煤岩组合体变形破裂声发射特征及损伤演化规律研究

为研究煤岩组合体变形破裂过程中煤厚对其声发射特征和峰前损伤特性的影响,对煤厚分别为20mm、33.33mm和60mm的三种煤岩组合体进行室内单轴压缩声发射试验。研究表明：随着煤厚的增加,煤岩组合体的单轴抗压强度和声发射峰值计数均下降,且煤厚与声发射峰值计数满足指数函数关系;组合体的破坏持续时间随煤厚的增加而变长;声发射累计数的变化情况可分为缓慢增长阶段、快速增长阶段和声发射峰值及破坏后阶段,前两个阶段,累计数增长的速度与煤厚呈正相关,最后一个阶段,呈负相关。组合体峰前损伤演化可分为初始损伤、损伤稳定发展和损伤突增不稳定发展三个阶段;损伤变量与应变满足幂指数函数关系,且随着煤厚的增加,组合体D=1时对应的峰值应变也增加。     

水分对煤力学性能及冲击能量指数的影响研究北大核心

煤的破坏是能量驱动下的一种失稳现象,为探究水分对煤破坏过程中能量积聚与耗散的影响,开展了不同含水状态煤样的单轴压缩试验,并基于此对煤的力学性能及冲击能量指数进行分析。结果表明:随含水率的增加,煤样单轴抗压强度和弹性模量显著降低;煤样的初始压密阶段、塑性变形破坏阶段及峰后破坏阶段在全应力-应变过程中的占比均增大,线弹性阶段占比减小;煤样峰前积聚变形能减小,峰后损耗变形能升高,冲击能量指数降低;含水率增加使煤样由劈裂破坏转变为剪切破坏,在破坏时崩落的碎块粒径变大,碎块数量减少,破坏声响减弱;饱水状态下煤样较干燥状态煤样单轴抗压强度、冲击能量指数及冲击能量速度指数分别下降35.32%、86.07%、99.63%;采用煤层注水工艺能有效降低煤层冲击倾向性。     

单轴压缩下煤岩损伤演化及声发射特性研究

声发射是研究煤岩损伤演化的重要手段,通过开展煤岩单轴压缩声发射试验,分析了其微观裂纹演化规律,结果表明：(1)煤岩损伤演化前期为压剪破坏,后期为竖向和剪切组合破坏;当声发射参数RA（上升时间/振幅）与AF（平均频率）比例为1:70时,煤岩剪切裂纹占比大于拉伸裂纹,两者相差6.4%。(2)通过RFPA数值模拟,煤岩破坏前期主要为压剪破坏,后期拉伸破坏线性增长,压剪破坏线性减小,最终压剪破坏累计声发射事件数大于拉伸破坏,两者相差6.1%。(3)对比室内试验与数值模拟,验证了模拟结果的可靠性,为煤岩稳定性监测预警提供一定参考。     

含V型相交裂隙岩体的力学特性及破坏模式试验

为深入了解V型相交裂隙岩体试件的力学特性和裂纹演化规律,采用MTS815电液伺服控制试验机对含不同夹角V型相交裂隙岩体试件进行了常规单轴压缩试验,基于试验结果,详细分析了试件的应力-应变曲线、强度与变形特性、裂纹演化与破坏模式及能量耗散特征。研究结果表明:①裂隙试件的应力-应变曲线进入裂纹萌生与扩展阶段早于完整试件,在峰前出现了明显的应力降现象,在峰后破坏阶段,完整试件表现为应力-应变曲线的快速跌落,而裂隙试件呈现台阶状多阶段性跌落,甚至缓慢水平下降,体现出明显的延性破坏特征;②裂隙试件的峰值应力、弹性模量和峰值应变均有明显减小。峰值强度和弹性模量随裂隙夹角的增加呈先增大后减小的变化趋势。轴向峰值应变主要受裂隙夹角的影响,总体随夹角的增大呈线性减小的趋势;③裂隙的存在能够完全改变岩体试件的破坏模式,随着裂隙夹角的逐渐增加,裂隙试件破坏模式的演化过程为:台阶式张拉-剪切复合破坏(30°)→张拉-八字形剪切复合破坏(60°)→台阶式平行双斜面剪切破坏(90°)。当裂隙夹角为60°时,试件的裂纹演化和破坏模式体现出对加载方向近似的结构对称性特征;④相交裂隙试件单轴压缩破坏的弹性应变能、耗散能、总能量和能量耗散率均较完整试件有大幅度的减小。裂隙试件产生的裂纹数量越多,试件表面的脱落现象越明显,耗散能和能量耗散率也越大。拉-剪复合破坏比单纯剪切破坏要消耗更多的能量。试件的破坏特征和破坏模式能很好地反映试件的能量耗散特性。     

