加载速率影响下的类煤岩力学及损伤演化特性研究

发布时间：2020-09-12 19:02

　　煤矿开采过程中,由于煤层赋存条件及开采技术条件的不同,受采动应力、构造应力、施工扰动等的影响,煤体或岩体常处于不同荷载速率的影响下。本文从宏观与细观联合分析的角度,通过自主研制的采动应力试验系统对500mm×150mm× 150mm尺寸的类煤岩试件进行了不同应力加载速率的应力转移试验,利用液压伺服刚性试验机进行了石膏材料和水泥砂浆材料(尺寸,100mm×100mm×200mm)的不同位移加载速率的单轴压缩试验,借助于颗粒离散元分析软件进行了单轴压缩模型的构建和不同加载速率的数值模拟试验,并利用声发射参数和损伤裂纹演化规律进行了损伤本构模型的构建,主要分析和研究了加载速率对煤岩体力学特性、声发射规律和损伤演化关系等的影响。研究结果表明:(1)单轴压缩过程中,煤岩体的声发射规律主要经历试件压密及弹性变形时期的声发射信号数少,到试件破裂失稳时期的声发射数突增,再到试件损伤残余时期的信号数骤减3个声发射主要变化时期;(2)在不同应力加载速率的采动应力转移试验中,应力以1kN/s、3kN/s、SkN/s不同的速度向试样内部转移的过程中,试样的破坏特征及声发射参数呈现明显的阶段性规律,随着应力转移速度的增大,各区域声发射振铃计数率和累积振铃计数明显减小的趋势,振铃计数增加的幅度越来越小但是,应力转移期间振铃计数增长率却随着应力转移速率的增大而增大;(3)比较不同位移加载速率下的石膏材料类煤岩试件的声发射率规律,加载速率对煤岩材料声发射信号的影响是显著的,随着加载速率的增大,声发射率明显升高,表现出声发射活动更为剧烈,主要是由于在低应变率下,试件内微小裂隙缓慢发育和扩展,而较快的加载速率使微小裂隙来不及发展,能量不断积聚,在应力峰值点附近导致突然释放,产生较大的瞬时声发射率;(4)比较不同位移加载速率下的水泥砂浆材料试件,加载速率越大,破坏越集中于某一宏观断裂面,破坏形态从多宏观断裂面向单一宏观断裂面转变,整体破碎度程度降低,加载速率为0.01mm/s时宏观断裂面:呈现“X”型,加载速率为0.02mm/s时宏观断裂面呈现“V”型,加载速率为0.05mm/s宏观断裂面呈现“Y”型的锥形破坏形态,加载速率为0.10mm/s时试件呈现出沿对角线破坏的剪切破坏特点;(5)煤岩试件的损伤演化过程可分为初始损伤阶段,损伤稳定发展阶段,损伤加速发展阶段3个阶段,加载速率对损伤发展的影响主要表现损伤稳定发展阶段,即加载速率越大,试件开始进入损伤稳定发展阶段的应变值越小,且应变范围越小。
【学位单位】：山东科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TD313
【部分图文】：

巷道破坏,情况,煤岩体,冲击地压

影响作用在采掘空间周围煤岩体上的应力加载速率，进而影响煤岩体的破坏规逡逑律１１４＿１８１，如采掘速度过慢，采掘空间周围煤Ｗ应力不断累积，而采掘速度过快，逡逑容易导致冲心地压等事故，图１．１所示为掘进速率过快引起的巷道严g.变形芈逡逑故。在采矿丨：程中，如，２００８年７月１５曰在鸡西矿Ｒ的城山煤矿开采工程屮，逡逑在某一１：作面回采大约９ｍ左右时，由于设备维修等原因停止作业，导致作用逡逑在采动空间周围煤岩体上的应力集中效应不断加大，围岩的变形进一步得到累逡逑积，在１８ｈ再次开挖后，二次采动诱发煤岩体上的加载速率瞬间增大，引发了逡逑严重的冲击地压事；２０１３年１月１２日，由于五龙煤矿３４３１Ｂ掘进工作面设１十逡逑不规范，工作面布置出现了严重的错误，在掘进过程中导致掘进面前方的煤Ｗ逡逑体处于较大的集屮应力影响下，当应力集中超过该处煤妁体的力学承戟极限T，逡逑发生了造成８人死亡的冲击地压事故；同年１０月份

