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局部荷载下含中心孔洞煤体裂纹扩展特征量化分析

发布时间:2020-07-24 06:19
【摘要】:采用高清数码摄像机和红外热成像仪,对含中心孔洞煤体试件在局部荷载作用下的裂纹扩展规律进行系统的试验研究,研究分析煤体试件在不同加载面积作用下试件表面裂纹的萌生、扩展、贯通,直至形成宏观破坏的整个过程中表现出的特征与规律。试验结果表明:局部荷载作用下含中心孔洞煤体试件裂纹扩展是加载条件和宏观中心孔洞耦合作用结果,裂纹扩展路径受其主导作用,而由孔、裂隙系统引起的非均质性则占据从属地位;均布荷载条件下,孔洞周边形成拉、剪应力区,且裂纹由此起裂,孔洞是引起应力集中的主导因素,但随着加载面积的改变,孔洞的主导地位被颠覆,应力集中强弱顺序发生突转,起裂位置由孔洞周边转向荷载临界处;受载面积对含中心孔洞试件裂纹扩展的影响具有区域性特点,且明显集中出现于有载荷作用的区域;随局部荷载的增加,初始裂纹的尺度(裂纹宽度和长度)不断增加,且裂纹的发展方向出现明显的非平直化趋势。
【图文】:

局部载荷,型煤,裂纹,试样


陨轿骰糁菝?电集团干河矿煤体为试验对象,对其进行局部加载来模拟其在真实条件下可能受到的非均匀载荷(局部载荷可以考虑为非均匀载荷的一种简单形式,在实验室也最易实现),借助相关试验设备来研究其在该非均匀载荷作用下裂纹(原生裂纹、次生裂纹)的扩展规律。1试验方案和试验设备1.1试验方案本试验所选用煤样均取自山西霍州煤电集团干河矿,严格按照国际岩石力学会试验建议方法的要求,采用湿式加工法将其加工成70mm的标准方型试件。试验前,选取标准试样2组8个,并在其中心位置钻取直径8mm的垂直贯穿孔洞,如图1(a)所示。图1试样Fig.1Schematicofspecimens同时,为了验证型煤在局部载荷条件下的裂纹扩展特征能否表征原煤,本试验将文献[13]中所描述的能够作为原煤相似模拟材料的水泥黏结剂配比,并根据本课题组已获得的配比经验参数获得相关配比(煤粉∶水泥∶水=10∶2.4∶1.6),借助本课题组的型煤制备装置采用此配比制备70mm的标准方型试件,选取标准方型型煤2组8个,并在其中心位置钻取直径8mm的垂直贯穿孔洞,如图1(b)所示。试验时,分别对原煤试样、型煤试样进行相对加载面为S,3S/4,2S/4,S/4的局部加载试验,加载速率861

试件,加载,煤体


煤炭学报2017年第42卷控制在0.5MPa/s,每组试验对4个试样展开试验,共进行4组(原煤试样2组、型煤试样2组),其加载示意如图2所示。1.2试验设备本试验设备采用自行研制开发的局部荷载加载试验装置(图3(a))与高清数字摄像机(图3(b)),结合红外热成像仪及其配套软件对试件表面微细观结构及温度的演化进行实时观测。局部荷载加载试验装置通过加载机构设置一定加载面积后对试件进行加载,以实现局部荷载加载的目的;高清数字摄像机为索尼HDR-PJ600型,动态摄影采用HD模式(1920×1080/50i(FX,FH)),图像采集速率为50帧/s;红外热成像仪为优利德生产的uti-160A型,灵敏度为0.08,辐射系数为0.92。图2试件加载示意Fig.2Schematicofloadedspecimens图3主要试验装置和观测装置Fig.3Localloadtestingdeviceandobservationdevice2表面裂纹演化特征量化参数煤体试件表面裂纹及温度场演化特征的量化是研究不同热力学环境下多煤体扩展规律的重要指标,也是其重要组成部分,其评价成功与否,关键在于裂纹及温度场演化特征量化指标选取的科学性及量化的准确性。煤体试件的破坏可认为是在加载过程中内部裂纹的扩展、贯通造成的,且煤体试件在加载过程中通常伴随有红外辐射现象。因此,对煤体试件裂纹的直接观测及对表面温度场演化特征的间接观测,将有助于通过量化指标来反映煤体的破坏程度及其力学特征。本文将引用参考文献[13]中表面裂纹有效贯通率、表面裂纹瞬时有效贯通速度、熵理论、方差和笔者设定的煤体试件裂纹起裂位置、煤体试件裂纹起裂应力这6个常用指标对其进行表征,其中表面裂纹有效贯通率反映煤体试件的破损程度,而表面裂纹瞬时有效贯通速度、基于熵理论及方差的表面温度演化特征反映煤体试件破损的剧烈程度,煤体试

观测装置,试验装置,煤体


煤炭学报2017年第42卷控制在0.5MPa/s,每组试验对4个试样展开试验,共进行4组(原煤试样2组、型煤试样2组),其加载示意如图2所示。1.2试验设备本试验设备采用自行研制开发的局部荷载加载试验装置(图3(a))与高清数字摄像机(图3(b)),结合红外热成像仪及其配套软件对试件表面微细观结构及温度的演化进行实时观测。局部荷载加载试验装置通过加载机构设置一定加载面积后对试件进行加载,以实现局部荷载加载的目的;高清数字摄像机为索尼HDR-PJ600型,动态摄影采用HD模式(1920×1080/50i(FX,FH)),图像采集速率为50帧/s;红外热成像仪为优利德生产的uti-160A型,灵敏度为0.08,辐射系数为0.92。图2试件加载示意Fig.2Schematicofloadedspecimens图3主要试验装置和观测装置Fig.3Localloadtestingdeviceandobservationdevice2表面裂纹演化特征量化参数煤体试件表面裂纹及温度场演化特征的量化是研究不同热力学环境下多煤体扩展规律的重要指标,也是其重要组成部分,其评价成功与否,关键在于裂纹及温度场演化特征量化指标选取的科学性及量化的准确性。煤体试件的破坏可认为是在加载过程中内部裂纹的扩展、贯通造成的,且煤体试件在加载过程中通常伴随有红外辐射现象。因此,对煤体试件裂纹的直接观测及对表面温度场演化特征的间接观测,将有助于通过量化指标来反映煤体的破坏程度及其力学特征。本文将引用参考文献[13]中表面裂纹有效贯通率、表面裂纹瞬时有效贯通速度、熵理论、方差和笔者设定的煤体试件裂纹起裂位置、煤体试件裂纹起裂应力这6个常用指标对其进行表征,其中表面裂纹有效贯通率反映煤体试件的破损程度,而表面裂纹瞬时有效贯通速度、基于熵理论及方差的表面温度演化特征反映煤体试件破损的剧烈程度,煤体试

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【共引文献】

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【二级参考文献】

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本文编号:2768446

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