煤体破裂分形特征与声发射规律研究

探究离散性影响下煤体力学行为演化机制及失稳预测方法是有效提高冲击地压预测准确性的关键,开展煤受载破坏声发射监测试验并对破碎块体筛分统计,获得了强度、块体分形特征、声发射信号规律及其相互关系。研究结果表明:受裂隙及夹矸等影响煤体内部形成承载结构缺陷区导致其强度具有显著离散性,含有夹矸或裂隙越多,煤体受载过程弹性区越短承载能力越低,破碎后完整性较高,峰后软化特征明显,煤体单轴压缩破坏块度分形维数为2.08~2.60略高于岩石,碎块分形维数随峰值应力增加而升高,将质量频率分布曲线的斜率定义为碎块密集度(k),碎块密集度越小煤体分形维数越大,破碎块体的数目越多体积越小破碎程度越高;煤体受载过程声发射能量、信号密集度和能量累积量随强度正相关变化,声发射累积量正比于分形维数,结合试验统计结果,深入分析了声发射能量与分形维数间的内在联系,并建立了声发射累积总能量随分形维数变化的经验公式,研究成果为定量的分析声发射信号与煤体力学行为间相互关系提供指导。     

煤体力学性质对其破坏过程声发射特征的影响研究

采用试验研究的方法,对具有不同力学性质的突出软煤、强冲击性煤和弱冲击性煤在受载破坏过程中的声发射事件频度、能量等时序特征参数及分形特征进行研究,探索煤体力学性质对其声发射特征的影响。研究结果表明,煤体的声发射特征参数变化与其破坏阶段相对应,煤体的力学性质对受载煤体的声发射时序特征具有重要影响。在峰后变形阶段,突出软煤的声发射呈现渐进下降的趋势,强冲击性煤的声发射呈现短暂的脉冲式增大,弱冲击性煤的声发射呈现"脉冲—降低"交替下降模式。不同力学性质的煤体破裂过程的声发射分形维的演化过程具有一致性,分形维演化都表现为"先上升、后下降"的过程,反映了煤体受载破坏是一个从弥散、无序的损伤破裂逐步向局部、有序的裂纹扩展过程。利用声发射时序特征与分形维变化相结合的综合前兆信息,可提高煤体失稳灾害判识模型的有效性和准确性。     

单轴压缩下松软煤体波速演化与裂隙分布特征

为研究松软煤体超声波传播规律与破坏特征,选用型煤代替原煤,设定3条波速传播路径,运用MTS岩石力学实验机、PCI-II声发射仪开展单轴压缩条件下煤体多路径波速同步监测试验,引入各向异性指数分析波速演化规律;选定3个横、纵向切面,采用CT扫描设备开展破坏特征观测试验,重构破坏后煤体细观几何结构,对比研究二维横纵切面裂隙分布差异性;探讨波速和三维裂隙体积的关系。结果表明：(1)随轴向应变的增加,平行、垂直加载方向及煤体平均波速均表现出先平稳后降低再平稳的基本规律,波速各向异性指数具有先平稳后增大再平稳的变化趋势;垂直加载方向波速最先下降,且降幅最大。(2)与纵向切面相比,破坏后煤体横向切面裂隙谱峰占比和裂隙分形维数均较大,裂隙密度较高,裂隙形态也较为复杂。(3)随裂隙体积的增大,破坏后煤体平均波速大致呈线性降低,单轴荷载作用下煤体内部裂隙扩展以平行加载方向为主,裂隙竖向线状扩展是造成各方向波速和横纵切面破坏特征差异性的主要原因。(4)与平行加载方向相比,采用垂直加载方向波速求得的损伤变量较大、评价煤体损伤破坏状态也更为可靠。现场采用声波评价煤体破坏状态时,将声波传播路径设置为垂直煤体受载（...     

