煤炭学报

作者：文晓泽, 冯国瑞, 郭军, 王朋飞, 白锦文, 钱瑞鹏, 于露杨, 张洁, 张鹏飞,

关键词：低频扰动, 高应力, 渐进损伤, 非线性响应,

受煤矿残采区上行开采扰动影响，层间岩层在高静应力和低频扰动荷载耦合作用下的失稳是引发遗煤资源复采动力灾害的主要原因之一。为研究低频扰动荷载作用下高应力状态岩石的动态响应特征，以煤系地层砂岩为研究对象，基于自主研发的动静载耦合电液伺服试验机，开展不同幅值低频扰动荷载(5 Hz)作用下高应力砂岩(80% 单轴抗压强度(UCS))动态单轴压缩试验，揭示了低频扰动下高应力砂岩的裂纹演化规律、渐进损伤行为和非线性动态响应特征。结果表明：① 小幅扰动荷载作用过程中高应力状态砂岩并不会失稳，80%UCS预静载状态下诱使砂岩发生破坏的低频扰动幅值门槛值为15%UCS，在越过应力门槛值的扰动荷载作用过程中，高应力砂岩破坏前的扰动荷载循环周期数随幅值增大指数型衰减。② 在砂岩内部随机分布的微裂纹萌生和渐进扩展影响下，动态割线模量、峰值应变、耗散能密度和声发射b值随扰动荷载作用时间的非线性演化特征显著。③ 指数型应变演化曲线在砂岩破坏前有明显的拐点，可以作为低频扰动下高应力砂岩动态破坏的前兆信息，用于相应动力灾害预警。④ 在越过门槛值的低频扰动荷载作用过程中，动态割线模量演化曲线近似指数型衰减，且非线性拟合参数可以用以量化割线模量劣化速率，砂岩的割线模量劣化速率随幅值线性递增非线性变化。⑤ 扰动荷载作用初期的上升时间和幅值的比值(RA)可以用于砂岩动态破坏超前预测，相应地，扰动荷载作用过程中RA的突增可以作为砂岩动态破坏的前兆预警信息。未越过门槛值的低频扰动荷载作用过程中，砂岩微破裂以张拉或混合破裂为主，剪切破裂占比仅为12.15%；幅值为15%UCS、20%UCS和25%UCS的扰动荷载作用过程中，剪切破裂占比分别为37.17%、52.75%和53.62%，随扰动荷载幅值增大对数型增加。

来源：2024年第9期

《煤炭学报》期刊编辑部

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