王晓卿1,2,3，康红普1,2,3，高富强1,2,3，赵 科1,2
(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013; 2.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013; 3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013)
摘 要:为研究结构面对节理煤体单轴压缩力学行为的影响，首先基于结构面实测与参数标定试验构建合成煤体模型，然后分别针对REV尺寸煤块与煤体进行不同加载方位的单轴压缩数值试验，分析结构面对节理煤体力学行为的影响机制以及裂隙的形成机制。结果表明:① 所构建的合成煤体模型可表征研究煤体，其REV为1.0 m×1.0 m×2.0 m;② 结构面弱化煤体单轴抗压强度与弹性模量，增大煤体单轴压缩变形，弱化/增强程度取决于加载方位与结构面的方位关系;③ 结构面决定煤体单轴压缩破坏方式，煤体表现为平行加载方向的劈裂破坏，加载方位不同劈裂形态不同;④ 提出了可量化评价基质破坏与结构面活化对节理岩体破坏贡献程度的指标:基质破坏贡献比和结构面活化贡献比;⑤ 平行加载方向的结构面在加载力作用下激活为活化原生裂隙，并在其端部发育出翼裂纹，形成压致拉裂裂隙组合。对于包含非贯穿结构面的煤体，裂隙组合彼此连通形成劈裂裂隙;对于包含贯穿结构面的煤体，贯穿的活化原生裂隙直接形成劈裂裂隙。
关键词:节理煤体;单轴压缩;结构面;基质裂隙;离散元模拟
中图分类号:TD313;TQ531.4
文献标志码:A
文章编号:0253-9993(2018)11-3088-10
WANG Xiaoqing1,2,3,KANG Hongpu1,2,3,GAO Fuqiang1,2,3,ZHAO Ke1,2
(1.Coal Mining and Designing Department,Tiandi Science & Technology Co.,Ltd.,Beijing 100013,China; 2.Coal Mining Branch,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China; 3.State Key Laboratory of Coal Mining and Clean Utilization,Beijing 100013,China)
Abstract:To investigate the influence of joints on uniaxial compression behavior of jointed coal,the synthetic coal mass specimen was first constructed based on the in-situ measurement of joints and numerical parameters calibration tests.Then the numerical uniaxial compression tests on intact coal and jointed coal with REV size under different loading orientations were conducted.Finally,the influence mechanism of joints on the mechanical behavior of jointed coal and the fracture formation mechanism were analyzed.The study shows that:① The constructed synthetic coal mass model can represent the jointed coal investigated,with the REV equaling to 1.0 m×1.0 m×2.0 m.② Joints weaken the UCS and elastic modulus,but increase the deformation of jointed coal under uniaxial compression,with the weakening/increasing degree depending on the relation between loading orientations and joints.③ Joints determine the failure mode of jointed coal under uniaxial compression.The jointed coal by splitting fracture parallel to loading directions,with different splitting geometries under different loading orientations.④ The contribution ratio of matrix failure and the contribution ratio of joints activation were put forward,which can be used to quantitatively evaluate the contribution degree of matrix failure and joints activation to the failure of jointed rock,respectively.⑤ The joint parallel to loading orientation is converted to activated pre-existing fracture under the effect of loading force,from the end of which grow the wing crack,both of which form the compression-induced tension fracture composition.For jointed coal containing non-penetrating joints,the splitting fractures are formed by the coalescence of fracture compositions.For the coal mass containing through joints,the splitting fractures are formed only by the through activated pre-existing fractures.
