基于CT扫描的煤体裂隙演化与破坏状态表征

单位：

安徽理工大学 深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室

为基于裂隙演化特征表征煤体破坏状态，针对原煤试样，采用CT扫描技术开展常规三轴压缩条件下煤体断面裂隙演化观测试验，重构内部三维裂隙可视化模型，分析裂隙分布形态与特征参数变化规律，基于裂隙面积定义断面（煤体）破坏状态表征指标T_i（T），并检验指标的准确性和合理性。研究结果表明：随煤体轴向应变的增加，含初始裂隙断面裂隙面积和分形维数均先减小后增大，而无初始裂隙断面裂隙面积和分形维数均先不变后增大。煤体失稳破坏过程中，T_i呈现出先减小（或不变）后增大的变化趋势，且与传统损伤变量相比，变化幅度更大，更能准确量化煤体断面破坏程度。随煤体轴向应变的增加，T表现出先减小后增大的基本规律，与煤体三维裂隙体积变化具有高吻合性。

我国煤炭资源赋存条件复杂，进入深部开采后采掘扰动极易引发片帮、突出等煤体失稳事故，煤体失稳事故的突发与其内部裂隙发育扩展密切相关，研究受载煤体裂隙动态演化、表征破坏状态对揭示失稳致灾机理、保障煤炭资源安全高效开采具有重要的理论意义。与高速摄像相比，CT扫描能够快速、无损获取煤岩内部真实的裂隙分布形态，已被为广泛应用于研究煤岩受载响应特征。针对原煤试样，通过CT扫描技术开展断面裂隙演化观测试验，分析裂隙发育扩展特征，基于裂隙面积定义破坏状态表征指标，准确评价煤体破坏状态，为失稳灾害防控提供理论依据。

（1）获得了常规三轴压缩条件下煤体断面裂隙特征参数变化规律。随轴向应变的增加，含初始裂隙断面裂隙面积和分形维数均先减小后增大，而无初始裂隙断面裂隙面积和分形维数均先不变后增大。

（2）定义了断面破坏状态表征指标T_i。断面破坏状态表征指标为某一破坏阶段该断面裂隙面积增量与完全破坏后该断面裂隙面积增量的比值，T_i物理意义明确，能够直接反映断面破坏状态。

（3）检验了新指标表征断面破坏状态的准确性。与传统损伤变量相比，煤体失稳过程中新指标T_i变化幅度更大，受载响应灵敏性更强，更能准确量化破坏程度。

（4）基于T_i推导出煤体破坏状态表征指标T，检验了T表征破坏状态的合理性。随煤体轴向应变的增加，指标T呈现出先减小后增大的基本规律，与煤体三维裂隙体积变化具有高吻合性。