摘要：为了测定原生层理构造引起各向异性对无烟煤断裂韧度和断裂过程区(FPZ)孕育特性的影响，在MTS液压伺服试验系统上对不同层理倾角直切槽半圆弯曲(NSCB)无烟煤试样进行了I型三点弯曲加载试验。结合数字图像相关法(DICM)和声发射(AE)定位技术研究了裂纹尖端FPZ孕育过程。同时，基于Irwin-Bazant模型、Strip-yield均匀牵引模型和Strip-yield线性牵引模型，对无烟煤样完全发育FPZ长度进行预测，并与试验结果进行了对比分析。探讨了各向异性无烟煤FPZ几何形态以及不同层理角度无烟煤FPZ孕育过程中剪切和拉伸变形时序特征。结果表明：无烟煤的峰值载荷、峰值位移和断裂韧度均随层理倾角的增加而增大；与0°层理角度煤样相比，层理角度为22.5°、45°、67.5°和90°的煤样平均断裂韧度分别增大了6.76%、86.82%、85.47%和134.46%。Irwin-Bazant模型和Strip-yield均匀牵引模型预测的不同层理角度试样FPZ长度比试验值更短，而Strip-yield线性牵引模型预测值普遍高于试验值，Strip-yield均匀牵引模型对无烟煤FPZ长度预测与试验值最为接近。表明无烟煤试样裂纹尖端内聚力分布形态更加趋于均匀。无烟煤试样FPZ长度与断裂韧度和抗拉强度比值的平方成正比：L∝(KIC/σt)2。裂纹尖端变形以拉伸为主，剪切为辅，拉伸变形范围分布于27.71%～57.26%Pmax，剪切变形范围分布于72.88%～92.4%Pmax，裂纹尖端的拉伸变形发生时刻优先于剪切变形。层理角度为0°和45°试样各环向测量线上的应变场分布呈类似洋葱切面纹理分布，而90°试样的最大主应变监测值在大部分测量角度呈波动无序分布。无烟煤试样FPZ尖端各方向发散测线上，应变增加梯度并不相同。研究成果有助于进一步理解掌握含层理弱面无烟煤裂纹起裂与扩展机制，为煤层压裂增透缝网改造调控方法提供理论指导。
文章目录
1 试样制备及试验方案
1.1 试样制备
1.2 试验方案
2 试验结果分析
2.1 煤样断裂力学参数各向异性特征分析
2.2. 无烟煤试样中FPZ确定方法
2.2.1 基于DICM确定FPZ
2.2.2 FPZ长度的试验值和理论值
2.2.3 基于声发射FPZ长度验证
2.3 FPZ孕育中剪切-拉伸变形时序规律
2.4 煤样破断后裂纹迹线特征
3 讨论
3.1 各向异性无烟煤试样FPZ形态
3.2 层理结构对无烟煤试样起裂和扩展的影响
4 结论