Key words:jointed coal;uniaxial compression;joints;matrix fracture;DEM simulation
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王晓卿，康红普，高富强,等.大尺寸节理煤体单轴压缩力学行为的离散元模拟研究[J].煤炭学报,2018,43(11):3088-3097.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2018.0834
WANG Xiaoqing,KANG Hongpu,GAO Fuqiang,et al.DEM simulation of mechanical behavior of jointed coal in large scale under uniaxial compression[J].Journal of China Coal Society,2018,43(11):3088-3097.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2018.0834
收稿日期:2018-06-26
修回日期:2018-11-10
责任编辑:郭晓炜
基金项目:国家自然科学基金资助项目(51774185);中国煤炭科工集团科技创新创业资金专项资助项目(2018QN017);天地科技股份有限公司开采设计事业部科技创新基金资助项目(KJ-2015-TDKC-06)
作者简介:王晓卿(1988—)，男，河北高邑人，助理研究员，博士。E-mail:wangxiaoqing@tdkcsj.com
通讯作者:康红普(1965—)，男，山西五台人，中国工程院院士，研究员，博士生导师。E-mail:kanghp@163.com
结构面显著影响煤体稳定性、可采性与瓦斯流动性，早在19世纪便有关于煤体结构面的研究[1]。煤体结构面可划分为3类:层理、内生裂隙和外生裂隙[2]。层理是在沉积成岩过程中形成的弱面，在整个煤层范围展布。内生裂隙是在成煤过程中由于煤体基质收缩而形成的，DRON[3]将其称为割理，自此这一称谓沿用至今。外生裂隙是煤层形成后受构造应力作用而产生的，通常成组出现。SU等[4]给出了割理和外生裂隙的区分标准。煤体中通常发育有两组相互垂直的割理，分别称为面割理和端割理，在大多数情况下面割理和端割理均垂直于层理[4-5]。面割理形成较早、规模较大，端割理形成较晚、规模较小，一般在面割理处终止[4-5]。LAUBACH等[6]详细描述了煤体割理的几何分布，并指出割理和层理通常将煤体切割成块状。
巷道之间布置的煤柱、房柱式开采中留设的房柱，均为典型的单轴压缩，巷道浅部围岩也可简化为单轴压缩受力状态，因此准确评估煤体单轴压缩力学性质对指导煤矿工程设计极为重要。评估节理岩体力学性质的方法主要有原位试验法、经验法和数值模拟法。BIENIAWSKI等[7]、COOK等[8]、HEERDEN等[9]先后开展了大尺寸煤体单轴压缩原位试验，获得了大量原位数据，指导了煤柱设计，但原位试验成本高昂、操作困难，不便广泛开展。经验法基于岩体分类方法(Q[10]，RMR[11]，GSI[12]等)与Hoek-Brown强度准则[13]对岩块参数进行节理化折减来评估岩体力学性质，经验法高效实用，但主观性强。由于裂隙模拟能力较差，连续元数值模拟通过参数折减对结构面作等效处理，而离散元模拟则简化结构面分布，导致模拟效果较差。PIERCE等[14]于2007年提出了基于颗粒离散元的合成岩体(Synthetic Rock Mass,SRM)方法，该方法通过建立合成岩体模型精确评估岩体力学性质，能够模拟基质裂隙孕育、扩展、贯通的整个过程，以及结构面的滑移和张开，而且无需预设本构模型。VALLEJOS等[15]采用SRM方法构建了纹理铜矿石模型，通过单轴压缩试验研究了纹理对铜矿石力学性质的影响。DEISMAN等[16]和GAO等[17]分别采用SRM方法构建了节理煤体模型，并基于系列单轴压缩试验研究了结构面对煤体力学性质的影响。LEE等[18]采用SRM方法构建了含两条预制裂纹的花岗岩模型，并在单轴压缩条件下分析了裂纹的扩展模式。吴顺川等[19]采用SRM方法研究了岩体的强度和变形特征。周喻等[20]采用SRM方法研究了白云鄂博铁矿高边坡的稳定性。
