基于仪器化压入实验的煤体微纳尺度非均质力学响应特征

煤炭是我国的主体能源,煤矿井下冲击地压、煤与瓦斯突出等灾害的频繁严重影响煤炭的安全生产.煤体是典型的混合物,其内部不同组分的力学性质差异较大,使其在外部扰动的作用下容易产生内部应力集中,导致煤体的失稳、破坏,形成煤矿动力灾害.本文以非均质煤体为研究对象,利用微焦CT、扫描电子显微镜和纳-微米压入实验,研究了煤体微纳尺度的非均质结构和力学性质,实验研究结果表明:煤体是有机物和多种矿物组成的混合物,矿物以点填充、丝状填充和条带状侵入等结构存在于煤体有机物中,不同的矿物填充或侵入区域中矿物含量和结构具有差异,这导致煤体微纳尺度的物理力学性质具有非均质性;纳米尺度压入实验可以捕捉矿物在有机物中的填充或侵入结构,测量煤体混合物中矿物和有机物单组分的力学参数,识别两者力学性质的巨大差异;微米尺度的压入实验可以表征煤体混合物整体的力学性质,矿物填充量越多,煤体混合物的力学性质越强,同时煤体混合物微观尺度的破裂模式会受到矿物填充结构的影响.研究结果揭示了煤体微观结构和力学性质的非均质特征,探讨了煤体混合物的非均质结构可能引起的脆性破坏,为煤矿井下冲击地压和煤与瓦斯突出等动力灾害的预测与防治提供了理论基础.