羅 寧，索云琛，張浩浩，柴亞博，翟 成，屈 喆，白桂智

（1.中國礦業(yè)大學深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116；2.北京理工大學爆炸科學與技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081；3.中國礦業(yè)大學力學與土木工程學院，江蘇 徐州 221116；4.中國礦業(yè)大學安全工程學院，江蘇 徐州 221116）

煤層氣資源能源是世界范圍內(nèi)儲量巨大的重要非常規(guī)能源之一，煤-氣共采技術(shù)不僅可以預防煤礦瓦斯災害，還可以增加可利用瓦斯資源，提高煤礦經(jīng)濟開采。目前，使用最有效的地表鉆孔開采技術(shù)機理是排出煤層承壓水，降低煤儲層壓力，促進吸附甲烷解吸成大量游離甲烷，在地層壓力和井筒壓差的作用下向井口運移[1-6]。而水力壓裂作為目前的主要手段，因向井中傾倒大量的水、沙子和化學物質(zhì)，涉及污染環(huán)境并引發(fā)地震等相關(guān)問題，已經(jīng)被越來越多的國家禁止。由于資源開發(fā)的迫切需求，越來越多的學者開始關(guān)注爆燃壓裂方法[7-8]。然而，動態(tài)壓裂技術(shù)相對較新，其機理較少受到重視，隨著煤炭資源開采深度的增加，爆燃壓裂法在煤層氣開采中面臨的挑戰(zhàn)也越來越大。首先，煤在深部環(huán)境中受到地應力，這導致了動態(tài)特性的顯著變化；其次，無論是鉆孔爆破法還是爆燃壓裂法，單次沖擊并不一定能使煤層破碎或達到預期效果。在實際應用中，它經(jīng)常受到多次加載，循環(huán)效應下的動態(tài)力學特性表現(xiàn)出明顯的變化[9-11]；最后，煤巖作為典型的沉積巖，其內(nèi)部存在許多薄弱結(jié)構(gòu)面，如微裂縫和層理，導致其力學性能復雜[12-14]。隨著開采深度的不斷深入，深部煤巖地層情況愈加復雜，相關(guān)資源的開采難度也與之俱增。因此，研究含層理角度煤巖的動態(tài)力學響應成為當前煤層氣高效開采的關(guān)鍵科學問題之一。

眾多學者已對煤巖的力學性質(zhì)進行了大量的研究。如Zhao 等[15]、Kong 等[16]、Hao 等[17]和Liu 等[18]研究了煤巖的靜態(tài)和動態(tài)力學行為，雖然前者已對煤巖的靜、動態(tài)力學的做了大量的研究工作，然而對含層理煤巖的研究仍比較少，已逐漸成為相關(guān)領(lǐng)域的難點和熱點問題之一。Chen 等[19]研究了不同層理對煤巖的力學性質(zhì)和滲透性的影響，發(fā)現(xiàn)隨著層理角度的增大，通道數(shù)量隨著初始滲透率的增加而增加，抗壓強度呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢。Zhao 等[20]利用分離式霍普金森壓桿（split Hopkinson pressure bar, SHPB）實驗系統(tǒng)研究了不同層理角度對煤巖斷裂韌性的影響，發(fā)現(xiàn)層理引起的各向異性對煤巖的動態(tài)啟動斷裂韌性起著重要作用。Wang 等[21]采用SHPB 實驗系統(tǒng)和高速攝影技術(shù)發(fā)現(xiàn)層理影響裂紋的起裂方向，裂紋擴展路徑由最大主應力方向和層理共同決定；當層理角度方向垂直于沖擊方向時，動態(tài)斷裂韌性較大；隨著層理角度的增大，試件的損傷逐漸由拉伸損傷向拉剪耦合損傷轉(zhuǎn)變。Fan 等[22]利用SHPB 實驗系統(tǒng)和3D 輪廓掃描儀研究了不同層理角度和溫度對頁巖的動態(tài)影響，發(fā)現(xiàn)不同層理角度的頁巖臨界溫度不同；動態(tài)抗壓強度隨層理角度的增大呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，其趨勢與斷面粗糙度呈正相關(guān)。王衛(wèi)華等[23]研究了應力波在等效節(jié)理處的傳播規(guī)律，并建立了層理非線性位移不連續(xù)模型，研究了層理初始剛度、層理合合度對層理透射反射系數(shù)的影響。李業(yè)學等[24]引入分形損傷理論研究應力波穿透節(jié)理時的透、反射效應，建立了分形損傷本構(gòu)模型。