含层理岩石单轴损伤破坏声发射参数及能量耗散规律

层理构造普遍存在于煤矿地下矿柱岩体中,对其稳定性造成一定的威胁。通过含层理及均质岩石试件单轴压缩实验和CT层析扫描测试,分析了含层理岩石破坏特征,损伤演化过程中的声发射参数特征、能量耗散与传递规律,根据改进后的Duncan模型建立基于声发射、能量耗散参数的单轴损伤破坏模型。结果表明:均质岩石试件整体失稳的主要原因为纵向拉伸破坏,含层理试件宏观主裂纹为单一剪切破坏形式,具有明显的剪切破碎带,层理的软弱结构面会在一定程度上削弱矿柱的承载能力;含层理构造岩石试件失稳破坏主要发生在塑性变形阶段(cd),对应于AE剧烈期,耗散应变能出现明显的起伏波动,轴向荷载60%σ_c~σ_c区间内,63%t_c~t_c时间阶段内;而均质岩石试件的失稳性破坏预测的重点在屈服点前后时间区间内,该区间内耗散应变能的趋势为缓慢下降(屈服点c前)→上升(屈服点c后)→骤增(破坏点d)。建立基于声发射和能量耗散参数的单轴损伤破坏模型,对于含层理试件理论计算结果与试验结果平均偏差率分别为8.2%和9.5%;均质试件的理论计算结果与试验结果平均偏差率分别为18.4%和19.3%。     

饱水煤岩基本力学性能的试验研究

利用MTS电液伺服岩石试验系统对煤岩试件进行了饱水与自然两种状态下的单轴压缩与拉伸试验,结果发现,与自然状态煤样相比,饱水煤样单轴抗压强度降低了26.71%,弹性模量降低26.85%,轴向应变增大,普氏系数与泊松比均有所降低;饱水煤样抗拉强度平均降低43.86%,且破坏时间大为缩短。此外,煤岩单轴压缩与拉伸试验曲线均呈锯齿状,其中煤岩单轴压缩过程依次经历裂隙压密、表观线弹性变形、弹塑性变形以及断裂破坏4个阶段,拉伸试验中煤岩受力呈线性增加直至弹脆性拉断,失稳破坏瞬间发生。     

脆性类岩石材料边缘裂纹扩展规律试验研究

为研究脆性岩石边缘裂纹扩展规律，以自制的类岩石材料试件为研究对象，采用单轴加载、声发射监测及FRACOD2D数值模拟相结合的方法，对预制边缘裂纹的起裂、扩展及声发射特征进行了研究。试验结果表明：随着预制边缘裂纹宽度的增加，试件的起裂强度、单轴抗压强度逐渐减小，I型拉伸裂纹出现的时间越来越早，剪切裂纹出现时间越来越晚；试件的破坏形式不因预制边缘裂纹宽度不同而改变，最终以拉伸破坏为主。声发射监测中，裂纹起裂和试件整体破坏时声发射具有阶梯状波动、能量高的特点；边缘裂纹宽度越大，第1次出现能量峰值时间越早；I型破坏产生在线弹性阶段，而大多数剪切与次生裂纹产生在峰值强度附近，其能量水平远大于拉伸裂纹起裂点能量值。数值模拟试验过程中，随着裂纹宽度增加，裂纹起裂角度越趋近于加载方向，裂纹数目增多，总位移由4.7 mm降低到1.07 mm，最大拉应力由58.2 MPa减小到26.8 MPa，试件的破坏形式与力学试验相同。     

