含砂岩石力学特性及其致灾机制研究

含砂岩石是发生突水溃砂灾害前在高位关键层形成的特殊岩石，其强度与力学性质均与普通岩石不同，决定着高位关键层的稳定性。研究发现：不同裂隙角的裂隙岩石与含砂岩石具有不同的特征应力，且随着裂隙角的增加，裂隙岩石与含砂岩石的起裂应力、损伤应力和峰值应力均增加，双峰应力先增加后减小。相同裂隙角下的含砂岩石各特征应力均小于裂隙岩石，说明砂体对岩石特征应力具有弱化效应。从破坏形态来看，裂隙岩石易呈现翼形拉伸裂隙，含砂岩石在低裂隙角（30°）条件下形成拉伸裂隙，高裂隙角（60°）条件下易形成剪切裂隙，表明砂体进入岩石裂隙后对岩石具有剪切效应。同时建立了充砂力学模型，指出了含砂岩石强度小于裂隙岩石的原因是砂体降低了岩石的摩擦系数。根据声发射累计振铃计数定义了岩石损伤量并分析了含砂岩石致灾机制，现场溃砂灾害可分为4个阶段：弹性变形阶段、裂隙扩展阶段、蓄砂储能阶段、溃砂释能阶段。最后利用PFC2D验证了裂隙岩石与含砂岩石的差异性，分析了不同类型岩石的能量演化规律。研究结果可作为煤矿顶板突水溃砂现象的前兆信息识别，有助于指导突水溃砂工作面的安全生产。