循环梯度加载下煤岩损伤破坏特性及能量演化规律研究

煤矿开采中岩体受开挖卸荷因素的影响常处于反复的循环加载过程,为研究循环梯度加载作用下煤岩的损伤破坏特性和能量演化规律,对煤样进行单轴循环梯度加载实验,对比分析煤岩在不同循环梯度加载下的变形破坏特性、输入能量密度、耗散能密度和损伤变量的规律。结果表明:随着循环梯度应力的递增,煤岩试样所承受的循环次数递减、峰值强度降低,分别为17.97、14.86、11.23、10.53 MPa;在循环梯度加载中,输入能量密度绝大部分以弹性应变能的形式储存于岩样内部,耗散能在单次循环输入总能量的0.2%~40%之间递增。选用累积耗散作为煤岩损伤破坏全过程的量化指标,并通过Logistic方程对煤岩损伤进行了拟合,得到了煤岩损伤的演化模型。

脆性煤岩损伤模型及冲击地压损伤能量指数

根据脆性煤岩的试验研究结果 ,采用损伤力学的原理和方法 ,建立了脆性煤岩的损伤本构模型 ,对脆性煤岩的损伤力学特性进行了研究。在此基础之上 ,从煤岩损伤力学角度出发 ,研究了煤岩内部能量转化机制 ,导出了脆性煤岩损伤能量释放率 ,分析了煤层发生冲击地压过程中的能量变化 ,并提出了冲击地压的损伤能量指数这一新的概念 ,确定了冲击地压发生的必要条件。

单轴压缩荷载作用下煤岩损伤演化规律的CT实验

冲击地压是煤岩体损伤破坏的特殊表现形式 ,为了弄清冲击地压的发生机理 ,利用CT机及其配套专用加载设备 ,进行了单轴压缩荷载作用下煤岩破坏全过程的细观损伤演化规律动态CT试验 ,得到了单轴荷载作用下各个应力阶段煤岩在从微孔洞压密到微裂纹萌生、分叉、发展、断裂、破坏以及峰值后各个阶段清晰的CT图像和CT数。通过对CT数和方差等数据进行分析 ,得到了单轴荷载作用下各个应力阶段煤岩的损伤演化规律 ,为从细观尺度探讨微裂纹的发生、发展提供了依据 。

三轴应力下煤岩损伤-能量演化特征研究

为有效预防煤岩动力灾害,利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流试验装置对煤岩进行三轴压缩试验,研究三轴应力下煤岩的变形破坏特征及损伤过程中的能量演化机制;建立煤岩损伤本构模型;构建损伤-能量耦合数学表达式。结果表明:不同围压下煤岩偏应力-应变曲线的变化趋势基本一致;煤岩在变形破坏过程中,能量转换形式随变形破坏规律呈现阶段性变化;围压对煤岩的能耗特征有较大的影响,煤岩吸收的总能量、弹性能、耗散能的增长速率均随围压的增大而增大,且在峰值偏应力点处,随着围压的增大,临界破坏点总能量、储能极限、临界破坏点耗散能线性增大;能量耗散是造成煤岩内部结构产生损伤的主要原因,耗散能随损伤变量的增大总体上呈S型变化。

基于MTS-AE单轴压缩下的煤岩损伤特征

基于MTS-AE单轴压缩条件下,对煤岩损伤、变形与破裂过程进行了测试;运用损伤变量理论,分析单轴压条件下煤样损伤破裂阶段的声发射能量-应力/应变参数与损伤变量之间的内在联系与特征规律。研究结果可对现场安全开采提供一定的理论指导。

力热耦合作用下煤岩损伤的能量特征

为有效预防煤岩动力灾害发生,利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流试验装置,开展不同温度下三轴压缩试验。基于统计损伤力学理论,得到温度荷载下煤岩的整体损伤演化方程,推导煤岩变形破坏过程中的能量数学表达式,并通过引入耗散能系数,提出力热耦合下煤岩破坏点的确定方法。研究结果表明:不同温度下煤岩变形破坏过程的阶段特征基本相似,对应煤岩不同的变形破坏阶段,能量演化特征呈现阶段性变化;总能量的分配在变形破坏过程中基本不受温度的影响,不同温度下弹性能占比和耗散能占比的演化规律具有较大的相似性;能量的耗散是造成煤岩内部结构产生损伤的主要原因,伴随着能量不断耗散煤岩的整体损伤变量总体上呈幂函数增长。