尺寸效应对煤体冲击倾向性的影响研究

不同尺度煤体冲击倾向性研究对于厘清煤炭地下开采过程中冲击地压尺寸效应形成机制起着关键作用。为探明煤体冲击倾向性尺寸效应,对不同尺寸煤试件进行单轴压缩及变上限循环加卸载试验。试验结果表明：与标准(φ50 mm×100 mm)煤试件相比,小尺寸(φ25 mm×50 mm)煤试件的平均单轴抗压强度增加了8.02%,弹性模量增加了23.16%;大尺寸(φ75 mm×150 mm)煤试件的平均单轴抗压强度降低了11.03%,弹性模量降低了7.37%。随着煤试件尺寸的增加,声发射累积事件总数不断降低,临近破坏时煤试件表面位移场趋于无序变化。经CT扫描煤体试件内部微裂隙分形维数随其尺寸扩大不断增加,表明较大尺寸煤试件内部裂纹数量增多且空间分布更加复杂,这直接导致煤体呈现出尺寸效应特征。煤体试件尺寸从φ25 mm×50 mm增加至φ75 mm×150 mm,其剩余弹性能指数CEF由26.53 kJ/m3降低为21.36 kJ/m3,这表明尺寸效应将直接影响煤体的冲击倾向性,同种煤体的尺寸越大,其冲击倾向性越小。     

不同加载速率下含瓦斯突出煤体受载破坏损伤特征研究

为研究加载速率对含瓦斯突出煤体受载损伤特征的影响规律,开展了0.001、0.005、0.01、0.05、0.1 mm/s等5种加载速率下含瓦斯突出煤单轴压缩实验,从声发射累计损伤和煤体表面裂隙分形数2个方面分析了煤体的损伤特征。结果表明:随着加载速率增大,含瓦斯突出煤体的单轴抗压强度均逐渐减小,并呈现出对数函数关系;随着应力不断增大,煤体损伤曲线呈现出平静期、提速运动期和加速运动期,煤体最大损伤值均出现在峰后破坏阶段;随着加载速率增大,煤体的最大损伤值呈现出先增加后降低的规律,加载速率0.05 mm/s为曲线的拐点;煤体破坏后表面裂隙的分维数也随着加载速率增加呈现出先增加后降低的规律,拐点出现在加载速率为0.05 mm/s时,2种方法所得结论一致。     

单裂隙砂岩破坏特征和破裂演化规律试验北大核心

针对含不同倾角裂隙的板状砂岩试样开展单轴加载试验,从宏细观角度深入探索裂隙倾角对脆性岩石变形破坏特征、声发射及破裂演化规律的影响效应,揭示其破坏机制。结果表明:裂隙倾角α较小时(0°≤α≤30°),应力-应变曲线呈锯齿状;翼裂纹首先在初始裂隙中部萌生,次生拉伸裂纹扩展贯通导致试样破坏,声发射较为分散,以劈裂破坏为主;随裂隙倾角增加(30°<α<90°),应力跌落次数减少,峰值强度和弹性模量不断升高;翼裂纹起裂位置向初始裂隙尖端转移,起裂强度和起裂强度比逐渐增加,次生裂纹转为剪切裂纹,声发射趋于集中,破坏模式向剪切破坏过渡;裂隙倾角为90°时,应力-应变曲线光滑,初始裂隙起裂前试样瞬间破坏,声发射异常集中,以劈裂破坏为主,与完整试样基本一致。     

单裂隙砂岩破坏特征和破裂演化规律试验

针对含不同倾角裂隙的板状砂岩试样开展单轴加载试验,从宏细观角度深入探索裂隙倾角对脆性岩石变形破坏特征、声发射及破裂演化规律的影响效应,揭示其破坏机制。结果表明:裂隙倾角α较小时(0°≤α≤30°),应力-应变曲线呈锯齿状;翼裂纹首先在初始裂隙中部萌生,次生拉伸裂纹扩展贯通导致试样破坏,声发射较为分散,以劈裂破坏为主;随裂隙倾角增加(30°α90°),应力跌落次数减少,峰值强度和弹性模量不断升高;翼裂纹起裂位置向初始裂隙尖端转移,起裂强度和起裂强度比逐渐增加,次生裂纹转为剪切裂纹,声发射趋于集中,破坏模式向剪切破坏过渡;裂隙倾角为90°时,应力-应变曲线光滑,初始裂隙起裂前试样瞬间破坏,声发射异常集中,以劈裂破坏为主,与完整试样基本一致。     

