基于卸加载响应比的煤岩变形破坏研究

基于加卸载响应比理论,克服加卸载响应比的不足与局限,提出卸加载响应比的基本概念,推导卸加载响应比与弹性模量之间的关系。从损伤力学的基本理论出发,结合材料的弹性模量与损伤变量之间的关系,建立卸加载响应比与损伤变量之间的关系模型。然后,利用WE-100型万能材料试验机,对煤试样进行了单轴应力试验研究,结合煤试样的应力-应变曲线,计算卸加载响应比值并分析其变化趋势,从而得到在卸加载过程中煤试样的损伤情况。因此,基于煤岩的单轴应力试验,研究由煤岩变形破坏的应力-应变关系定义的卸加载响应比及其演化规律,用于预测煤岩的变形破坏程度是可行的。     

煤岩组合体循环加卸载变形及裂纹演化规律研究

利用MTS 815试验机对煤岩组合体进行循环加卸载试验,分析了煤岩组合体循环加卸载中弹性应变和残余应变,而后得出加载时裂纹闭合应力和闭合应变,最后利用加载试验数据验证了轴向裂纹闭合模型和峰前应力-应变关系模型。结果表明:随着循环次数的增加,煤岩体内部的原生裂纹逐渐被压密,进而轴向弹性应变比重增大,而轴向残余应变比重减小;环向弹性应变所占比例先增大后减小,主要是由于荷载的增加加剧了煤体的环向扩容,并产生环向裂纹。计算得出每次加载下的轴向裂纹应变,发现随着应力增大,轴向裂纹应变先增大后基本保持不变,其拐点为裂纹闭合点,所对应的应力为轴向裂纹闭合应力,应变为轴向裂纹闭合应变。由于新裂纹和孔隙较难闭合,二者随加载次数增加有增大趋势。最后利用轴向裂纹闭合模型和峰前应力-应变关系模型对循环加卸载煤岩组合体的试验数据进行评价,理论值与试验值吻合度较高,能够很好地反映岩石峰前非线性行为。     

煤岩破坏裂纹演化特征及本构模型研究

本文借助细观颗粒流PFC2D软件平台探讨了煤岩损伤破坏过程中裂纹演化特征,基于裂纹特征分析了煤岩损伤演化本构模型。研究结果表明:在煤岩损伤各阶段,裂纹的扩展演化过程不同,裂纹的出现主要集中于峰值前后的阶段。基于裂纹参量特征的煤岩单轴压缩损伤本构方程拟合的应力-应变曲线与实际数值曲线具有良好的一致性。     

冲击荷载作用下的煤岩动力学特性及本构模型

为了研究煤岩的动态破坏特征和动力学损伤特性,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)和应力加载系统,对煤岩试样进行了冲击试验和单轴压缩试验;根据应力-应变试验曲线的特征,在过应力模型上,应用连续损伤理论与统计强度理论,建立了适合煤岩动力学特性的过应力损伤模型。结果表明:动载作用下,当应变率较小时,煤岩破碎方式与静载作用时间具一定的相似性;随着应变率的增大,动载破坏强度显著增大,动态模量先增大后保持不变,塑性变形先增大后减小,应力-应变曲线具有明显的塑性流动特性。采用建立的煤岩过应力损伤模型本构方程对试验曲线进行拟合,通过两者的对比,验证了模型的正确性。     

卸载条件下煤岩组合体的裂纹张开效应研究

利用MTS 815试验机对深部煤岩组合体进行分级循环加卸载试验,研究了卸载过程中煤岩组合体轴向裂纹的张开效应,得出其轴向裂纹闭合应力(应变)和张开应力(应变)。研究结果表明:随着循环次数的增加,加载和卸载过程中煤岩组合体的裂纹闭合应力(应变)和张开应力(应变)具有增大的趋势;由于分级荷载的逐步增加,煤岩组合体产生新的裂纹,轴向裂纹闭合应变差、轴向裂纹张开应变差、轴向裂纹应力差随循环次数增大而增大;推导出轴向裂纹张开模型,并利用试验数据进行验证,模型理论值与试验值较为吻合,能有效描述卸载条件下轴向裂纹张开效应。     

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。     

含瓦斯煤岩蠕变渗流耦合试验研究

应用自行设计的CSCG-160型重力液压恒载蠕变渗流试验系统,进行了煤样蠕变渗流特性试验,研究煤体蠕变过程中变形和渗流特性,并将试验结果与数值模拟结果进行了对比分析。研究结果表明:煤岩蠕变特性明显,蠕变载荷较小时,煤岩呈现衰减蠕变,较高的蠕变载荷水平下煤岩具有典型的蠕变3阶段;煤岩试样的环向应变随轴向应变的增大而增大,体积应变随轴向应变的增加呈现先增大后减小的趋势;煤岩渗透率随时间变化的曲线与煤岩蠕变试验曲线的变化趋势一致,煤岩的渗透率随蠕变载荷水平的增加而增大;煤岩蠕变过程的渗透率随轴向应变的增大而增大,渗透率增加的速率也随着轴向应变的增大而增大。     

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。     

应变率对岩石裂隙扩展规律的影响

为分析一种奥陶系沉积岩在单轴压缩条件下岩石的裂隙扩展规律,利用应力加载系统和VIC-3D观测系统等试验系统,并采用数字图像相关方法研究了单轴压缩下岩石表面裂隙扩展过程中应变场的变化特征。试验结果表明:在加载过程中,通过VIC-3D观测系统可得到整个加载过程中的全场应变演化规律,其中岩石表面数字散斑云图的高应变区不断增加,相应地岩石在弹塑性阶段就开始出现了轴向的微裂纹,当达到应力峰值为18.02 MPa时,主裂纹和周围出现的次生裂纹不断扩展延伸导致了试样的完全破坏;考虑到应变率对岩石力学特性的影响,结合单轴压缩下岩石试样表面裂隙周围应变场的变化特征,分析出了主裂纹Ⅰ和次生裂纹Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ周围的应变率和裂纹扩展速率的关系,发现裂隙扩展速率和轴向应变率呈现较强的指数函数关系。研究结果揭示了这种沉积岩的裂隙扩展与延伸规律,可为防治煤矿动力灾害的发生提供参考。     

不同加载条件下的煤岩体压缩试验模拟研究

为研究不同加载条件下的煤岩破坏特征,采用离散元数值软件PFC建立了双轴压缩模型。选取颗粒间黏结颗粒模型,设定其接触关系,并利用伺服加载机制实现了不同围压下变速率双轴压缩数值模拟。对部分煤岩模拟试件破坏形态、微裂纹发育过程、应力-应变曲线以及声发射事件数进行研究,分析了围压与加载速率对试件破坏特征的影响。研究结果表明:围压越大,试件的轴向应力峰值越大;加载速率对试件的轴向应力峰值影响较弱;压缩过程中岩石试件内裂纹扩展主要经历平稳发展-急剧增加-平稳发展3个阶段,煤岩体损伤程度越高,声发射事件数越多。