瓦斯气体劣化-荷载作用下煤岩损伤本构模型

为有效预防煤矿瓦斯动力灾害,研究瓦斯气体对煤岩力学性质的劣化机制及煤岩损伤演化特征,以原煤试样为研究对象,利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流试验装置,开展不同瓦斯压力下煤岩三轴压缩试验;建立瓦斯气体劣化-荷载作用下煤岩损伤本构模型,通过试验结果验证该模型的合理性。结果表明:煤岩在塑性变形阶段前累计损伤几乎为0,峰后损伤程度迅速增大;随着瓦斯压力升高,煤岩峰值强度与弹性模量均降低,瓦斯气体作用后煤岩初始损伤量显著增加;煤岩黏聚力随瓦斯压力升高而呈线性降低,通过黏聚力与瓦斯压力的关系修正Mohr-Coulomb准则,可量化考虑瓦斯气体劣化后的煤岩应力应变关系;所建模型与试验结果吻合度较高,可反映不同瓦斯压力作用下煤岩损伤演化过程。

考虑孔隙瓦斯劣化作用的煤岩损伤本构模型

矿井瓦斯是煤岩体赋存环境因素之一,同时也是影响煤岩力学性质的主要因素,研究基于煤岩损伤统计特征及Drucker-Prager破坏准则,分析得出了煤岩单轴压缩载荷作用下损伤演化本构模型,基于煤岩弹性波速相关理论建立了孔隙瓦斯对煤岩力学性能劣化损伤力学模型,并在此基础上得出了考虑孔隙瓦斯劣化作用的煤岩损伤本构模型;以原煤及型煤试样为研究对象,开展了不同孔隙瓦斯压力条件下煤岩单轴压缩破坏实验,基于实验研究结果对模型进行了验证。研究结果表明所建立的模型可以很好的反映孔隙瓦斯作用下煤岩单轴压缩载荷条件下的应力-应变关系。

基于颗粒流理论的加载速率对煤岩损伤演化特性的影响分析

基于颗粒离散元程序PFC,利用黏结颗粒模型BPM设计了不同位移加载速率的单轴压缩试验,对加载过程中煤岩裂纹扩展情况及破坏形态进行了记录,研究分析了加载速率对煤岩损伤演化规律及声发射特性的影响。结果表明,随着加载速率的增大,煤岩单轴抗压强度及破坏程度增大;加载速率越大,煤岩破坏时的端面效应越大,破坏形态由单一的剪切破坏向多面剪切破坏转变;加载速率对煤岩声发射活动的影响主要集中在应力峰值附近,加载速率越大,煤岩峰值破坏时的声发射活动越剧烈。试验结果可为煤矿及岩体工程的损伤劣化监测提供一定的参考,并且对煤矿安全开采具有重要的指导意义。

基于单轴压缩红外辐射的煤岩损伤演化特征

为定量分析煤岩受载过程中红外辐射温度特征参数与煤岩损伤演化规律,采集并分析了煤岩单轴压缩条件下的红外辐射温度数据,根据损伤力学理论构建了煤岩损伤模型,得到了最高红外辐射温度积累量和煤岩损伤之间的关系。结果表明:(1)煤岩受载最高红外辐射温度-时间曲线与载荷-时间曲线有很好的对应关系,最高红外辐射温度能够反映煤岩受载破坏情况;(2)基于最高红外辐射温度积累量的煤岩损伤演化模型能够很好地反映煤岩在单轴压缩条件下裂隙缺陷产生、发展和破坏的演化过程;(3)基于最高红外辐射温度积累量的计算应力和实测应力的整体相关性系数达到0.8以上,呈高度相关,且计算应力-应变曲线峰值超前于实测应力-应变曲线峰值。