加载速率对煤样单轴压缩宏细观破裂特征的影响

为研究煤样单轴压缩宏细观破裂特征的加载速率效应，对煤样进行了0.06、0.3及3 mm/min三种加载速率的单轴压缩试验，结合声发射及数值计算方法，分析了加载速率影响下煤样的力学性质、声发射特征、裂隙扩展与宏观破坏模式。研究结果表明，加载速率越高煤样的单轴抗压强度与峰值应变越大；累计振铃计数与声发射定位事件随加载速率增大不断减小；微观裂隙破坏由张拉破坏向剪切破坏过渡；宏观破坏模式由低加载速率的少量拉剪混合微裂纹破坏转变为高加载速率的单一贯穿的剪切裂纹破坏；数值模拟结果印证了室内试验结论，并揭示了煤样加载破坏实质是力链体系失稳，峰值应力前，轴向应力的增加使得局部力链强度差异增大，强弱力链断裂产生煤样的宏观破坏。     

连续级配高强胶结充填体力学特性及破坏特征分析

充填开采技术不仅采出率高,而且能有效防止地表沉陷,维持采场稳定性,因此研究充填体受载时的力学特性与破坏特征具有一定的工程指导意义。开展了不同骨料粒径分布胶结充填体的单轴压缩试验和声发射监测试验,获得了粒径分布对充填体力学特性、声发射特征参数的影响规律及破坏特征。研究结果表明：随着泰波(Talbot)指数n的增大,胶结充填体的单轴抗压强度、弹性模量均呈先增大后减小的趋势,与峰值应变的变化规律相反。通过拟合分析得到充填体单轴抗压强度与Talbot指数n呈二次多项式关系,Talbot指数n在(0.4～0.5)间抗压强度达到最优。任意Talbot指数下,充填体在加载过程中声发射计数和能量均经历3个阶段：声发射平静期、低幅增长期和高幅增长期;充填体裂纹起裂应力和损伤应力随着Talbot指数的增大呈先增加后减小的趋势;裂纹起裂应力为峰值应力的31%～45%,损伤应力为峰值应力的74%～96%,两应力与峰值应力比值随Talbot指数无显著规律性变化,受自身性质影响较大。从宏、细观角度分析不同Talbot指数的胶结充填体的破坏模式,发现两者特征基本一致;不同骨料粒径的充填体试样的内部孔隙、裂隙等微观结...     

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。     

裂隙重合度对砂岩力学性质及损伤演化的影响

为了研究裂纹重合度对裂隙砂岩力学性质和损伤演化规律的影响,利用RFPA~(2D)软件对5种裂纹重合度的砂岩试样进行了单轴压缩试验数值模拟,分析不同裂纹分布条件下的力学特性、声发射特性和损伤演化过程。结果表明:预制裂纹重合度越接近100%,平行裂隙砂岩试样的峰值强度和起裂强度越大,声发射计数量也随之增多;裂纹扩展都是由翼裂纹萌发开始,不同裂纹分布情况下,翼裂纹发展的趋势有明显差别,裂纹重合度小于100%时会出现岩桥贯通现象;当裂隙重合度接近100%时,有其中1条翼裂纹主导破裂过程,发育过程较慢,强度相对越高;而当裂纹重合度大于100%时,两端的翼裂纹相对独立的扩展直至形成贯通裂纹,裂纹发展速度快,加速了破坏失稳的形成。     

