动静组合加载下砂岩剪切力学特性试验研究
作者：
龚昌建1,2, 冯国瑞1,2,3, 张玉江1,2,3, 崔炳渊1,2, 蔡文浩1,2, 崔江慧1,2, 张郑军4
作者单位：
1. 太原理工大学 矿业工程学院, 山西 太原 030024;
2. 矿山岩层控制及灾害防控山西省重点实验室, 山西 太原 030024;
3. 山西浙大新材料与化工研究院, 山西 太原 030024;
4. 阳城县阳泰集团实业有限公司, 山西 晋城 048100
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摘要
动载扰动作用是影响遗煤复采过程中围岩稳定性的重要因素，为研究不同预静载水平下动载扰动对砂岩抗剪强度、黏聚力、内摩擦角、应变场及声发射等参数的影响，采用动静载多场耦合试验系统、声发射监测系统和DIC应变监测系统对砂岩进行了动静组合加载变角剪切试验。研究结果表明：在组合加载下，随着预静载水平的增大，砂岩抗剪强度和黏聚力呈先增大后减小的趋势，内摩擦角和扰动前后最大主应变差值呈先减小后增大的趋势，均在75%τ预静载水平处达到极值；在组合加载下，声发射累计能量和累计振铃计数整体上可划分为第一稳定增长期、第一突增期、平静期、第二突增期、第二稳定增长期和第三突增期6个阶段，在扰动阶段声发射信号活跃程度随着预静载水平的增大呈先减小后增大的趋势，极值出现在60%τ预静载水平处。研究成果可为动静组合加载下围岩稳定性控制提供理论参考。
图片
图 1 砂岩波速测定
图 2 试验前后砂岩试样
图 3 试验系统
图 4 应力施加路径
图 5 变角剪切示意
图 6 砂岩试样抗剪强度曲线
图 7 不同剪切角度下试样抗剪强度随预静载水平的变化规律
图 8 动静组合加载下不同剪切角度砂岩试样抗剪强度增幅
图 9 不同预静载水平下砂岩试样抗剪强度曲线
图 10 黏聚力与内摩擦角随预静载水平的变化规律
图 11 60°剪切角度下不同预静载水平的破坏剪切面特征
图 12 50°剪切角度下 30% τ 预静载水平下砂岩试样表面最大主应变演化特征
图 13 各剪切角度下扰动前后砂岩试样的最大主应变差值随预静载水平的变化规律
图 14 不同预静载水平下试样的剪应力、振铃计数、能量、累计振铃计数和累计能量随时间演化规律
图 15 动载扰动阶段声发射累计能量和累计振铃计数随预静载水平的变化规律
作者简介
通讯作者简介：
冯国瑞（1976—），山西阳城人，博士，教授，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者、国家优秀青年科学基金获得者、国家科技创新领军人才、国家百千万人才工程人选，“科学探索奖”获得者。现任山西能源学院党委副书记、院长。1999年获太原理工大学工学学士学位，2002年获太原理工大学工学硕士学位，2009年获太原理工大学工学博士学位。2010年和2015年先后赴日本长崎大学和美国西弗吉尼亚大学做访问学者。历任太原理工大学科技处副处长、矿业工程学院院长、科学技术研究院院长和太原理工大学副校长。兼任矿山岩层控制及灾害防控山西省重点实验室主任、山西省煤基资源绿色高效开发工程研究中心主任。主要从事难采煤炭资源安全绿色开采与灾害防控理论与技术的研究。先后主持了国家杰出青年科学基金项目、国家基金联合基金重点项目、国家优秀青年科学基金项目等20余项纵向科研项目，并承担了山西焦煤集团、同煤集团和晋煤集团等单位的20余项横向攻关项目，主编或参编学术著作6部，发表SCI、EI收录论文200余篇，授权国家发明专利100余项。并荣获山西省技术发明一等奖（排名第1）、中国煤炭工业科学技术一等奖（排名第1）、中国职业安全健康协会科技进步一等奖（排名第1）、中国专利优秀奖（排名第1）、山西省教学成果特等奖（排名第1）等省部级一等以上科研教学成果奖8项、二等奖多项，曾获得国家有突出贡献中青年专家、国务院特殊津贴专家、科技部中青年科技创新领军人才、教育部新世纪优秀人才、全国煤炭教学名师、山西省劳动模范、山西省新兴产业领军人才、山西省科技创新重点团队带头人等荣誉称号。
龚昌建（1998—），贵州兴仁人，硕士研究生，主要从事矿山压力与岩层控制方面的研究。
本文引用格式
龚昌建, 冯国瑞, 张玉江, 等. 动静组合加载下砂岩剪切力学特性试验研究[J]. 采矿与岩层控制工程学报, 2024, 6(4):043062.
GONG Changjian, FENG Guorui, ZHANG Yujiang, et al. Experimental study on shear mechanical properties of sandstone under coupled static and dynamic loading[J]. Journal of Mining and Strata Control Engineering, 2024, 6(4):043062.
