单轴压缩下松软煤样破裂损伤演化特性研究下载

weixin_39820535 2020-10-02 05:30:49

为定量分析松软煤样在压缩过程中的破裂损伤演化特性,对自制正方体松软型煤进行单轴压缩试验,利用无损监测装置——声发射检测系统采集煤样内部损伤的声发射信号,使用非接触式全场应变测量系统采集煤样表面的数字散斑图像,讨论了单轴压缩下煤样的声发射振铃计数、能量与加载过程的对应关系,对比分析了有无预制钻孔煤样的声发射特征,运用数字图像相关方法统计了煤样表面散斑点数,提出了用以表征煤样内部损伤的以累计振铃计数为基准的振铃损伤变量,用以表征煤样表面损伤的以散斑数为基准的散斑损伤变量,获得了煤样损伤变量曲线。研究表明,无预制钻孔煤样声发射活动更加剧烈,能量幅度更高,钻孔的存在破坏了煤样的整体性,降低了煤样强度;
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为定量分析松软煤样在压缩过程中的破裂损伤演化特性,对自制正方体松软型煤进行单轴压缩试验,利用无损监测装置——声发射检测系统采集煤样内部损伤的声发射信号,使用非接触式全场应变测量系统采集煤样表面的数字散斑图像,讨论了单轴压缩下煤样的声发射振铃计数、能量与加载过程的对应关系,对比分析了有无预制钻孔煤样的声发射特征,运用数字图像相关方法统计了煤样表面散斑点数,提出了用以表征煤样内部损伤的以累计振铃计数为基准的振铃损伤变量,用以表征煤样表面损伤的以散斑数为基准的散斑损伤变量,获得了煤样损伤变量曲线。研究表明,无预制钻孔煤样声发射活动更加剧烈,能量幅度更高,钻孔的存在破坏了煤样的整体性,降低了煤样强度;声发射参数曲线与散斑数曲线均与煤样的加载曲线存在着分段对应的关系;振铃损伤变量曲线和散斑损伤变量曲线均可表示煤样的损伤演化过程,煤样内部和表面的损伤特征相互印证,综合分析更能准确的表达煤样的损伤情况。

煤样变形破坏方式与其能量转化密不可分,为探求煤样破坏过程中能量的演化规律,对其进行了不同试验路径的加、卸荷试验。试验结果表明:不同试验路径下,煤样在峰值应力前以能量的存储及耗散为主,在峰值应力后以能量的释放及耗散为主;能量耗散使得其内部裂隙扩展,造成煤样损伤劣化,承载能力下降,能量释放使其发生破裂失稳;三轴卸围压试验中,卸荷初始围压越高,煤样存储的弹性能越多,破裂时释放的能量也越多,使得高围压下煤样破坏更为剧烈。因此,高应力煤岩体在开挖卸荷时,极易引起大量的弹性能急剧释放,导致冲击地压、岩爆等灾害发生。此外,在三轴卸围压试验中,由于围压的卸荷效应,煤样临近破裂时损伤曲线的突变程度与常规三轴压缩相比更加明显,也可以看出卸荷破坏相比加荷破坏更具突发性。

为研究冲击倾向性煤单轴压缩过程中不同损伤程度声发射分形特征，对冲击倾向性煤进行了单轴压缩试验，基于声发射振铃计数损伤模型和声发射参数时间序列分形维数计算模型，对煤样破坏过程中的损伤演化和不同损伤程度分形维数进行了研究。研究表明：每当煤样有大破裂的产生，声发射就会出现阶段性增高的现象，较大振铃计数的产生是裂纹扩展、集聚过程中能量释放的结果，冲击煤声发射活动频发大都发生在应力应变全过程的后期；煤样的损伤应变过程可分为三个阶段：初始损伤阶段，损伤演化阶段、损伤持续增长阶段，各阶段的声发射振铃计数占比分别为 1.61%、14.83%、83.56%，冲击煤损伤持续增长阶段的时间占比少，但声发射振铃多。随着煤样损伤程度的增加，声发射分形维值先增大，当煤样损伤程度达到 30%后突然下降，然后保持波动上升，在煤样损伤程度达到 80%时，达到局部峰值后，发生突降，整体变化趋势呈现倾斜的“M”型。分形维值达到峰值后发生突降的现象可作为煤样失稳破坏的前兆信息。

通过对煤岩进行单轴压缩实验,借助声发射和数字图像处理技术,对单轴压缩条件下煤岩的裂纹开裂扩展特性进行系统研究。研究结果表明:煤岩破裂过程中裂纹扩展具有阶段性的特征,其演化特征和载荷、声发射的阶段性变化有良好的同步性;煤岩破裂过程中裂纹由内向外扩展,峰值应力前,内部损伤累积到一定程度,岩石内部裂纹萌生,并逐步向岩石表面扩展;煤岩最终破坏时出现的多条宏观裂纹在变形过程中开裂扩展趋势基本一致,裂纹形状相似;煤岩微观破裂与宏观断裂之间存在一定的联系,在煤岩处于相对稳定状态时,主要产生以剪切破坏为主的裂纹,在煤岩产生小尺度破坏和宏观可见破裂时,主要产生以张拉破坏为主的裂纹。实验结果揭示了煤岩变形破坏规律,对于煤岩破裂机制研究具有一定的理论意义。

为了研究不同冲击倾向性煤单轴压缩过程中的能量演化规律与损伤特征，基于实验室冲击倾向性等力学参数测试，通过颗粒流数值程序PFC2D获取能够较真实反映煤样宏观力学特性的细观参数，模拟分析了不同冲击倾向性煤单轴压缩下的能量演化规律与损伤特征。研究结果表明：不同冲击倾向性煤的能量演化规律相似，峰值强度前，边界做功主要转化为应变能，耗散能、滑动能与动能的占比则非常小；峰值强度后，应变能快速释放，耗散能、滑动能与动能开始迅速增长。随着冲击倾向性的增强，应变能释放与动能增长速率显著增大，提出应变能释放比率与动能增长比率2个指标，发现应变能释放比率、动能增长比率与冲击倾向性指标中的单轴抗压强度、冲击能量指数以及弹性能量指数具有很好的相关性，可采用该指标来辅助评判煤样的冲击倾向性。峰值强度前不同冲击倾向性煤样内部微裂纹演化规律近似，峰值强度点后微裂纹急剧增长，增速与冲击倾向性呈正相关关系。基于裂纹萌生与体积应变曲线的确定方法，得出煤的起裂应力水平主要分布在44.18%～51.67%，损伤应力水平在89.04%～93.86%。强冲击倾向性煤样的起裂应力水平与损伤应力水平均高于弱和无冲击倾向性煤样，起裂应力

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