基于颗粒离散元模型的煤岩组合体损伤演化规律研究

基于颗粒离散元程序建立了"岩体-煤体-岩体"平行黏结数值模型,通过改变中间煤体部分的厚度,探讨了不同煤体厚度对组合体力学特性和破坏特征的影响,并从损伤裂纹扩展演化的过程和不同介质相互作用的力学角度2方面进一步分析了组合体变形破坏过程的一般规律。研究结果表明:煤岩组合体的破坏主要集中于中间煤体部分,尤其煤岩交界面处的破坏最为剧烈;煤岩组合体的破坏以45°~60°角的剪切破坏为主,并且随着中间煤体厚度的减小,组合体的单轴抗压强度和弹性模量呈逐渐增大的趋势;煤岩组合体的变形破坏过程可分为整体线性变形、煤体非线性变形、煤体峰值破坏及煤岩整体失稳破坏4个阶段。     

煤岩组合体界面效应与渐进失稳特征试验

煤岩体组合特征决定着煤和岩石组合形成整体结构的变形失稳,为分析煤岩高比对煤岩组合体受载时力学特性、能量转化规律与失稳破坏特征的影响,制作了3种高比的"岩-煤-岩"(RCR)组合试件,开展了煤岩组合试件的单轴压缩试验和PFC^2D数值模拟试验,并基于RCR组合体声发射信号和宏观破坏特征分析,获得了组合体界面效应影响下的渐近失稳特征和声发射能量演化规律。研究结果表明:煤岩组合体的损伤破坏表现出渐近非连续特征,损伤破坏首先在煤岩组合体的煤体中发生、发展,煤体裂纹发育至煤岩交界面时被阻隔,受煤岩组合体界面效应的影响和裂纹尖端强应力链的持续集聚,裂纹最终从煤体扩展至岩石中煤岩组合体发生整体性瞬时破坏;随煤岩高比增大,组合体单轴抗压强度、弹性模量、宏观起裂破坏时间和瞬时失稳破坏时间均呈降低趋势且瞬时破坏时动力显现也逐渐被弱化。由于RCR组合体结构和弹性储能的差异性,导致裂纹在煤岩组合体中的扩展能力、速度和角度不同,进而组合体呈现出不同的破坏形态,但组合体破坏形式具有相似性,其中煤体以剪切破坏为主,顶底板砂岩以劈裂破坏为主。在煤岩组合体渐进破坏过程中煤体的破坏诱导了顶底板砂岩的破...     

大尺寸节理煤体单轴压缩力学行为的离散元模拟研究

为研究结构面对节理煤体单轴压缩力学行为的影响,首先基于结构面实测与参数标定试验构建合成煤体模型,然后分别针对REV尺寸煤块与煤体进行不同加载方位的单轴压缩数值试验,分析结构面对节理煤体力学行为的影响机制以及裂隙的形成机制。结果表明:① 所构建的合成煤体模型可表征研究煤体,其REV为1.0 m×1.0 m×2.0 m;② 结构面弱化煤体单轴抗压强度与弹性模量,增大煤体单轴压缩变形,弱化/增强程度取决于加载方位与结构面的方位关系;③ 结构面决定煤体单轴压缩破坏方式,煤体表现为平行加载方向的劈裂破坏,加载方位不同劈裂形态不同;④ 提出了可量化评价基质破坏与结构面活化对节理岩体破坏贡献程度的指标:基质破坏贡献比和结构面活化贡献比;⑤ 平行加载方向的结构面在加载力作用下激活为活化原生裂隙,并在其端部发育出翼裂纹,形成压致拉裂裂隙组合。对于包含非贯穿结构面的煤体,裂隙组合彼此连通形成劈裂裂隙;对于包含贯穿结构面的煤体,贯穿的活化原生裂隙直接形成劈裂裂隙。     