综上分析，已有大量采用PFC(Partical Flow Code)SRM方法分析节理岩体单轴压缩力学行为的研究，但基本所有研究仅针对包含单一或简单组合结构面的岩体开展，很少涉及复杂结构面网络，并且数值模型颗粒数量较少，或者局限于二维情况。为研究节理煤体的单轴压缩力学行为，笔者基于实测与参数标定试验构建合成煤体模型，针对REV尺寸煤块/煤体进行单轴压缩数值试验，分析结构面对煤体单轴压缩力学行为的影响。上述研究可为其他复杂节理岩体的力学行为分析提供参考。
岩体由岩石基质与结构面组成，PFC分别采用黏结颗粒模型(Bonded Particle Model,BPM)与离散裂隙网络(Discrete Fracture Network,DFN)来表征岩石基质与结构面。BPM通过在颗粒之间赋予黏结接触模型来模拟类岩石材料，一般使用平行黏结接触模型(Parallel Bond Model,PBM)[21]，本文即采用PBM构建煤体基质。DFN可描述结构面的几何分布，并引导光滑节理接触模型(Smooth Joint Model,SJM)[21]赋予给DFN两侧颗粒之间的接触，从而实现结构面滑移和张开的模拟。在构建BPM和DFN的基础上，PFC将BPM与DFN交切位置的黏结接触模型替换为SJM，实现二者交互，形成可准确表征岩体的SRM模型，并针对SRM模型进行加载试验，获取相应的力学响应。SRM方法示意如图1所示。
图1 PFC SRM方法示意
Fig.1 Sketch map of PFC SRM method
BPM的破坏表现为PBM黏结的破断，黏结拉、剪破坏分别产生微观拉、剪裂缝，大量微裂缝组合形成基质裂隙，但基质裂隙的宏观形成机理可能为拉裂或剪裂。本文通过分析微裂缝组成判断基质裂隙的形成机理，对于仅由拉裂缝组成且隙宽较大的裂隙，其形成机理为拉裂;而对于由拉、剪裂缝共同组成且闭合的裂隙，其形成机理为剪裂，因为剪切一般发生在接触界面并且伴随微突起的拉破坏[22]。
SRM模型的破坏除了基质裂隙外，还包括结构面等原生裂隙。结构面由大量SJM接触模型模拟，在颗粒受载运动过程中，部分SJM由于两侧颗粒远离而消失，导致结构面活化，形成活化原生裂隙。为量化基质裂隙与活化原生裂隙对SRM模型破坏的贡献程度，在采用非黏结SJM接触模型的条件下，提出SRM模型破坏的描述指标。
(1)基质破坏贡献比M，定义为基质破坏对SRM模型破坏的贡献程度，即
(1)
式中，nc为微裂缝的数量;ns为SJM接触模型的初始数量;m为结构面活化系数，SJM减少量占初始SJM数量之比。
(2)结构面活化贡献比D，定义为结构面活化对SRM模型破坏的贡献程度,即
(2)
DFN建模基于结构面采样和蒙特卡罗算法[23]。结构面采样对象为寺河矿3号煤层，平均厚度为6.3 m，在3组近似正交结构面交切下表现出块状破坏特征。为覆盖不同方位的结构面，选取5304工作面运输巷14号新掘钻场为采样区域，钻场尺寸为4 m×4 m×4 m，在不同外露面共布置5条测线与1个测窗，采用地质罗盘和钢卷尺测量结构面的方位、迹长和间距等参数。结构面有效采样数量为119个，包括28个层理、51个端割理与40个面割理。针对各组结构面，分别统计倾向、倾角、迹长与间距服从的概率分布(表1)。
表1 煤体结构面参数统计结果
Table 1 Statistical results of joints parameters in jointed coal
注:端割理与面割理的迹长仅指其长度，其宽度等于层理间距。
基于煤体结构面统计结果，首先使用FracMan软件进行煤体DFN建模，然后通过编程将FracMan的数据文件编译成PFC3D可识别的格式，实现煤体DFN在PFC3D中的构建，尺寸为4 m×4 m×4 m(图2A)。图2C，D随机展示了2个空间分层内结构面的交切情况，符合文献[4-6]所描述的煤体结构面赋存特征。
图2 煤体DFN数值模型
Fig.2 Numerical model of DFN in jointed coal