綜上所述，相關(guān)研究均對含特征層理巖石的靜、動態(tài)力學特性方面取得了一定的研究成果，其中一方面，上述研究僅聚焦單軸壓縮或劈裂實驗；另一方面，當煤層被鉆爆法、燃爆法致裂時，單次沖擊并未能使煤層破裂充分或達到預期效果。然而實際煤層氣資源開發(fā)中煤巖在深部地層條件下會受到多次燃爆沖擊，形成成熟、貫通的裂縫網(wǎng)絡(luò)，從而最大效率地實現(xiàn)單井煤層氣開采，因此僅在單軸沖擊條件下研究不同層理角度煤巖的動態(tài)力學性能并不能完全揭示真實的破壞特征規(guī)律。故此本文研究了動態(tài)三軸壓縮作用下含特征層理煤巖在循環(huán)沖擊下斷裂的動態(tài)力學行為及損傷破壞演化特征，深入研究了層理角度對煤巖力學特性和能量演變的影響規(guī)律，以期待高效壓裂深部含特征層理煤巖提供關(guān)鍵力學基礎(chǔ)科學數(shù)據(jù)支撐。

1 動態(tài)沖擊實驗

1.1 試樣加工過程

煤巖均產(chǎn)自陜西省賦谷縣張明溝煤礦，為避免煤巖強度離散性對實驗結(jié)果的影響，選取同一煤巖加工含不同層理 （0°、30°、45°、60°、90°）的標準煤巖試樣，如圖1 所示。

圖1 加工前后的層理煤巖Fig.1 Bedding coal rocks before and after processing

所有試樣層理角度清晰可見，加工精度滿足GB/T 50 266—2013《工程巖體試驗方法標準》的要求。將用于SHPB (split Hopkinson pressure bar) 實驗的煤巖全部加工成直徑50 mm、高25 mm 的標準圓柱體試樣，并對煤巖試樣進行拋光處理，保證2 個加載面的表面光潔度和平整度均小于0.02 mm，并在沖擊測試前用保鮮膜包裹保護，以防止碰撞損壞和空氣濕度影響。采用分辨率為0.5～10 μm 的NanoVoxel3502E CT 裝置對沖擊前具有代表性的0°層理煤巖進行掃描分析，如圖2 所示，CT 掃描煤巖具有明顯的貫通層理面，且分布均勻。

圖2 0°層理煤巖的CT 圖Fig.2 CT image of 0° bedding coal rock

1.2 SHPB 實驗系統(tǒng)及理論基礎(chǔ)

實驗在 ? 50 mm SHPB 系統(tǒng)上完成，系統(tǒng)裝置如圖3 所示，整個實驗系統(tǒng)包括發(fā)射操作裝置、沖擊桿、入射桿、透射桿、緩沖桿、圍壓加載設(shè)備、軸向加載設(shè)備、激光測速儀和動態(tài)實驗分析器。沖擊桿、入射桿、透射桿和緩沖桿的長度分別為500、3 000、3 000 和1 200 mm。桿件材料采用硅錳彈簧鋼，具有高強度、彈性和穩(wěn)定性等特點，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.29，縱波波速為5 188 m/s，密度為7 800 kg/m3。