塑性煤与脆性煤破坏过程的声发射演化特征试验研究

在单轴压缩条件下,进行了塑性煤与脆性煤试件破坏过程声发射监测试验,研究两类煤破坏过程的声发射演化特征。试验结果表明:煤体破坏失稳过程中的声发射与煤体中的裂纹萌生、扩展、贯通等活动相对应,煤体的声发射演化特征与其破坏特征密切相关。塑性煤破坏过程的声发射事件率呈现"上升—峰值—下降"的演化规律;声发射事件率出现急速增大之后的稳步下降是煤体主破裂面即将贯通、煤体破坏失稳的前兆。脆性煤破坏过程的声发射事件率呈现"上升—峰值"的演化规律,声发射"下降"段不明显。研究结果可为煤体稳定性监测的声发射参数演化的解译、灾变判识准则的建立提供理论基础。     

基于统计损伤理论岩石非共面重叠裂隙扩展搭接规律数值模拟研究

为探究非共面重叠裂隙的扩展贯通规律,基于损伤理论建立了含非共面重叠双裂隙的计算模型,对单轴压缩下的裂纹扩展过程进行了描述,与试验结果对比验证了数值模拟的合理性,同时对应力-应变关系进行了阐述,从细观的角度对不同倾角的裂纹差异进行了解释,最后基于断裂力学理论推导了翼裂纹的产生机理。结果表明:裂纹尖端产生"翼形裂纹",预制裂纹倾角较小时翼裂纹从靠近预制裂纹尖端而非裂纹尖端产生,而倾角较大时则从预制裂纹尖端产生;含共面非重叠裂隙的应力-应变曲线呈现三个典型的阶段:弹性阶段、损伤阶段及破坏阶段。弹性阶段声发射事件数较少,损伤阶段声发射事件数逐渐增加,破坏集中发生于破坏阶段;对于裂隙倾角较小的情况,最大拉应力出现在靠近裂隙尖端处,而不是裂隙尖端处,对于裂隙倾角大于30°的情况,最大拉应力出现在裂隙尖端处,且裂隙的倾角越大,拉应力区也越大,压应力区越小;基于断裂力学理论推导了裂纹尖端的开裂准则,表明翼形裂纹的产生是由于其裂纹尖端的拉应力所导致。     

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。     

温度冲击后煤岩的力学损伤特性研究

温度冲击是提高煤岩透气性的重要手段。为研究温度冲击后煤岩力学损伤特性,采用高温-液氮热冷处理对试样进行单轴力学变形损伤破坏实验,探究不同温度冲击后煤岩损伤的声发射特征。结果表明：煤岩抗压强度和弹性模量随冲击温度的升高呈现非线性下降趋势,损伤强度降幅为34%～66%;弹性模量宏观上表征煤岩的损伤变量,拟合曲线呈现“下凹”特点;用声发射振铃计数从细观角度表征热冷作用后煤岩的损伤特性,冲击温差越大,煤岩损伤越明显,200℃-液氮冲击煤岩损伤达94%,此时煤岩致裂损伤效果最为显著。     

超声波功率对煤体孔隙结构损伤及渗流特性影响实验研究

为探究超声波功率对煤体孔隙结构损伤及渗流特性的影响,利用超声波NM-4B波速检测仪、蔡司Stemi508显微镜和煤岩芯渗透率测试仪,测试超声波不同功率激励前后煤样的表面裂隙宽度、微细观损伤和渗透特性的变化.实验结果表明:随着超声波激励功率增大,表面裂隙宽度增大,煤体表面裂隙宽度扩展率随功率呈正指数相关;超声波激励功率越...     

基于小波去噪的充填体声发射序列分形特征研究

为了获取充填体在外荷载作用下声发射序列的分形特征,对灰砂比为1∶6的充填体试样进行单轴压缩声发射试验,并利用小波分析去除声发射信号中的噪声信息,在此基础上研究试样破坏各过程的声发射活动情况及其分形特征。研究表明未去噪的声发射特征参数的峰值会提前出现;随着相空间维数的增大,分形维数呈现出一种先增大后稳定的趋势;声发射序列的分形维数在应力接近峰值时骤减,此时试样出现主破裂。分形维数在试样失稳破坏前期呈现出波动到稳定的变化趋势,该特征为分形理论应用在充填采矿的安全监测提供依据。