3D-DIC应变测量试验背景
煤炭深部开采动力灾害，大多是采动影响下“岩体−煤体”组合结构整体破坏失稳的结果。岩煤高度会直接影响组合体试样变形破坏特征。采用XTDIC三维全场应变测量系统，开展灰岩−煤组合体试样单轴压缩试验，揭示不同高比灰岩−煤组合体试样变形破坏特征，可以为防控深部开采动力灾害提供理论基础。

3D-DIC应变测量试验系统
本次试验加载与应变测量主要包括XTDIC三维全场应变测量系统，电子万能试验机和。试验时采用位移加载控制，加载速率设置为0.005 mm/s，灵敏度设置为1%，即加载应力下降达到峰值应力的1%，试验自动停止。

试验内容：

灰岩−煤组合体强度特征

下图所示为单一灰岩、单一煤样及不同高比灰岩−煤组合体试样单轴压缩应力−应变曲线

3D-DIC测量单轴压缩应力-应变曲线

不同高比下，灰岩−煤组合体试样单轴压缩应力−应变曲线线型与单一煤样的更相似，均经历初始压密阶段、线弹性阶段、塑性屈服阶段和峰后破坏阶段。因此，煤样决定组合体试样应力−应变曲线形态。

下表所示为采用DIC应变测量技术，分析不同高比灰岩−煤组合体试样单轴压缩试验结果。

下图所示为不同高比灰岩−煤组合体试样单轴压缩强度和弹性模量（E，即应力−应变曲线的线弹性阶段斜率）对比结果。

3D-DIC技术测量单轴压缩强度和E对比

随着岩煤高比增大，组合体试样单轴压缩强度和E均呈增大趋势。不同高比灰岩−煤组合体试样强度特征有所差异，是由灰岩、煤样之间相互作用机制导致的。

灰岩−煤组合体变形破坏特征

变形场演化特征

5组不同高比灰岩−煤组合体试样单轴压缩试验中，每组3个试样试验结果基本一致，因此，每组选取其中1个试样进行变形场演化特征分析。

A-1组合体试样单轴压缩应力−应变曲线特征点选取

下图所示为采用3D-DIC应变测量技术，分析不同高比灰岩−煤组合体试样最大主应变场演化云图

下表所示为不同高比灰岩−煤组合体试样裂纹与变形场演化特征

灰岩−煤组合体试样变形局部化带演化与煤样内原生裂纹起裂、扩展密切相关，如宏观裂纹界面错动与尖端起裂、扩展，微裂纹萌生、起裂、扩展等。变形局部化带随着裂纹的起裂、扩展而发生交汇，进而诱发煤样破坏，最终导致组合体试样整体破坏。

灰岩回弹变形特征

为进一步揭示灰岩、煤样之间相互作用机制，在灰岩、煤样交界面布置监测点，监测灰岩高度Hr和煤样高度Hc的变化情况。

不同高比灰岩−煤组合体试样监测点布置

不同高比灰岩−煤组合体试样破坏过程中，Hr和Hc均呈整体波动递减趋势，其中组合体试样Hr和Hc波动主要受灰岩、煤样原生裂纹长度和数量的影响。

结论

1）随着岩煤高比增大，组合体试样单轴压缩强度和弹性模量均呈增大趋势，这主要受灰岩、煤样之间相互作用机制影响，破坏后宏观裂纹增多且动力显现程度增大。组合体试样破坏均发生在煤样内，随着岩煤高比增大，煤样受派生压应力强限制作用区域占比增大，组合体试样破坏过程剧烈性减小，塑性破坏增强。

2）变形局部化带首先出现在煤样原生裂纹区域，且随着裂纹的起裂、扩展而发生交汇，进而诱发煤样破坏。同时，煤样破坏导致灰岩回弹变形，随着岩煤高比增大，灰岩回弹变形量和回弹变形率整体呈递减趋势。

3）在同等条件下，顶板岩层厚度越大，煤层开采过程中越易发生冲击地压等动力灾害。在厚顶板岩层开采条件下，应采取顶板压裂、断顶等方式，减少顶板岩层弹性能的积聚，降低冲击地压等动力灾害发生的可能性。

4）新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统，是一种直观、高效的力学光测分析手段，可以对全场形貌进行非接触测量，可实时记录岩煤组合体应变情况以及裂纹萌生及演过过程，获得不同情况下的岩煤组合体力学参数的变化规律，可更直观的探究不同高比灰岩-煤组合对结构的力学特性的影响。

案例摘自：【陈绍杰，山东科技大学 矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地，不同高比灰岩−煤组合体变形破坏特征实验研究】