圖3 動態(tài)三軸SHPB 測試系統(tǒng)Fig.3 Dynamic triaxial SHPB test system

在入射桿撞擊煤巖時，入射波會產(chǎn)生反射波和透射波，由于桿件與煤巖的波阻抗失配，應力波在煤巖中來回反、透射，最終實現(xiàn)應力平衡。為了驗證煤巖試件的應力均勻性假設(shè)，采用下式計算試件兩端的受力：

式中：F1為煤巖試樣靠近入射桿的界面所受的力；F2為煤巖試樣靠近透射桿的界面所受的力；εi、εr和εt分別為入射應變脈沖、反射應變脈沖和透射應變脈沖；Ab和As為桿件和煤巖試樣的橫截面積；Eb為桿件彈性模量。實驗結(jié)果如圖4所示，煤巖加載面兩端應力曲線基本重合，即p1=p2，說明在整個動態(tài)實驗過程中，試件內(nèi)部各部位的應力應變幾乎都處于均勻狀態(tài)，即εi+εr=εt[25-26]。因此，可以用二波法代替三波法，即用下式：

圖4 煤巖時間應力均勻的試驗驗證Fig.4 Experimental verification of coal rock stress uniformity

1.3 SHPB 壓桿的能量分析

含特征層理煤巖的動態(tài)測試過程分為單軸壓縮沖擊實驗和動態(tài)三軸循環(huán)沖擊實驗，在單軸壓縮沖擊實驗采用0.3 MPa 沖擊壓力單次沖擊煤巖，并以單軸破壞結(jié)果數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)研究圍壓效應對煤巖的影響，在動態(tài)三軸循環(huán)沖擊實驗中使用1.0 MPa 沖擊壓力進行循環(huán)三次沖擊，研究動態(tài)三軸壓縮下層理效應對煤巖的影響。如圖5 所示，動態(tài)三軸循環(huán)沖擊實驗過程中，子彈速度均可控制在(13.216±0.025) m/s。然而，在計算入射能量時發(fā)現(xiàn)，設(shè)備在沖擊實驗過程中或多或少存儲或消耗了一些能量，導致入射能量略有偏差。為避免實驗裝置的影響，采用反射能、透射能和吸收能占入射能的百分比，來研究能量分配的變化：

圖5 含不同特征層理煤巖動態(tài)測試中的子彈速度和入射能量Fig.5 Velocity and incident energy of the bullets in dynamical tests on coal rock samples with different bedding angles

式中：x=i, r, t；Wi、Wr和Wt分別為入射、反射和透射應力波的能量；σi、σr和σt分別為入射、反射和透射應力波；Wa為吸收應力波能量；y=r, t, a；λr、λt和 λa分別為反射能、透射能和吸收能與入射能的比。

2 應力-應變曲線的變化特征

選取不同圍壓下45°層理煤巖的應力-應變曲線進行分析，發(fā)現(xiàn)含層理煤巖對有無圍壓的敏感性顯著。如圖6 所示，45°層理煤巖的應力-應變曲線在圍壓狀態(tài)下均出現(xiàn)彈性后效現(xiàn)象，圍壓促使煤巖的力學性質(zhì)從脆性向延性轉(zhuǎn)變。單軸沖擊壓縮下，煤巖的動態(tài)抗壓強度和失效應變分別為19.9 MPa 和0.022；當施加圍壓后，層理煤巖的動態(tài)抗壓強度和失效應變明顯增大，分別增大3.9～4.2 和2.59～3.05 倍。圍壓的施加增強了煤巖內(nèi)質(zhì)點的內(nèi)聚力，使晶格不易破壞，增大了煤巖的極限強度和韌性[29-30]。

圖6 不同圍壓下45°層理煤巖的應力-應變曲線Fig.6 Stress-strain curves of 45° bedding coal rock under different confining pressures