煤岩损伤研究的CT扫描技术发展现状及展望

CT扫描技术因其无损伤、高分辨率、数字化等优点被广泛应用于煤岩损伤研究领域,为促进煤岩损伤理论研究的深入,从CT扫描技术着眼,基于前期文献调研,总结归纳了煤岩损伤领域该技术及装备的发展历程,回顾了利用CT扫描试验进行煤岩损伤表征的研究进展,主要包括:煤岩损伤程度的CT图像和CT数表征,损伤变量的CT数定义,以及满足工程实践的煤岩损伤本构方程的构建。在此基础上,分析了当前技术条件下利用CT扫描技术进行煤岩损伤研究所遇到的问题,指出提高CT图像时空分辨率、改进图像处理软件、开发新型图像重构算法、研发与CT系统相适应的复杂应力加载系统,将会对煤岩损伤研究的发展起到更大的作用。

分级循环加卸载作用下煤岩损伤本构模型研究

以煤岩为研究对象,通过分级循环加卸载试验研究煤岩损伤力学特性;应用Weibull统计分布函数,并引进损伤变量D,基于煤岩微元体强度符合Mises屈服准则,建立了适用于煤岩加卸载阶段的损伤本构模型;根据试验数据,采取非线性拟合的方法确定各循环等级的模型参数值,分析了模型参数的物理意义。研究结果表明:基于Mises屈服准则建立的损伤本构模型能够准确反映煤岩分级循环加卸载下的应力-应变关系;随着加卸载等级的提高,残余应变逐渐积累,弹性模量先增大后减小,滞回环形状表现为"胖"-"瘦"-"胖"的特点;本构模型参数具有明确的物理意义。

基于岩样变形PFC验证的多缝槽煤岩损伤特性分析

为了分析水力割缝(冲孔)瓦斯高效抽采工艺中多缝槽布置对增透机制的影响,基于岩样单轴压缩数字散斑实验与颗粒流PFC模拟岩样变形的一致性验证,采用PFC模拟单轴加载下3缝槽煤岩试样力学损伤行为,分析缝槽中心连线与水平面夹角θ、缝槽分布水平对试样强度、裂纹发育以及裂纹扩展的影响,探讨缝槽分布方式对煤层增透作用特点,并通过实验室岩样声发射实验对模拟结果进行验证。分析结果表明,采用PFC开展岩样变形模拟是可行的,缝槽分布方式会显著影响试样的损伤特性,缝槽间夹角θ呈锐角时,试样更易破坏且裂纹更易萌生发育,缝槽分布水平增加将不利于裂纹发育,夹角0°<θ<90°时,可增大缝槽间影响范围,夹角θ为90°且缝槽面与主应力平行分布时,非常不利于煤层切槽增透作用。

钻孔水射流冲击煤岩损伤特性模拟研究

钻孔水射流增透技术是当前解决煤层透气性的有效措施,然而目前关于煤层钻孔在水射流冲击作用下的损伤特性问题研究尚不明确;针对该问题,利用非线性显示动力学LS-DYNA软件对射流冲击煤层钻孔损伤破坏过程进行模拟,研究其在不同条件下的损伤特性。结果表明,水射流速度对煤岩钻孔冲击深度有显著影响,射流速度越大,冲击深度越深,在400 m/s水射流速度下,煤岩冲击坑深度超过200 m/s水速度冲击坑深度10倍;围压能够抑制煤岩钻孔冲击范围向深部扩展,随围压持续增加,抑制作用减弱,同时,在围压作用下,煤岩钻孔破坏的有效应力峰值相应增加;水射流直径是决定煤岩破坏范围重要因素,随水射流直径增加,冲击坑沿深部和两侧均有所扩展,同时随水射流直径持续增加受水垫效应影响随之变大,沿深部扩展趋势减缓;钻孔尺寸对煤岩的损伤破坏及裂纹扩展有显著影响,钻孔直径越小,煤岩破碎坑范围越大,同时裂纹扩展形式随钻孔尺寸增加开始由以两侧发展为主的环状裂纹转变为沿深部扩展的纵向裂纹。