在真实煤体及煤体DFN的相同部位布置2个钻孔，如图2所示，钻孔直径为130 mm，长度为4 m。在真实煤体钻孔取芯并统计RQD值;通过编制Fish函数计算煤体DFN与钻孔的交切情况，得到RQD值如图3所示。从图3可以看出，无论在块度分布还是在RQD值方面2种方法所得结果均较为接近，表明所构建的煤体DFN可以准确描述煤体结构面分布情况。
图3 实测RQD与数值RQD对比
Fig.3 Comparison results of measured and numerical RQDs
岩体力学性质存在尺寸效应，当岩体力学性质趋于稳定的最小尺寸称为表征单元体体积(REV)[24]。REV可通过结构面发育强度指标随岩体尺寸的变化情况确定，常用的指标有P32与P31，分别代表单位体积岩体内结构面的面积与数量。通过编制Fish函数实现不同尺寸DFN的随机截取及P32，P31的计算，每种尺寸随机截取5次并作平均处理，计算结果如图4所示。从图4可以看出，P32与P31均在煤体尺寸达到1.0 m×1.0 m×2.0 m时趋于稳定，则该尺寸即为研究煤体的REV，与煤体实侧REV(1～1.5 m)[7-9]基本一致。
图4 P32，P31随煤体尺寸的变化
Fig.4 Varieties of P32 and P31 with the size of jointed coal
煤体BPM是构建煤体SRM模型的基础。考虑到SJM的使用，为保证结构面滑移与岩桥破断模拟效果，相邻结构面之间的颗粒数量不应小于5个[16,25]。煤体DFN中结构面的最小间距为10 cm，则颗粒粒径应介于1.6～2.0 cm。首先利用周期边界技术[21]构建REV尺寸煤体BPM，然后将煤体BPM内置于煤体DFN中，使用1.1所述的合成岩体方法完成REV尺寸煤体SRM模型的构建，如图5所示，颗粒数量为518 432个。
图5 煤体SRM模型的构建
Fig.5 Construction of jointed-coal SRM model with REV size
数值分析之前必须标定PBM和SJM接触模型的细观参数。将钻孔煤芯截割打磨成直径为50 mm、高径比为2的圆柱体煤块试件，进行单轴压缩试验，得到煤块的单轴抗压强度、弹性模量和泊松比等宏观力学参数。在数值模拟中构建相应尺寸的煤体BPM并进行单轴压缩试验，通过调整颗粒与PBM的细观参数实现煤块宏观力学参数匹配。采选层理显著煤样，并截割成边长为10 cm、包含横向贯穿结构面的立方体煤样，进行不同正应力条件下的直剪试验，得到煤体结构面的剪切刚度、法向刚度与剪切强度包络线等宏观参数，同样构建包含水平贯穿结构面的立方体煤体BPM，并对结构面赋予SJM接触模型，在颗粒与PBM细观参数不变的情况下，通过调整SJM的细观参数实现煤体结构面宏观力学参数的匹配。煤体SRM模型的细观参数见表2。
表2 煤体SRM模型的细观参数
Table 2 Micro-parameters of SRM model of jointed coal
在SRM模型顶底面创建墙体，模拟加载板，设置摩擦因数为0，以消除端面摩擦。对上下墙体施加0.1 m/s的相向速度模拟加载。墙体受力与SRM模型横截面积的比值为轴向应力;墙体移近量与模型初始高度的比值为轴向应变。由于加载板的边界效应，SRM模型顶底端变形破坏最为严重，为反映模型真实变形行为，选择模型高度上下1/4以里部分作为横向应变的监测范围，模型横向跨度变化量与初始跨度的比值为横向应变。弹性模量与泊松比的计算区间为1/2UCS±1 MPa，当轴向应力减小至UCS的1%时停止加载。由于模型中包含原生裂隙，模型在加载弹性阶段即可能出现横向非连续变形，导致“泊松比”>1，但仍可借用泊松比的概念对比节理煤体的横向变形。由于颗粒数量高达518 432个，完成每个数值模拟需2～3 d。
REV尺寸煤体BPM的单轴压缩破坏效果如图6所示。破坏主要发生在模型顶底端，破碎区之间保留有相对完整的煤块，见裂隙形态切片，但在X=0.25～0.5 m内发育有一条竖向裂隙，切入完整煤块(图6中圈注)。微观裂缝总数为463 952个，其中拉裂缝为406 937个，剪裂缝为57 015个，剪裂缝主要分布在模型与加载板交界位置，而模型本身的裂隙基本由拉裂缝组成，见图6中数字标注，表明裂隙主要为拉裂。REV尺寸煤块在单轴压缩条件下表现为由端及里的渐进拉裂破坏。