3 煤巖動態(tài)力學特性的層理效應

3.1 動態(tài)抗壓強度的變化特征

單軸壓縮沖擊和動態(tài)三軸壓縮沖擊狀態(tài)下，煤巖的動態(tài)力學性能差異明顯。在研究圍壓效應時，基于單軸沖擊壓縮破壞數(shù)據(jù)，如圖7 所示，將實驗所得數(shù)據(jù)采用樣條曲線擬合連接（以下數(shù)據(jù)結(jié)果若無明確標注則均為此方式連接），發(fā)現(xiàn)單軸壓縮沖擊下的動態(tài)抗壓強度隨層理角的增大呈U 形分布，其中0°和90°層理煤巖的強度最高。

圖7 無圍壓條件下含不同特征層理煤巖試樣的動態(tài)抗壓強度Fig.7 Dynamic compressive strengths of coal rock samples with different bedding angles without confining pressure

如圖8(a) 所示，不同層理角度煤巖的動態(tài)抗壓強度并沒有隨圍壓的增大而呈現(xiàn)單一的增大或減小的變化趨勢。圖8(b)顯示，煤巖的動態(tài)抗壓強度則隨層理角度的增大呈現(xiàn)明顯的U 形變化趨勢，90°層理煤巖的抗壓強度最高，0°層理煤巖的抗壓強度次之，45°層理煤巖的動態(tài)抗壓強度最低。因為90°層理方向與圍壓作用方向垂直，能較好地壓密煤巖內(nèi)部的孔隙和裂隙，對其動態(tài)抗壓強度的提高最顯著。當層理方向與圍壓方向存在夾角（如30°、45°、60°）時，層理面之間會發(fā)生摩擦或滑移，對其抗壓強度有增強效果，但明顯低于90°層理煤巖。

圖8 抗壓強度隨圍壓和層理角度的變化Fig.8 Variation of compressive strength with confining pressure and bedding angle

3.2 動態(tài)彈性模量的變化特征

彈性模量是物體抵抗彈性變形能力的量度。采用峰值應力的0.4 倍和0.6 倍的應力差與應變差之比計算煤巖的動態(tài)彈性模量：

式中：ε1和σ1分別為0.4 倍峰值應力時的應變和應力，ε2和σ2分別為0.6 倍峰值應力時的應變和應力。

如圖9 所示，彈性模量隨層理角度的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。在90°層理時最大，45°層理時最小。因為45°層理煤巖的抗壓強度最低，更易發(fā)生破壞變形，細裂紋的發(fā)展降低了煤結(jié)構(gòu)傳遞荷載的能力和比例，降低了材料性能，導致彈性模量降低，此規(guī)律與抗壓強度相似，因此認為含層理煤巖的動態(tài)力學參數(shù)的變化并不是孤立存在，而是相互影響。

圖9 不同圍壓下煤巖彈性模量隨層理角度的變化Fig.9 Variation of elastic modulus of coal rock with bedding angle at different confining pressures

4 煤巖能量演變的層理效應

4.1 能量分配率的變化特征

如圖10 所示，入射縱波以α1的角度通過層理面時，透射與反射效應同時發(fā)生，產(chǎn)生反射橫波、反射縱波、透射橫波、透射縱波[23-24]。不同層理面的α1不同，能量的透射和反射也會有很大的不同，因此，研究不同層理煤巖的能量變化率有非常重要的理論意義。

圖10 P 波在等效層理面上的反射和透射Fig.10 Reflection and transmission of P-waves at the equivalent bedding plane

如圖11(a) 所示，當研究煤巖的能量反射率時，發(fā)現(xiàn)2.5 和5.0 MPa 圍壓下能量反射率隨層理角度呈現(xiàn)下降趨勢，90°層理煤巖的能量反射率最小，0°層理煤巖的反射率最大，7.5 和11.0 MPa 圍壓下的能量反射率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在30°層理角度處達到最大。因為過高的圍壓施加在煤巖上，層理因為圍壓的施加而進一步發(fā)育，導致層理角度有所改變，能量的演化受圍壓和層理共同影響。