加载速度对煤岩损伤演化声发射特征的影响分析

借助细观颗粒流PFC2D软件平台建立煤岩单轴压缩模型,模拟了不同加载速度对煤岩损伤演化声发射特征的影响。分析结果表明:加载速度对煤岩损伤破裂声发射特征规律的影响不大,但伴随加载速度的增大,产生明显声发射的时间将提前;加载速率的提高对煤岩初始发射起裂应变没有影响,但使产生强烈声发射的应变范围增加;加载速度越大,煤岩破坏前积聚的变形能越多,煤岩破坏损伤程度越高,产生的声发射总数越多。

基于CT扫描的煤岩细观损伤特性研究

为了研究煤岩在加载前后各扫描断面的图像分形维数以及孔隙度的变化规律,利用工业CT探测技术及三轴加载试验系统,在三轴条件下对初始煤岩及加载破坏后煤岩进行CT扫描观测,分析煤岩CT断面的密度分布图像以及荷载作用下煤岩的动态损伤过程。研究结果表明:煤岩在不同断面破坏前后的分形维数与孔隙度的变化不同,在相同应力状态下,煤岩的不同层面有着不同的损伤扩展特性,在荷载作用下煤岩的损伤演化局部化和不均匀。通过分析煤岩的灰度概率密度曲线,得出曲线中出现多峰分布,反映出在煤体内存在多种损伤因素;曲线中存在单个突出的尖峰,反映出某种因素占主导地位。由试验结果及煤岩的动态损伤过程,并结合煤岩的变形损伤特征,选取合适的损伤参量建立了在荷载作用下煤样的损伤本构模型,证明理论曲线与试验曲线能够较好地吻合。

基于颗粒离散元模型的煤岩损伤演化及声发射特性分析

借助于颗粒离散元程序PFC对单轴压缩作用下的煤岩数值模型进行了声发射及损伤演化特性分析,并基于声发射累积次数建立了损伤演化关系模型。研究结果表明,通过对不同阶段的声发射规律进行监测分析,能够为煤岩内部细观裂纹的萌生、扩展及贯通过程的预测提供参考;煤岩的损伤过程大致可分为未损伤、损伤稳定发展和损伤迅速发展3个阶段,并且与煤岩的宏观变形破坏过程存在较密切的对应关系。

基于损伤力学的碟盘刀具振动截割煤岩径向载荷

为探究碟盘刀具振动截割煤岩的载荷特性与破碎性能,根据煤岩损伤力学和Mohr-Coulomb强度准则,构建碟盘刀具径向载荷损伤力学模型,利用ABAQUS软件和振动截割实验台获得碟盘刀具振动截割煤岩径向载荷谱,采用峰值标准差和频谱分析实验载荷谱,表征截割过程中煤岩崩落的状态,验证了径向载荷理论计算值、数值模拟值和实验值的一致性。结果表明:截割煤岩厚度为10~25 mm时,数值模拟和实验的径向载荷峰值均值与理论值平均误差分别为3.17%和7.66%,与理论值吻合度较高,验证了力学模型的准确性;截割煤岩厚度增加,径向载荷呈线性增大趋势,载荷谱峰值标准差呈指数规律变化,载荷谱波动频率中幅值的低频成分相对占比随之增大,煤岩大块崩落的概率增大。

煤岩声发射机理初探

利用煤岩损伤理论和煤岩材料的固有缺陷分布特征,推导了煤岩破坏过程中的声发射理论模型,建立了岩石声发射率与应变过程、加载速率、材料均质度、初始损伤、材料固有特性等的理论关系,通过相关实验验证了该模型的正确性;理论推导、计算机模拟和实验室试验证实,均质度不同的岩石等材料应变过程中,声发射率变化规律有3种模式,即随应变增加的声发射率(指数)上升型、先升后降型和平稳型。工程实际应用中,应根据岩石等材料具体分布,掌握岩石等材料破坏前兆规律,才能根据声发射变化特征判断材料破坏动态。

采动裂隙场条件下损伤煤岩体本构方程初步研究

应用损伤力学、材料力学、采动岩体力学以及传质学原理等,推导了二维平面及三维空间采动裂隙场条件下损伤煤岩体的本构方程,揭示了各种应力及其变化与损伤煤岩体的关系,为研究煤岩瓦斯耦合提供参考。