岩石试件SHPB劈裂拉伸试验中能量耗散分析

利用直径50 mm变截面分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验装置,对厚径比0.5的煤矿砂岩巴西圆盘试件进行对径加载,采取改变驱动气压的方法实施不同加载速率的动态劈裂拉伸试验。研究了砂岩试件动态劈裂拉伸破坏过程中的能量构成和耗散特征;尝试从能量角度出发,对砂岩试件动态劈裂拉伸破坏形态、平均应变率效应和动态拉伸应力强度进行能耗分析;发现试件吸收能量绝大部分耗散于岩石的损伤演化和变形破坏,可以较好地反映砂岩试件在冲击载荷作用下的抗拉性能变化。结果表明：砂岩试件拉伸应力强度与吸收能量随平均应变率增加近似对数关系增加,表现出显著的应变率相关性。研究成果可为岩石类脆性材料动态拉伸力学性能研究提供参考。     

尺寸与形状效应下煤岩组合体力学特性与声发射特征分析北大核心

为研究尺寸与形状效应下煤岩组合体力学特性和声发射特征的影响规律,对不同尺寸、不同形状的煤岩组合体试件进行单轴压缩试验,利用声发射系统记录不同承载阶段试件内部声发射的振铃计数和能量演化。结果表明:煤岩组合体的强度介于纯煤、纯岩两者的强度之间,纯岩、纯煤、煤岩组合体试件的峰值强度分别为30.3、5.7、9.7 MPa;圆柱组合体和立方组合体的峰值强度都随着宽高比的减小而不断降低,最大降幅分别为52.68%、59.21%;试件声发射振铃计数与能量表现出一致的规律性,均表现出与试件应力同步变化的趋势;圆柱组合体最大振铃计数的出现提前于最大应力值的出现,而立方组合体最大振铃计数滞后于最大应力值的出现。     

单轴压缩条件下充填体—砂岩组合体破坏过程及前兆特征声发射试验研究

分别对砂岩、充填体—砂岩组合体试件进行单轴压缩声发射（AE）试验,研究了试件破坏过程中AE振铃计数及主频特征,重点对比了组合体试件中砂岩侧、充填体侧所采集到的AE信号差异性,同时采用BP神经网络对峰值应力前组合体试件的AE信号类型进行识别,分析了试件破坏过程中不同类型AE信号的时间—应力变化关系及占比变化规律。研究表明：组合体试件的平均单轴抗压强度仅为砂岩试件的38.85%;组合体试件破坏过程中的声发射信号振铃计数量整体少于砂岩试件;峰值应力前,组合体试件中砂岩侧AE振铃计数“激增”现象明显;临近破坏前,组合体试件中砂岩类型的声发射信号占比逐渐下降,充填体类型信号的占比逐渐上升,这一现象可作为组合体试件破坏的前兆特征。     

不同组合方式煤岩组合体强度及声发射特征分析

为研究不同高度比的煤岩组合体在不同组合方式下力学特性和声发射特征,利用RFPA2D数值模拟软件对煤岩组合体进行模拟研究。试验结果表明:组合体的单轴抗压强度随煤样在组合体中占比的增大而减小;岩样与煤样的高度比对声发射能量产生显著影响,组合体中岩样高度所占比例越高,声发射信号越强,其产生的声发射能量也越多;在煤岩高度比相同的情况下,不同的组合方式也会对强度产生影响,组合体强度由大到小的组合方式依次为煤-岩、岩-煤、岩-煤-岩;此外,通过组合体声发射特征分析可知,组合体产生的声发射能量与其抗压强度的大小成正比,即抗压强度越大其产生的声发射能量也越大。     

突出煤体受载变形破坏声发射行为演化特征

采用TAW-2000三轴伺服试验机和Vallen AMSY-6声发射信号采集系统,对寺家庄煤矿15号煤的碎裂煤原煤单体试件、糜棱煤型煤单体试件和原煤-型煤组合试件进行单轴载荷作用下变形破坏全过程声发射试验。试验结果表明:原煤试件表现为弹塑性材料特性,以弱面剪切破坏为主,其失稳破坏的前兆信息表现为弹塑性阶段出现"应力跌落"和"应力回升"现象,振铃计数出现峰值,累计能量曲线出现"台阶式"上升;型煤试件表现为理想塑性材料特性,呈现渐进变形破坏特征,以剪切粉化破坏为主,其峰前变形破坏过程中声发射始终保持在相对稳定且较低的水平,累计能量增幅不大,失稳破坏的声发射前兆信息特征并不明显;原煤-型煤组合试件的应力-应变曲线兼具了原煤试件和型煤试件的特征,其峰值应力介于单体原煤和型煤试件之间,失稳破坏的声发射前兆信息与原煤单体试件类似,但受型煤影响,高幅值振铃数和事件数与原煤单体试件相比明显减少,累计能量曲线呈现"缓台阶式"上升特征。     

