的構(gòu)造煤組合體不同角度下的主裂隙分形維數(shù)均先增加后減小，且均在構(gòu)造煤體和原生質(zhì)煤體交界處發(fā)生變化。分析其原因?yàn)榕c原生質(zhì)煤相比全構(gòu)造煤的硬度較小，裂隙在其中發(fā)育更為容易，裂隙角度不易變化。

4 結(jié) 論1）隨構(gòu)造煤占比增大，構(gòu)造煤組合體試件主要呈現(xiàn)3種破壞模式：全原生質(zhì)煤試件破壞以剪切破壞為主；全構(gòu)造煤試件以拉伸破壞為主并產(chǎn)生粉化現(xiàn)象；組合體試件中的原生質(zhì)煤部分以拉伸破壞為主，構(gòu)造煤部分以拉伸剪切復(fù)合型破壞為主。隨構(gòu)造煤占比增加，組合體抗壓強(qiáng)度、彈性模量均呈減小的變化趨勢(shì)，峰值應(yīng)變呈增大趨勢(shì)。

2）隨著構(gòu)造煤占比的增大，構(gòu)造煤組合體整體的破壞向構(gòu)造煤的脆性破壞特性靠近，主裂隙擴(kuò)展時(shí)間占比由14%逐漸增大至59%，主裂隙平均擴(kuò)展速率由0.76 mm/s增加至2.34 mm/s，主裂隙角度平均變化速率由3.07°/s逐漸減小至0.70°/s。隨著構(gòu)造煤占比的增加，組合體復(fù)合煤體交接部位的主裂隙角度和主裂隙角度平均變化速率逐漸減小。

3）構(gòu)造煤組合體試件隨著載荷應(yīng)力的不斷增大，分維值逐漸增大，且近峰值應(yīng)力試件分形維數(shù)值普遍分布在0.99～1.31。并隨著主裂隙擴(kuò)展角度發(fā)生變化，全原生質(zhì)煤試件角度變化下的主裂隙分形維數(shù)逐漸減小，全構(gòu)造煤試件角度變化下的主裂隙分形維數(shù)逐漸增大，而25%、50%、75%占比的構(gòu)造煤組合體不同角度下的主裂隙分維值均先增加后減小，均在組合體的煤體交界處發(fā)生變化。

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（責(zé)任編輯：楊泉林）