圖11 不同圍壓下煤巖能量分配率隨層理角度的變化Fig.11 Variation of energy distribution ratio of coal rock with bedding angle at different confining pressures

如圖11(b)所示，能量透射率與層理角度呈現(xiàn)U 形趨勢，這一趨勢與抗壓強度的趨勢相似，抗壓強度越高，能量透射程度越高，其中90°層理煤巖的透射率最高，其次是0°層理煤巖，0°和90°層理煤巖能更好地保證能量的穿透和傳遞，45°層理煤巖的透射率最低，說明角度層理（30°，45°，60°）煤巖更能降低能量的透射。

如圖11(c)所示，能量吸收率與層理角度呈現(xiàn)先增后減的∩形趨勢，與抗壓強度和彈性模量呈負相關(guān)，與峰值應變呈正相關(guān)，45°層理煤巖的能量吸收率最大，0°層理煤巖吸收率最低。因為在應力波作用0°和90°層理面時，應力波以反射和透射效應為主，當作用45°層理面時，更多的應力波能量被用于破壞斷裂層理面，能量吸收率達到最大。

4.2 損傷變量的變化特征

謝和平等[31]指出巖石失穩(wěn)和破壞損傷的本質(zhì)是能量釋放和耗散的演化過程。煤巖作為典型沉積巖，采用基于能量耗散理論的損傷變量可以更好地揭示其內(nèi)部損傷的本質(zhì)變化，因此按照耗散結(jié)構(gòu)理論，將損傷變量定義為吸收能∫量密度與本構(gòu)能的比值。如圖12所示，本構(gòu)能Up由煤巖應力（σ）-應變（ε）曲線進行積分得到，即Up=σdε，表示單元發(fā)生損傷和塑性變形時所消耗的能量；Ue為單元內(nèi)存儲的可釋放應變能，為巖石單元卸載后釋放的彈性應變能。此外，引入吸收能量密度Uc=Wc/Vc（Wc為煤巖的吸收能，Vc為煤巖的體積），表示煤巖單位體積吸收能量[32-33]；將D=Uc/Up定義為損傷變量[34]。

圖12 體積能量耗散和可釋放應變能Fig.12 Energy dissipation and releasable strain energy per unit volume

當D=0 時，煤巖單元體無損傷，無能量耗散；當D=1 時，煤巖單元體能夠承受所有的能量耗散，煤巖被完全破壞。如圖13 所示，D與層理角度呈N 形分布，層理角度為45°或90°時，D達到最大值。煤巖吸收能量用于裂紋的發(fā)育、擴展或貫通：在45°層理煤巖中，裂紋容易形成宏觀裂縫，發(fā)生斷裂；而90°層理煤巖更易吸收能量，形成未貫通的大量細觀裂紋?；谀芰糠ǖ腄有效地反映了煤巖體破壞的真實情況和本質(zhì)變化。

圖13 損傷變量隨層理角度的變化Fig.13 Variation of damage variable with bedding angle

5 層理煤巖表觀破壞形態(tài)及致裂機理

5.1 層理煤巖斷面粗糙度的變化特征

巖石斷裂面的形態(tài)對揭示巖石動態(tài)斷裂機制有重大意義，斷裂面的粗糙度也常被用于分析巖石裂縫中的剪切和流動行為。為此，選取3D 輪廓掃描儀（KEYENCE VR-5 000），測量層理煤巖的斷裂表面形態(tài)特征，以分析動態(tài)三軸循環(huán)壓縮沖擊下層理效應對煤巖斷裂特性的影響。并結(jié)合粗糙度分析模塊，采用下式計算三維表面粗糙度Sa，定量分析層理煤巖斷裂面粗糙度的變化特征[22]：