煤岩卸荷破坏声学特性及变形破坏机理

我国很多工程建设逐渐向深部扩展,深部岩体复杂的结构和高应力等诸多因素对于工程安全提出了严峻的考验.本文以深部煤岩为研究对象,分别进行了单轴、三轴和三轴卸荷等试验下的声发射研究,得到以下结论:(1)单轴压缩下,声发射参数表现为前期平稳,塑性阶段后跳跃式发展.(2)三轴压缩下,试样整体更加稳定,声发射能量参数值先增后减再增,围压越大,试样出现相同破坏所需能量越大.(3)三轴卸荷与三轴压缩在卸荷之前声发射规律一致,卸荷后试样破坏加剧,声发射参数值增加.(4)分形维值D能很好地反应煤岩内部裂纹演变的规律.     

不同高径比煤岩力学性能及破坏特征实验研究

为解决复采过程中不同尺寸遗留煤柱失稳致灾难以判定的问题，对不同高径比煤岩试件进行单轴加载实验，研究不同高径比对煤岩试件破坏形式、应力应变曲线形式、峰值强度、峰值应力、弹性模量的影响规律。结果表明：随着高径比的减小，试件的破坏形式由剪切破坏为主过渡为复杂破坏形式；峰值应力σmax和峰值应变εP随高径比的减小呈幂函数增大，两者间随高径比增加呈一次函数关系：εP=0.218σmax-2.465；弹性模量及割线模量随着高径比的减小而减小，其变化趋势服从二次函数； 0.8和1.5是引起煤岩试件力学参数变化速率改变的关键高径比，高径比小于0.8时，力学参数变化明显，而大于1.5后变化趋缓。上述结果可应用于不同宽高比煤柱稳定性的判定，提高了复采安全。     

不同含水状态煤-混凝土连接体力学特性和破坏特征

对不同含水状态煤-混凝土连接体进行单轴压缩实验和声发射监测,并对连接体力学特性和破坏特征进行探究,研究结果表明：水对煤-混凝土连接体应力-应变曲线特征裂隙压密阶段、破坏阶段和峰后阶段影响明显,水的存在降低了试样间的内聚力,使其脆性降低,塑形增强|含水率增加,煤岩组合体破坏形态由拉伸破坏变为剪切破坏,塑性变形显著|声发射特征曲线与应力-应变曲线对应程度较好,随着含水率的提高,声发射AE计数峰值位置提前,连接体样提前发生结构性破坏。且AE计数峰值数值逐渐减小,连接体样脆性减弱。     

单轴压缩下节理试件的能量耗散特征研究

为探究岩体变形破坏过程中的能量转化和耗散机制,对含节理试件单轴压缩下 的单位体积外力功、弹 性应变能和耗散能密度进行计算和分析。 研究发现:①节理试件的 4 类应力应变曲 线(类型Ⅰ-单峰型,类型Ⅱ-软化 段多峰型,类型Ⅲ-多峰平台后软化型,类型Ⅳ-多峰平台后硬化—软化型)的能量转化 和耗散过程都可以分为弹性变 形、连续体非弹性变形和不连续体变形 3 个阶段;在第一阶段,耗散能占比很少,外 力功大部分转化为弹性应变能;在 第二阶段,耗散能占比急剧增加,外力功大部分转化为耗散能;在第三阶段,外力功几 乎全部转化为耗散能;与类型Ⅰ 和类型Ⅱ试件相比,类型Ⅲ和类型Ⅳ试件的连续体非弹性变形阶段的持续时间较长、 延性较大;②以劈裂、压碎破坏 为主的节理倾角较低或较高的试件,其最终的耗散能远高于以剪切滑移、阶梯状破坏 为主的节理倾角中等的试件;③ 同一节理倾角下,随着节理连通率的增大,试件破坏所需的单位体积外力功和耗散能 密度均减小;④随着节理试件耗 散能密度对数值的增加,破碎体尺寸—质量分形维数值线性增加。     

