3D-DIC應(yīng)變測量試驗背景
煤炭深部開采動力災(zāi)害，大多是采動影響下“巖體?煤體”組合結(jié)構(gòu)整體破壞失穩(wěn)的結(jié)果。巖煤高度會直接影響組合體試樣變形破壞特征。采用XTDIC三維全場應(yīng)變測量系統(tǒng)，開展灰?guī)r?煤組合體試樣單軸壓縮試驗，揭示不同高比灰?guī)r?煤組合體試樣變形破壞特征，可以為防控深部開采動力災(zāi)害提供理論基礎(chǔ)。
3D-DIC應(yīng)變測量試驗系統(tǒng)
本次試驗加載與應(yīng)變測量主要包括XTDIC三維全場應(yīng)變測量系統(tǒng)，電子萬能試驗機和。試驗時采用位移加載控制，加載速率設(shè)置為0.005 mm/s，靈敏度設(shè)置為1%，即加載應(yīng)力下降達到峰值應(yīng)力的1%，試驗自動停止。
試驗內(nèi)容：
灰?guī)r?煤組合體強度特征
下圖所示為單一灰?guī)r、單一煤樣及不同高比灰?guī)r?煤組合體試樣單軸壓縮應(yīng)力?應(yīng)變曲線
3D-DIC測量單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線
不同高比下，灰?guī)r?煤組合體試樣單軸壓縮應(yīng)力?應(yīng)變曲線線型與單一煤樣的更相似，均經(jīng)歷初始壓密階段、線彈性階段、塑性屈服階段和峰后破壞階段。因此，煤樣決定組合體試樣應(yīng)力?應(yīng)變曲線形態(tài)。
下表所示為采用DIC應(yīng)變測量技術(shù)，分析不同高比灰?guī)r?煤組合體試樣單軸壓縮試驗結(jié)果。
下圖所示為不同高比灰?guī)r?煤組合體試樣單軸壓縮強度和彈性模量（E，即應(yīng)力?應(yīng)變曲線的線彈性階段斜率）對比結(jié)果。
3D-DIC技術(shù)測量單軸壓縮強度和E對比
隨著巖煤高比增大，組合體試樣單軸壓縮強度和E均呈增大趨勢。不同高比灰?guī)r?煤組合體試樣強度特征有所差異，是由灰?guī)r、煤樣之間相互作用機制導(dǎo)致的。
灰?guī)r?煤組合體變形破壞特征
變形場演化特征
5組不同高比灰?guī)r?煤組合體試樣單軸壓縮試驗中，每組3個試樣試驗結(jié)果基本一致，因此，每組選取其中1個試樣進行變形場演化特征分析。
A-1組合體試樣單軸壓縮應(yīng)力?應(yīng)變曲線特征點選取
下圖所示為采用3D-DIC應(yīng)變測量技術(shù)，分析不同高比灰?guī)r?煤組合體試樣最大主應(yīng)變場演化云圖
下表所示為不同高比灰?guī)r?煤組合體試樣裂紋與變形場演化特征
灰?guī)r?煤組合體試樣變形局部化帶演化與煤樣內(nèi)原生裂紋起裂、擴展密切相關(guān)，如宏觀裂紋界面錯動與尖端起裂、擴展，微裂紋萌生、起裂、擴展等。變形局部化帶隨著裂紋的起裂、擴展而發(fā)生交匯，進而誘發(fā)煤樣破壞，最終導(dǎo)致組合體試樣整體破壞。
灰?guī)r回彈變形特征
為進一步揭示灰?guī)r、煤樣之間相互作用機制，在灰?guī)r、煤樣交界面布置監(jiān)測點，監(jiān)測灰?guī)r高度Hr和煤樣高度Hc的變化情況。
不同高比灰?guī)r?煤組合體試樣監(jiān)測點布置
不同高比灰?guī)r?煤組合體試樣破壞過程中，Hr和Hc均呈整體波動遞減趨勢，其中組合體試樣Hr和Hc波動主要受灰?guī)r、煤樣原生裂紋長度和數(shù)量的影響。
結(jié)論
1）隨著巖煤高比增大，組合體試樣單軸壓縮強度和彈性模量均呈增大趨勢，這主要受灰?guī)r、煤樣之間相互作用機制影響，破壞后宏觀裂紋增多且動力顯現(xiàn)程度增大。組合體試樣破壞均發(fā)生在煤樣內(nèi)，隨著巖煤高比增大，煤樣受派生壓應(yīng)力強限制作用區(qū)域占比增大，組合體試樣破壞過程劇烈性減小，塑性破壞增強。
2）變形局部化帶首先出現(xiàn)在煤樣原生裂紋區(qū)域，且隨著裂紋的起裂、擴展而發(fā)生交匯，進而誘發(fā)煤樣破壞。同時，煤樣破壞導(dǎo)致灰?guī)r回彈變形，隨著巖煤高比增大，灰?guī)r回彈變形量和回彈變形率整體呈遞減趨勢。
3）在同等條件下，頂板巖層厚度越大，煤層開采過程中越易發(fā)生沖擊地壓等動力災(zāi)害。在厚頂板巖層開采條件下，應(yīng)采取頂板壓裂、斷頂?shù)确绞?，減少頂板巖層彈性能的積聚，降低沖擊地壓等動力災(zāi)害發(fā)生的可能性。
4）新拓三維XTDIC三維全場應(yīng)變測量系統(tǒng)，是一種直觀、高效的力學(xué)光測分析手段，可以對全場形貌進行非接觸測量，可實時記錄巖煤組合體應(yīng)變情況以及裂紋萌生及演過過程，獲得不同情況下的巖煤組合體力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律，可更直觀的探究不同高比灰?guī)r-煤組合對結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性的影響。
案例摘自：【陳紹杰，山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，不同高比灰?guī)r?煤組合體變形破壞特征實驗研究】