式中：Z為煤巖表面輪廓點到基準平面的距離，N和M分別為測量區(qū)域中相互垂直的2 個方向上的采集點數(shù)。

如圖14～17 所示，具有代表性的煤巖斷裂面的初始照片和三維掃描圖被分析展示，通過式(7)量化斷裂表面得到斷面粗糙度Sa。

圖14 在2.5 MPa 圍壓下不同層理角度煤巖斷裂面的初始照片和三維掃描圖Fig.14 Original photographs and 3-D scans of fracture interfaces of coal rocks with bedding angles at the confining pressure of 2.5 MPa

圖15 在5.0 MPa 圍壓下不同層理角度煤巖斷裂面的初始照片和三維掃描圖Fig.15 Original photographs and 3-D scans of fracture interfaces of coal rocks with bedding angles at the confining pressure of 5.0 MPa

圖16 在7.5 MPa 圍壓下不同層理角度煤巖斷裂面的初始照片和三維掃描圖Fig.16 Original photographs and 3-D scans of fracture interfaces of coal rocks with bedding angles at the confining pressure of 7.5 MPa

圖17 在10.0 MPa 圍壓下不同層理角度煤巖斷裂面的初始照片和三維掃描圖Fig.17 Original photographs and 3-D scans of fracture interfaces of coal rocks with bedding angles at the confining pressure of 10.0 MPa

如圖18(a)所示，Sa與層理角度呈∩形分布，在0°和90°最小，在45°層理角度達到最大。因為煤巖是由大量微米～厘米級晶粒組成的多晶體脆性材料，煤巖易沿著脆性層理面發(fā)生沿晶或穿晶斷裂，較0°和90°，45°層理面接觸薄弱，更易發(fā)生沿晶斷裂，破壞形式表現(xiàn)為壓剪層裂破壞。內(nèi)部晶粒在動載荷作用下會承受正應力和切應力而在層理斷裂面產(chǎn)生沖蝕坑和劃痕，0°層理方向與沖擊方向垂直，層理表面切削作用最小，正向的沖擊作用導致晶粒產(chǎn)生的沖蝕坑最深；90°層理方向與沖擊方向平行，更易發(fā)生穿晶斷裂[35]；45°層理面上的晶粒更易因沖擊而反彈，沖蝕坑加深并在層理斷裂面產(chǎn)生切削劃痕，使斷面粗糙度最高。如圖18(b)所示，斷面粗糙度與抗壓強度展現(xiàn)良好的負相關(guān)，即抗壓強度越高，斷面粗糙度越低。

5.2 煤巖表觀破壞形態(tài)

如圖19 所示，0°層理煤巖在循環(huán)沖擊后表面出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，在10 MPa 圍壓時出現(xiàn)張拉破壞。當圍壓為2.5 MPa 時，90°層理煤巖表現(xiàn)出劈裂損傷，但隨著圍壓的增大，煤巖表面則并無明顯裂紋，因為2.5 MPa 圍壓不足以壓實90°層理煤巖的內(nèi)部裂隙結(jié)構(gòu)，導致?lián)p傷較嚴重，然而對于90°層理煤巖，圍壓作用方向垂直于層理角度，圍壓能更好地保證煤巖內(nèi)部孔隙的閉合，因此當圍壓升高時，損傷開始減小，導致90°層理角度煤巖抗壓強度最高，破壞程度最低。層理角度為30°、45°、60°的煤巖均沿層理角的角度方向發(fā)生壓剪破壞，其中，45°層理煤巖破壞形式最嚴重，出現(xiàn)層裂現(xiàn)象，30°和60°層理煤巖分別在10.0 和7.5 MPa 圍壓情況下也有層裂現(xiàn)象出現(xiàn)，煤巖損傷對層理角的響應更敏感，損傷形式主要為沿脆性節(jié)理面斷裂[36]。

圖19 煤巖在不同圍壓和層理角度作用下的破壞模式Fig.19 Failure modes of coal rocks with different bedding angles at different confining pressures