煤岩组合体力学特性与瓦斯渗流规律试验研究

利用三轴渗流测试系统,模拟不同厚度的顶板、煤层和底板条件,进行了不同岩煤高度比条件下煤岩组合试件的力学特性与渗流规律的试验研究。结果表明:对于不同岩煤高度比的煤岩组合试件,失稳破坏的峰值强度存在差异,且峰值强度随岩煤高度比的增加呈增大趋势;组合煤岩体的失稳破坏呈现宏观剪切破裂面,且破裂面贯穿顶、底部岩石;组合煤岩体的渗透率随轴向应变的升高呈现先减小到最小值后迅速增加的"V"型变化趋势;且随着岩煤高度比的增加,渗透率曲线反弹点对应的轴向应变呈增大趋势。     

突出煤样声发射特性及发射源试验研究

运用MTS 815岩石力学试验系统和PCI-2全数字声发射监测系统对具有突出倾向煤体制备的型煤试件单轴压缩和循环加载过程中的AE特征进行了试验研究,利用扫描电镜和数值模拟软件分析了声发射事件的来源.结果表明:单轴压缩过程中,随着煤样变形的增加,AE各参数呈上升趋势,在屈服阶段的后期出现最大振幅和最密集AE事件区,预示试件将发生破坏;AE事件累计曲线和振幅变化曲线与单轴压缩应力应变曲线相似,可在现场用以判定煤体失稳与破坏;随循环载荷作用次数的增加,AE事件及其能量呈现递减趋势;在卸载阶段无AE事件出现.四种微结构变化是煤样产生声发射事件的源.     

冲击倾向性煤岩动静载下破坏机理及声发射特性研究

煤矿巷道发生冲击地压破坏后果严重,具有冲击倾向性的煤岩具备发生冲击地压的潜质,在高应力状态下经动载诱发后极易发生破坏,其破坏与变形规律与常规静载不同。为了探究冲击倾向性煤岩在动静载下破坏及变形规律,以深埋煤层巷道高应力下具有冲击倾向性的煤岩作为研究对象,采用动载三轴及声发射检测设备,模拟煤岩所处高应力环境及动载条件,通过对比不同围压下的静载破坏试验,一定应力水平下动载诱发试验,不同应力阶段动载加载试验,分析其变形破坏机理及声发射能量演化规律。结果表明:与静载加载破坏相比动载导致煤岩提前进入屈服变形阶段且强度劣化明显,其破坏程度更加严重,并由剪切破坏转变为横向拉伸破坏;声发射点能有效定位煤岩破坏阶段内部裂隙发育区域及主破坏方向。煤岩达到动载破坏条件存在一个临界静载,未达到临界静载时煤岩在动载作用下裂隙发育及应变增长会逐渐稳定,超过临界静载后煤岩在动载作用下会迅速发生破坏。与静载相比动载后煤岩储存弹性能增加,破坏后释放更多能量;煤岩声发射能量事件主要发生在动载加载初期及峰后破坏阶段,动载加载后有明显凯泽效应。研究结论认为声发射能量演化规律可作为判断煤岩所处应力状态及先期动载加载应力水平的参考依据。     

预制孔洞煤样冲击力学特性及能量耗散试验研究

为研究冲击载荷下预制孔洞煤样力学特性及能量耗散规律,制备含轴向孔洞的直径50 mm,高50 mm圆柱体煤样,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,开展8个孔洞尺寸和3个冲击气压水平的加载试验研究,借助平面场应变测量技术(VIC–2D)和高速摄像机,分析了冲击加载过程中试件动态应力、动态应变、裂纹演化、破坏失效及能量耗散特性。结果表明：(1)在试验涉及的孔洞直径范围内,冲击载荷下完整与孔洞煤样动态应力–应变过程均呈现微裂隙压密阶段、弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段。同一冲击气压下,随孔径增大,煤样动态抗压强度、动态峰值应变均降低;孔径由0增大至8 mm时,煤样动态抗压强度和峰值应变下降出现快–慢分区特征。与完整煤样以拉伸裂纹破坏为主不同,孔洞煤样主要以拉伸裂纹–剪切裂纹复合破坏为主,且随着孔径增加,试件内部裂纹扩展能力变弱。(2)揭示了冲击载荷下孔洞煤样的能量耗散规律：孔洞煤样透射能、吸收能与孔径呈负相关,反射能与孔径呈正相关,这主要由孔洞改变试件过波面积造成。随孔径增大,煤样过波面积降低,其吸收能和透射能随之降低,与冲击载荷下孔洞煤样破碎度与孔径负相关结论相一致。研究成果有利于明晰冲击地...