图6 REV尺寸煤块单轴压缩破坏模拟效果
Fig.6 Failure simulation result of intact coal with REV size under uniaxial compression
应力应变模拟曲线如图7所示,包含初始下弯段、直线段、峰前上弯段、峰后陡降段及残余强度段，符合典型应力应变全程曲线。REV尺寸煤块的单轴抗压强度(UCS)为23.1 MPa，弹性模量E为2.29 GPa，泊松比ν为0.24。横向应变在应力峰前增加缓慢，峰后陡增，而且在残余强度阶段仍呈快速增长趋势，表明REV尺寸煤块峰后变形剧烈且持续。
图7 REV尺寸煤块单轴压缩应力应变模拟结果
Fig.7 Numerical result of stress and strain of intact coal with REV size under uniaxial compression
为研究加载方位对煤体单轴压缩力学行为的影响，分别针对REV尺寸煤体进行垂直层理、面割理与端割理单轴加载数值试验,模型均以坐标原点为中心。
3.2.1 垂直层理单轴加载
垂直层理单轴压缩条件下REV尺寸煤体破坏模拟效果如图8所示。煤体Y-Z平面发育有3条竖向裂隙，在裂隙切片中可以看到左侧裂隙规模最大，贯穿整个煤体;其余2条裂隙规模较小，而且中间裂隙为非贯穿裂隙。在裂隙切片上叠加微裂缝与DFN，可以看出裂隙主要由活化面割理裂隙和基质裂隙组成。面割理平行加载方向，长度大，分布均匀，容易形成横向贯穿裂隙;基质裂隙主要发育在面割理之间，在上下面割理不连续或者存在错动时，起贯通原生裂隙的作用。裂隙贯通详见放大图，基质裂隙发端于活化原生裂隙端部并且由拉裂缝组成，为拉裂裂隙，即翼裂纹[26]。综上所述，垂直层理单轴加载条件下，煤体发生平行加载方向的劈裂破坏，由面割理主导，面割理之间的岩桥破坏起贯通作用，但劈裂裂隙数量较少。
图8 REV尺寸煤体垂直层理单轴压缩破坏模拟效果
Fig.8 Failure simulation result of jointed coal with REV size under uniaxial compression normal to bedding planes
应力应变模拟结果如图9所示。应力应变曲线同样符合典型阶段特征。UCS为15.3 MPa，弹性模量为1.69 GPa，泊松比为1.76。微裂缝总数为257 061个，其中拉裂缝为228 297个，剪裂缝为28 764个，大量微裂缝分布在模型与加载板交界位置，如图8所示。SJM的初始数量为327 036个，减少了155 847个，则结构面活化系数为47.7%，将各值代入式(1)，(2)，计算得结构面活化贡献比为37.8%，煤体基质破坏贡献比为62.2%。煤体破坏由煤体基质破坏与结构面活化破坏共同组成。
图9 REV尺寸煤体垂直层理单轴压缩应力应变模拟曲线
Fig.9 Numerical stress-strain curves of jointed coal with REV size under uniaxial compression normal to bedding planes
3.2.2 垂直面割理单轴加载
REV尺寸煤体垂直面割理单轴压缩破坏模拟效果如图10所示。Y-Z平面出现了8条平行加载方向的贯穿裂隙，将模型切割成板状，模型底部出现了横向长条碎块，导致模型失去支撑，发生整体倾斜。从X=0 m位置的裂隙切片可以看出，8条贯穿裂隙由对应位置的层理激活而来，横向长条碎块则是层理裂隙与面割理裂隙交切的结果。综上分析，在垂直面割理单轴加载条件下，煤体发生板状劈裂破坏，劈裂裂隙由平行加载方向的层理激活而来。
图10 REV尺寸煤体垂直面割理单轴压缩破坏模拟效果
Fig.10 Failure simulation result of jointed coal with REV size under uniaxial compression normal to face cleats
