·656· 北京科技大学学报 第33卷 0 由图2、图3和表1可见，虽然同属于二叠系山 能店矿3煤 西组兖州煤田3煤，但由于其微细观损伤变量相差 30 较大，其强度和弹性模量也相差较大.新河矿3煤 许厂矿3煤 微孔隙、微裂隙非常发育，煤岩松软破碎，测试的10 新河矿3煤 10 个样品的平均损伤变量2高达27.3%；相对来讲， 鲍店矿3煤微孔隙、微裂隙相对较少，煤岩坚硬致 04 0.012 0.016 轴向应变 密，10个样品的平均损伤变量2仅为8.6%；许厂 矿3煤微孔隙、微裂隙中等发育，测试的10个样品 图2典型煤样单轴压缩全应力-应变曲线 的平均损伤变量2为13.5%.计算结果表明，同为 Fig.2 Complete stress-strain curves of typical coal samples under uniaxial compression 石炭二叠系的兖州煤田，鲍店矿3煤和许厂矿3煤 20m b 图3典型煤样微孔隙裂隙扫描电镜照片.()鲍店矿3煤；(b)许厂矿3煤：(c)新河矿3煤 Fig.3 SEM photographs of typical coal samples'micro-pores and micro-eracks:(a)No.3 coal seam in Baodian Colliery:(b)No.3 coal seam in Xuchang Colliery:(c)No.3 coal seam in Xinhe Colliery 表1煤样力学参数与损伤变量测试结果 劈裂破坏.本文在选择三种煤岩试样进行单轴压缩 Table 1 Test results of mechanical parameters and damage variable of 试验时，均选取了肉眼观察表面无明显缺陷的煤样 coal samples 试验结果表明，因原生损伤相差较大，三种煤岩试样 单轴抗压 弹性模 损伤变量， 煤层 的破坏方式不同，但同一种煤岩试样均呈现类似的 强度/MPa 量MPa 2/% 破坏特征.图4为不同矿井典型煤样单轴压缩破坏 鲍店矿3煤 36.80 3652.75 8.6 形态.可以看出：鲍店矿3煤因原生损伤较小，坚硬 许厂矿3煤 23.78 2465.39 13.5 致密，单轴压缩条件下呈现明显的沿轴向的脆性破 新河矿3煤 11.33 1476.85 27.3 坏：而新河矿3煤微孔隙、微裂隙发育，原生损伤较 大，煤岩松软破碎，单轴压缩条件下其破坏呈现明显 的微细观损伤变量分别比新河矿3煤减少68.5% 的塑性破坏：原生损伤介于两者之间的许厂矿3煤 和50.6%，其单轴抗压强度分别增加224.8%和 其破坏方式介于两者之间. 109.9%,弹性模量分别增加147.3%和66.9%.可 煤岩强度和变形特征除与其表面损伤情况密切 见，煤岩的强度和变形与其本身的原生微细观损伤 相关外，还与其内部孔隙裂隙分布状况有关，同时与 发育情况高度相关☒ 其微组分和颗粒胶结物等密切相关，这些都还有待 另外，煤岩微细观损伤变量不但对其宏观强度 进一步深入研究. 及变形有明显影响，同时还对其破坏方式具有明显 影响.岩石的破坏模式不但取决于原生损伤，还取 4结论 决于加载应力条件、加载速度和端面约束等.一般 (1)煤岩内部存在许多微孔隙、裂隙等软弱结 情况下，对于相对较坚硬致密的岩石，在单轴压缩条 构面以及颗粒胶结物，是典型的含有原始损伤的微 件下，岩石一般发生沿明显的主导裂隙方向的脆性 观非均质体.研究岩石的微细观损伤对于深入理解北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 图 2 典型煤样单轴压缩全应力－应变曲线 Fig． 2 Complete stress-strain curves of typical coal samples under uniaxial compression 由图 2、图 3 和表 1 可见，虽然同属于二叠系山 西组兖州煤田 3 煤，但由于其微细观损伤变量相差 较大，其强度和弹性模量也相差较大． 新河矿 3 煤 微孔隙、微裂隙非常发育，煤岩松软破碎，测试的 10 个样品的平均损伤变量 Ω 高达 27. 3% ; 相对来讲， 鲍店矿 3 煤微孔隙、微裂隙相对较少，煤岩坚硬致 密，10 个样品的平均损伤变量 Ω 仅为 8. 6% ; 许厂 矿 3 煤微孔隙、微裂隙中等发育，测试的 10 个样品 的平均损伤变量 Ω 为 13. 5% ． 计算结果表明，同为 石炭二叠系的兖州煤田，鲍店矿 3 煤和许厂矿 3 煤 图 3 典型煤样微孔隙裂隙扫描电镜照片． ( a) 鲍店矿 3 煤; ( b) 许厂矿 3 煤; ( c) 新河矿 3 煤 Fig． 3 SEM photographs of typical coal samples’micro-pores and micro-cracks: ( a) No． 3 coal seam in Baodian Colliery; ( b) No． 3 coal seam in Xuchang Colliery; ( c) No． 3 coal seam in Xinhe Colliery 表 1 煤样力学参数与损伤变量测试结果 Table 1 Test results of mechanical parameters and damage variable of coal samples 煤层 单轴抗压 强度/MPa 弹性模 量/MPa 损伤变量， Ω/% 鲍店矿 3 煤 36. 80 3 652. 75 8. 6 许厂矿 3 煤 23. 78 2 465. 39 13. 5 新河矿 3 煤 11. 33 1 476. 85 27. 3 的微细观损伤变量分别比新河矿 3 煤减少 68. 5% 和 50. 6% ，其单轴抗压强度分别增加 224. 8% 和 109. 9% ，弹性模量分别增加 147. 3% 和 66. 9% ． 可 见，煤岩的强度和变形与其本身的原生微细观损伤 发育情况高度相关［12］． 另外，煤岩微细观损伤变量不但对其宏观强度 及变形有明显影响，同时还对其破坏方式具有明显 影响． 岩石的破坏模式不但取决于原生损伤，还取 决于加载应力条件、加载速度和端面约束等． 一般 情况下，对于相对较坚硬致密的岩石，在单轴压缩条 件下，岩石一般发生沿明显的主导裂隙方向的脆性 劈裂破坏． 本文在选择三种煤岩试样进行单轴压缩 试验时，均选取了肉眼观察表面无明显缺陷的煤样． 试验结果表明，因原生损伤相差较大，三种煤岩试样 的破坏方式不同，但同一种煤岩试样均呈现类似的 破坏特征． 图 4 为不同矿井典型煤样单轴压缩破坏 形态． 可以看出: 鲍店矿 3 煤因原生损伤较小，坚硬 致密，单轴压缩条件下呈现明显的沿轴向的脆性破 坏; 而新河矿 3 煤微孔隙、微裂隙发育，原生损伤较 大，煤岩松软破碎，单轴压缩条件下其破坏呈现明显 的塑性破坏; 原生损伤介于两者之间的许厂矿 3 煤 其破坏方式介于两者之间． 煤岩强度和变形特征除与其表面损伤情况密切 相关外，还与其内部孔隙裂隙分布状况有关，同时与 其微组分和颗粒胶结物等密切相关，这些都还有待 进一步深入研究． 4 结论 ( 1) 煤岩内部存在许多微孔隙、裂隙等软弱结 构面以及颗粒胶结物，是典型的含有原始损伤的微 观非均质体． 研究岩石的微细观损伤对于深入理解 ·656·