北京科技大学宋正阳科研团队和中山大学党文刚科研团队针对煤矿地下水库在法向和切向复杂应力状态下的变形规律和稳定性特征开展了系列室内试验和数值计算研究，并且形成了姊妹篇文章。相关成果以“Mechanical responses and fracturing behaviors of coal under complex normal and shear stresses, Part I: Experimental results” 和 “Mechanical responses and fracturing behaviors of coal under complex normal and shear stresses, Part II: Numerical study using DEM”为题发表在IJCST(International Journal of Coal Science & Technology，https://link.springer.com/article/10.1007/s40789-024-00705-w 和https://link.springer.com/article/10.1007/s40789-024-00706-9)。
封面基于本姊妹篇论文的学术主题，以煤矿地下水库赋存环境的受力背景为切入点，依托室内试验和颗粒流程序的精细化模拟为两种研究手段，放大局部重点凸显煤柱坝体的复杂受力特征，点明了研究主题和研究方法。
Part I
Part II
地下水库煤柱坝体长期受覆岩压力、侧向水压、侧向矸石压力和浸水损伤的影响。许多研究人员聚焦于研究煤体稳定性与水浸作用之间的内在联系，探讨水-岩相互作用对煤柱的损伤过程。研究表明浸水作用可使大部分岩体的组分发生改变、岩石孔隙生成、微观裂隙延展，导致岩体力学特性弱化。然而覆岩压力、侧向水压、浸水损伤均作为影响地下水库煤柱坝体稳定的主要因素，前人的研究主要突出对某一因素或某两个因素的叠加效果的分析，且对工程尺度扰动应力的形式过度简化，通常反映为某一方向的定幅或多级循环加载。现场监测表明，覆岩应力和侧向水压均会受到岩层移动、周期来压、水位变化、爆破、钻孔等采动程序的影响。因此，覆岩应力和侧向水压在载荷形式、应力幅度和频率等参数方面具有复杂的组合形式和变化规律。本文细致考虑煤柱坝体的受力形式，研究在双向动态循环、多幅-变频复杂应力下干燥和浸水煤样变形特征、能量耗散和损伤演化规律，并基于离散元程序从细观角度开展数值计算，获得不同应力状态下微观接触应力演化特征，为地下水库的设计和长期安全性评价提供理论和实际借鉴意义。
煤矿地下水库体系示意图
文章的主要结论如下：
（1）试验研究：通过室内试验研究了受到复杂的正应力和剪应力路径的煤的力学响应，揭示了应力路径、浸水和频率对变形、能量耗散、割线模量和破坏面粗糙度的影响。①当法向和切向应力同时施加时，法向与切向应力之间存在明显的竞争机制，竞争优势一方的应变率明显更高，劣势一方的应变率均较低，甚至出现扩容现象。②较高频率下的样品疲劳寿命更长，抗剪强度更高。在切向和法向应力不减小时，高频应力方向的应变率持续增长。法向和切向的单圈耗散能量几乎与频率无关。③在法向应力不降低的情况下，浸水使煤的法向变形和剪切变形均显著增大。在循环剪切试验的稳定阶段，浸水试样的剪切应变一般高于干燥试样。④循环剪切试验中，剪切破坏面的平均粗糙度系数随剪切强度的增加而增加，剪切面粗糙度的提高有利于约束试件的剪切位移，从而减少剪切变形的累积，有效降低剪切过程中的能量耗散。
图1 实验剪切模型和数值模型的总体概述
图2 基于3D扫描的剪切表面粗糙度测量及表征
（2）数值模拟：对不同浸水和复杂应力路径下煤样的实验结果进行校对，旨在从数值模型角度揭示煤柱坝体的破坏机理，并基于数值声发射算法揭示不同应力路径和浸水条件下的煤样微震特征。结果表明，法向和剪切荷载模式对最小主应力、最大剪应力分布及剪切带形态特征有显著影响。①在0.2 Hz和0.1 Hz两种频率下，对干煤和水浸煤试样建立了不同的损伤演化路径。低频导致更严重的损坏，因此其疲劳寿命更短。在相同频率下，水浸的疲劳寿命较短。②自主开发的声发射算法成功地捕获了键断裂时释放的能量大小，从而可以确定b值并可视化声发射事件随时间的变化，包括它们的能量大小。观察到的破坏前b值的减小可能对煤柱具有预测意义。③模拟结果揭示了最小主应力和最大剪应力在单调剪切和循环剪切条件下的分布规律。研究发现，循环应力可以降低机翼裂纹形成的概率，并增大破坏时最小主应力与垂直方向的夹角。当最小主应力绝对值与最大剪应力比值较大时，失效概率较低。当该比值小于2时，在拉伸和剪切两种模式下均可发生破坏。
图3 最小主应力，最大剪应力云图与大能量AE事件分布的比较
未来的研究可能会考虑煤在法向应力和剪切应力下不同应力率下的力学响应。建议引入不同加载和卸载速率的随机应力谱或循环加载。这将提供对原位加载条件和应力模式的更真实的表征。
宋正阳，北京科技大学副教授，硕士生导师，德国洪堡学者，德国弗莱贝格工业大学博士，德国亚琛工业大学客座学者。主要从事岩石疲劳特性试验和颗粒流计算模拟研究。研究成果以第一作者或通讯作者在国际权威杂志发表学术论文30余篇。担任中国岩石力学与工程学会寒区岩土力学与工程分会常务理事。
党文刚，中山大学“百人计划”副教授，博士生导师，德国弗莱贝格工业大学博士/博士后，新加坡南洋理工大学Research Fellow。主要从事岩石力学实验和数值模拟研究，包括地下空间、地热开采、采矿工程相关的岩石力学问题，岩石节理面动态剪切，岩体裂隙剪切-渗流等。研究成果以第一作者或通讯作者在国际权威杂志发表学术论文40余篇，为40多个国际SCI刊物的特约审稿人。担任中国岩石力学与工程学会兼职副秘书长，第九届青年委员会委员，岩石破碎委员会委员，国际测量协会会刊Measurement编委，获中山大学第九届教师教学大赛工科组一等奖、中山大学第十届教学成果一等奖、第十一届教学成果特等奖等奖项。
引用格式：Song, Z.Y., Dang, W.G., Bai, Z.C. et al. Mechanical responses and fracturing behaviors of coal under complex normal and shear stresses, Part I: Experimental results. Int J Coal Sci Technol 11, 63 (2024). https://doi.org/10.1007/s40789-024-00705-w
Song, Z.Y., Amann, F., Dang, W.G. et al. Mechanical responses and fracturing behaviors of coal under complex normal and shear stresses, Part II: Numerical study using DEM. Int J Coal Sci Technol 11, 57 (2024). https://doi.org/10.1007/s40789-024-00706-9