应力应变模拟结果如图11所示。应力应变曲线仍呈现典型阶段特征。UCS为7.7 MPa，弹性模量为1.44 GPa，泊松比为3.61。微裂缝总数为60 068个，其中拉裂缝52 221个，剪裂缝7 847个，数量极少且集中分布在模型与加载板交界位置，如图10所示。SJM的初始数量为350 931个，减少了213 765个，则结构面活化系数为60.9%，结构面活化贡献比为78.1%，基质破坏贡献比为21.9%。煤体破坏以结构面活化为主。
图11 垂直面割理单轴压缩条件下REV尺寸煤体应力应变模拟曲线
Fig.11 Numerical stress-strain of jointed coal with REV size under uniaxial compression normal to face cleats
3.2.3 垂直端割理单轴加载
REV尺寸煤体垂直端割理单轴压缩破坏模拟效果如图12所示。模型劈裂成较多长条，底部长条被进一步截割成碎块，向四周扩散，呈现出“上窄下宽”的破坏形态。由模型切片可以看出，X-Z平面的裂隙为贯穿裂隙，由层理激活而来;X-Y平面的裂隙为非贯穿裂隙，由面割理激活而来。层理裂隙和面割理裂隙将煤体切割成长条，部分长条又被横向端割理裂隙切割成碎块。在平行加载方向的非贯穿面割理端部通常发育有翼裂纹[26]，翼裂纹连通相邻的面割理裂隙或模型边界，导致裂隙贯通，见图12中圈注。综上分析，在垂直端割理单轴加载条件下，煤体发生条状劈裂破坏，劈裂裂隙主要由层理和面割理激活形成。
应力应变模拟结果如图13所示。UCS为7.1 MPa，弹性模量为1.48 GPa，泊松比为5.39。微裂缝总数为89 881个，其中拉裂缝为81 040个，剪裂缝为8 841个，微裂缝数量较少。SJM的初始数量为337 329个，加载过程中减少了309 884个，则结构面活化系数为91.9%，DFN破坏贡献比为77.6%，基质破坏贡献比为22.4%。煤体破坏以结构面活化为主。
数值模拟结果如图14所示，对比发现，结构面显著影响煤体的强度与变形参数，促使煤体力学性质表现出各向异性，具体表现在:
图12 REV尺寸煤体垂直端割理单轴压缩破坏模拟效果
Fig.12 Failure simulation result of jointed coal with REV size under uniaxial compression normal to butt cleats
图13 垂直端割理单轴压缩条件下REV尺寸煤体应力应变模拟曲线
Fig.13 Numerical stress-strain curves of jointed coal with REV size under uniaxial compression normal to butt cleats
(1)结构面弱化煤体单轴抗压强度与弹性模量，弱化程度取决于加载方向与结构面的方位关系。垂直于层理加载时，平行加载方向的面割理首先活化然后通过基质裂隙连通其他面割理裂隙最终形成贯穿裂隙(图8);垂直面割理加载时，平行加载方向的层理活化为贯穿裂隙(图10);垂直端割理加载时，平行加载方向的层理活化为贯穿裂隙，面割理活化为单维度贯穿裂隙(图12)，即贯穿裂隙的形成难度由大至小为垂直层理、面割理与端割理加载，因此单轴抗压强度依次降低。
(2)结构面增大煤体单轴压缩变形，增大程度取决于加载方向与结构面的方位关系。煤体变形主要来自于横向非连续变形，而横向非连续变形主要来自于平行加载方向原生裂隙活化与隙宽增大。由于平行加载方向分布有大量结构面，导致煤体横向变形普遍大于煤块。垂直层理加载时，贯穿裂隙数量较少，由面割理裂隙与基质裂隙组合而成(图8);垂直面割理加载时，贯穿裂隙单维度且隙宽较大的层理裂隙群(图10);垂直端割理加载时，贯穿裂隙分布在2个维度，分别为层理裂隙群与面割理裂隙群(图12)。因此，垂直层理加载煤体横向变形最小，垂直端割理加载横向变形最大，垂直面割理加载横向变形居中。
(3)结构面决定煤体单轴压缩破坏方式。大尺寸煤体表现为平行加载方向的劈裂破坏。垂直层理加载时，煤体劈裂裂隙由活化面割理裂隙与基质裂隙组成，数量较少;垂直面割理加载时，煤体呈板裂破坏，贯穿裂隙为活化层理裂隙;垂直端割理加载时，煤体呈条状破坏，裂隙基本为活化层理与面割理裂隙。
