单轴循环加卸载下砂岩变形及能量演化特征OA

薄煤层开采过程中,上覆砂岩层频繁承受循环加卸载作用,且循环应力幅值随开采推进动态变化。为探究不同循环应力幅值对砂岩力学行为、能量演化及损伤特征的影响,揭示高应力条件下砂岩的硬化效应及其对裂纹扩展的抑制作用,本研究以山西省某煤矿薄煤层上覆粗砂岩为对象,通过设计四种不同循环应力幅值路径(CSA-1至CSA-4,循环下限7.0~10.0 MPa,循环幅值9.0~12.0 MPa,每组循环30次)开展单轴循环加卸载实验,系统分析了砂岩的峰值强度、平均变形模量、加卸载响应比、能量演化特征及基于耗散能定义的损伤变量。结果表明:随着循环应力幅值增加,砂岩峰值强度均高于单轴压缩强度(22.3 MPa),平均变形模量分别为6.759 GPa、6.694 GPa、6.994 GPa和7.793 GPa,呈增加趋势,反映出刚度增强、裂纹扩展受抑制;加卸载响应比随循环应力幅值增大而降低,在高应力条件下(CSA-4)最低,说明硬化效应虽增强了砂岩强度,但限制了其塑性变形能力;高循环应力幅值下砂岩的输入能与弹性能显著增加,累积弹性能占比最高达86.25%,表明硬化效应更加显著,内部结构得到强化;损伤变量演化显示,至第30次循环时高循环应力幅值下砂岩损伤变量最低,为0.1375,损伤累积较慢,进一步证实硬化效应对裂纹扩展和损伤发展的抑制作用。综上,高循环应力幅值显著增强了砂岩的硬化效应,表现为平均变形模量、峰值强度及弹性能占比的同步提高,同时抑制了损伤累积速率。本研究为薄煤层开采及相关工程中的围岩稳定性分析与控制提供了理论依据与实践参考。