5.3 致裂機理分析

如圖20 所示，沿不同層理角度的各種損傷形式可歸納為3 種，分別為垂直于沖擊方向的拉伸損傷、與沖擊方向呈夾角的壓剪損傷、平行于沖擊方向的劈裂損傷。對于0°層理煤巖，圖20(a)所示的破壞形式傾向于在高圍壓狀況下發(fā)生，這是由于圍壓足夠大的時候，煤巖表面會產(chǎn)生環(huán)形裂紋，在圍壓作用下的彎曲應力導致脆性表面拉伸形成損傷；圖20(b)所示的破壞形式最易發(fā)生，因為主層理角度極易改變煤巖內(nèi)部的應力狀態(tài)，導致破裂面上的摩擦承載能力下降，裂紋擴展并發(fā)生擴張和位移，對巖石造成剪切破壞，45°層理煤巖以壓剪層裂的破壞形式為主，30°和60°層理煤巖在7.5 和10.0 MPa 圍壓下，層裂現(xiàn)象也會出現(xiàn)；對于90°層理煤巖，圖20(c)所示的破壞形式傾向于在低圍壓下發(fā)生，這是由于煤巖在低圍壓下發(fā)生軸壓變形和側(cè)向膨脹變形，脆性層理面在拉伸作用下被激活開裂，最終沿著沖擊方向形成劈裂損傷。因此，煤巖的損傷破壞特征隨層理角度的變化可總結(jié)為張拉破壞(0°)-剪切破壞（30°、45°、60°）-劈裂破壞（90°）的演變過程。

圖20 煤巖在不同層理角度下的損傷形式Fig.20 Damage modes of coal rocks with different bedding angles

6 結(jié) 論

采用 ? 50 mm SHPB 測試系統(tǒng)，對含特征層理（0°、30°、45°、60°、90°）的煤巖進行了動態(tài)三軸循環(huán)沖擊實驗，探討了層理效應對煤巖動態(tài)力學參數(shù)和能量演化的影響，并結(jié)合3D 輪廓掃描儀測量斷裂表面以分析層理效應對煤巖斷裂特性的影響，獲得的主要結(jié)論如下。

(1) 圍壓的施加促使了煤巖由脆性向延性的轉(zhuǎn)變，應力-應變曲線出現(xiàn)彈性后效現(xiàn)象，抗壓強度和失效應變較無圍壓狀態(tài)增大3.9～4.2 和2.59～3.05 倍。施加圍壓后，煤巖對層理角度的響應更明顯，呈現(xiàn)一致的變化趨勢。45°層理煤巖的動態(tài)抗壓強度和彈性模量最低，90°層理煤巖的動態(tài)抗壓強度和彈性模量最高，0°層理煤巖的動態(tài)抗壓強度和彈性模量次之

(2) 45°層理能有效地抑制能量的透射，并加速能量的吸收用于裂隙發(fā)育，直至發(fā)生斷裂，導致該煤巖破壞最嚴重；90°層理更利于能量的透射，并抑制能量的反射。在5 MPa 圍壓之前，0°層理煤巖能量的反射率最高；之后，30°層理煤巖能量的反射率最高。這說明，層理煤巖的能量分配受圍壓和層理的相互影響，但層理作用仍占主導地位。

(3) 采用3D 輪廓掃描儀，對動態(tài)三軸循環(huán)沖擊煤的巖層理面特性進行了表征量化。含特征層理煤巖的斷面粗糙度與層理角度呈現(xiàn)∩形分布，在45°層理角度，斷面粗糙度達到最大；且斷面粗糙度與抗壓強度展現(xiàn)良好的負相關(guān)，即抗壓強度越高，斷面粗糙度越低。

(4) 0°層理煤巖在10 MPa 圍壓時出現(xiàn)張拉破壞，90°層理煤巖在2.5 MPa 圍壓時出現(xiàn)劈裂損傷。層理角度為30°、45°、60°的煤巖均沿脆性節(jié)理面發(fā)生壓剪破壞，破壞傾角主要受層理角度的影響，其中45°層理煤巖的破壞最嚴重，出現(xiàn)壓剪層裂破壞。