(4)基质破坏贡献比和结构面活化贡献比可在一定程度上反映岩体的强度和变形参数。在岩体尺寸一定的条件下，随结构面分布变化，基质破坏和结构面活化对岩体破坏的影响此消彼长，导致岩体表现出不同的强度和变形参数。如图14所示，煤块以及煤体垂直层理与面割理加载时，随基质破坏贡献比减小，煤体单轴抗压强度与弹性模量减小，变形增大，表现为正/负相关关系。但对比垂直面割理与端割理加载情形，正/负相关关系不再成立，这是由于煤体强度降低主要源于贯穿裂隙，非贯穿裂隙影响不大;煤体变形可能源于既成裂隙隙宽的增大，而非新裂隙的产生。
图14 单轴压缩数值试验结果汇总
Fig.14 Results of uniaxial compression numerical tests
煤体在单轴压缩条件下发生平行加载方向的劈裂破坏，劈裂裂隙或者由活化原生裂隙单独组成，或者由活化原生裂隙与基质裂隙共同组成，并且基质裂隙通常起始于活化原生裂隙端部，形成翼裂纹[26]。
(1)原生裂隙的活化机制。由于煤体内结构面的非均匀分布，平行加载方向结构面两侧煤体刚度不同，在轴向力作用下结构面两侧煤体发生非均等滑移，滑移量的差异形成结构面的剪切，在结构面剪切滑移过程中，由于壁面粗糙产生剪胀效应，导致结构面张开。原生裂隙活化机制示意如图15所示。
图15 原生裂隙活化及翼裂纹形成机制示意
Fig.15 Sketch map of pre-existing fracture activation and wing crack forming
(2)翼裂纹的形成机制。由于结构面内外煤体剪切位移的明显差异，在结构面端部形成切向拉应力集中，产生切向拉裂纹，拉裂纹随后逐渐转向平行压应力方向，形成翼裂纹[26]。随压应力增高，翼裂纹将沿最大主压应力方向继续扩展。翼裂纹的形成机制显著区别于宏观拉应力条件下的裂纹形成机制，称为压致拉裂(compressional fracturing)[27]。翼裂纹形成机制示意如图15所示。活化原生裂隙与其两端的翼裂纹形成压致拉裂裂隙组合。
(3)劈裂裂隙的形成过程。当煤体内包含有平行加载方向的非贯穿结构面时，形成大量压致拉裂裂隙组合，这些裂隙组合彼此连通，或者翼裂纹连通至模型边界，最终形成劈裂裂隙(图16(a))，垂直层理单轴加载煤体破坏即属此种类型。当煤体内包含有平行加载方向的贯穿结构面时，贯穿结构面转化为贯穿整个模型的活化原生裂隙，直接形成劈裂裂隙(图16(b))，垂直面割理及端割理单轴加载煤体破坏则属此种类型。
图16 单轴压缩条件下煤体劈裂裂隙形成过程示意
Fig.16 Sketch map of forming process of splitting fractures in jointed coal under uniaxial compression
(1)基于结构面原位测量和参数标定试验构建了合成煤体模型，可准确表征具有特定结构面分布的研究煤体，其REV为1.0 m×1.0 m×2.0 m。
(2)结构面弱化煤体单轴抗压强度与弹性模量，增大煤体单轴压缩变形，弱化/增强程度取决于加载方位与结构面的方位关系。垂直层理单轴加载，煤体单轴抗压强度与弹性模量最大，垂直面割理与端割理单轴加载，煤体单轴抗压强度与弹性模量较为接近，但远小于垂直层理加载情形。垂直层理单轴加载煤体横向变形最小，垂直端割理单轴加载煤体横向变形最大，垂直面割理单轴加载煤体横向变形居中。
(3)结构面决定煤体单轴压缩破坏方式。煤体表现为平行加载方向的劈裂破坏，加载方位不同劈裂形态不同。垂直层理单轴加载，煤体劈裂裂隙数量较少;垂直面割理单轴加载，煤体呈板裂破坏;垂直端割理单轴加载，煤体呈条状破坏。
(4)提出了可量化评价基质破坏与结构面活化对节理岩体破坏贡献程度的指标:基质破坏贡献比和结构面活化贡献比，二者在一定程度上可以反映岩体的强度和变形参数。
(5)得到了单轴压缩条件下煤体裂隙的形成机制。平行加载方向的结构面在加载力作用下激活为活化原生裂隙，并在其端部发育出翼裂纹，形成压致拉裂裂隙组合。对于包含非贯穿结构面的煤体，裂隙组合彼此连通形成劈裂裂隙;对于包含贯穿结构面的煤体，贯穿的活化原生裂隙直接形成劈裂裂隙。
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