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摄像机记录试件表面裂纹的扩展过程，同时对石膏材料试件在受力变形破坏过逡逑程中的声发射参数变化进行了监测。通过以上室内试验，研宄和分析了不同加逡逑载速率对试件强度、应力－应变关系、破坏模式、声发射规律、裂纹扩展过程等逡逑的影响。逡逑（３）颗粒离散元数值模拟：以室内不同加载速率的水泥砂浆材料试件的试逡逑验结果为建模基础，利用颗粒离散元程序ＰＦＣ邋（Ｐａｒｔｉｃｌｅ邋Ｈｏｗ邋Ｃｏｄｅ）建立了煤逡逑岩材料二维颗粒黏结模型ＢＰＭ邋（Ｂｏｎｄｅｄ邋Ｐａｒｔｉｃｌｅ邋Ｍｏｄｅｌ），通过颗粒离散元分析逡逑方法进行了加载速率对模型微细观裂纹（类比于声发射信息）的数值分析，并逡逑为损伤本构模型的建立和分析提供了数据支持。逡逑（４）煤岩损伤演化规律及本构关系：基于颗粒离散元数值模型监测和记录逡逑的微细观裂纹随加载过程的变化规律，建立了基于损伤变量描述煤岩变形破坏逡逑过程的本构关系，以此进一步分析了不同加载速率对煤岩损伤的影响。逡逑１．３．２技术路线逡逑

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形成了比较完善的煤岩损伤力学的理论体系。煤岩损伤力学的发展不断受到岩逡逑体力学研宄者的重视，目前在煤岩损伤力学研宄方面，其相关研究内容可概括逡逑为图２．１所示。逡逑弹性塑性流变疲劳冲击逡逑ＩＩ邋Ｉ邋Ｉ逡逑全解}］逦１邋ｍｍ逡逑￣ｆ逦细观逡逑｜工程结构及围Ｌ逦｜煤丨岩丨损伤」本构方程与演逦ｍ逡逑岩体损伤分析—力学－＾化方程—＾逦／连续介质力学逡逑￣￣＊￣￣！（－标量逦方法＼不可逆热力学逡逑１变分提法－逦损伤变量逡逑损伤准则逦矢量逡逑下界理论」逦监测数据逡逑张量逡逑图２．１损伤力学的主要研宄内容逡逑Ｆｉｇ．邋２．１邋Ｒｅｓｅａｒｃｈ邋ｃｏｎｔｅｎｔｓ邋ｏｆ邋ｄａｍａｇｅ邋ｍｅｃｈａｎｉｃｓ逡逑２．１．２煤岩损伤劣化的声发射理论逡逑煤岩材料在外力作用下的损伤劣化过程中，由于内部裂纹的生成使能量以逡逑弹性应变能的形式释放，这种现象就称为声发射现象。煤岩的声发射规律逡逑反映了材料内部的损伤演化过程，因此，可以通过声发射信息监测设备对材料逡逑内部释放出的声发射信号（如声发射能量、振铃计数、撞击率、波形、损伤裂逡逑纹位置等）进行采集、记录和处理，然后根据声发射各种参数的变化规律对材逡逑料的损伤演化过程进行反演和分析｜＆７２］，从而进一步为采矿工程、隧道工程等逡逑岩体工程的稳定性预测和控制提供参考。逡逑声发射技术自发展至今可大致分为以下４个发展阶段：逡逑（１）

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