真三轴卸荷条件下煤岩力学特性及损伤演化规律研究

摘要

为更加真实的模拟深部地下工程开挖过程,研究深部煤炭开采引起地下工程围岩力学性质的变化规律。本文将以煤岩为研究对象,基于真三轴试验设备及声发射监测设备,分别以中间主应力、卸荷速率及卸荷路径为研究变量,进行真三轴卸荷试验,同时引入损伤理论,分别对三种条件下煤岩力学特性及损伤演化规律进行深入研究。取得如下研究成果:(1)中间主应力从4 MPa增至10 MPa的过程中,煤岩在卸荷破坏时的最大主应变值有小幅提高;中间主应变值与体积应变值显著降低;最小主应变值小幅降低。煤岩在中间主应力较小时的破坏形态表现为剪切破坏,中间主应力较大时则表现为张拉破坏。对煤岩卸荷破坏时的力学数据通过三种强度准则进行拟合对比分析,从拟合优度上看,三参数的八面体剪应力强度准则能更好的表示煤岩在不同中间主应力条件下真三轴卸荷破坏时的强度特征。(2)卸荷速率从0.05 MPa/s增至0.4 MPa/s的过程中,煤岩在卸荷破坏时的最大主应变值及最小主应变值显著降低,中间主应变值却有小幅提高,体积应变值显著降低。煤岩在低卸荷速率条件下的破坏形态表现为剪切破坏,高卸荷速率条件下则表现为张拉-剪切复合型破坏。从拟合优度上看,修正后的Drucker-Prager强度准则能更好的表示煤岩在不同卸荷速率条件下真三轴卸荷破坏时的强度特征。(3)根据卸荷方向的不同设计三种卸荷路径:路径1为方向单面卸荷;路径2为、方向单面卸荷;路径3为方向单面卸荷,同时方向加荷。其中煤岩卸荷破坏时的最大主应变值:路径3>路径1>路径2,中间主应变值、最小主应变值及体积应变值:路径1>路径3>路径2。路径1条件下煤岩卸荷破坏时表现为剪切破坏,路径2条件下表现为板状张拉破坏,路径3条件下则表现为张拉-剪切复合型破坏。从拟合优度上看,修正后的Drucker-Prager强度准则能更好的表示煤岩在不同卸荷路径条件下卸荷破坏时的强度特征。(4)中间主应力越大,煤岩在卸荷破坏时的累计振铃计数越大,能量越高;卸荷速率越大,破坏时的累计振铃计数越大,能量越高;路径1条件下破坏时对应的累计振铃计数最小,能量最低,路径3次之,路径2的累计振铃计数最大,能量最高。通过计算分析声发射参数相关特征值来鉴别煤岩卸荷破坏时内部裂隙类型,研究发现煤岩在各卸荷条件下的内部破坏特征与表面破坏特征相一致。(5)中间主应力从4 MPa增至10 MPa的过程中,煤岩试样在卸荷破坏时的总能量增长了68.9%,弹性应变能增长了165.3%,储能极限增长了50.7%,耗散能增长了59.8%;卸荷速率从0.05 MPa/s增至0.4 MPa/s的过程中,煤岩试样在卸荷破坏时的总能量减少了52.4%,弹性应变能减少了24.1%,储能极限减少了21.6%,耗散能减少了76.1%。路径3在卸荷破坏时的总能量、弹性应变能、储能极限及耗散能均高于其余两种路径,路径1次之,路径2最低。(6)基于损伤力学理论,分别以累计振铃计数及耗散能参数定义损伤变量Ds、Dn,推导出损伤演化方程,对各卸荷条件下煤岩的损伤演化过程进行定量分析。各卸荷条件下煤岩的损伤演化过程大致可分为三个阶段:初期缓慢增长阶段、中期平稳增长阶段以及后期快速增长阶段。(7)通过对两种损伤变量推导的卸荷破坏模型进行对比分析,发现两种模型对各卸荷条件下煤岩的破坏过程均有一定的适用性。从平均偏差率来看,基于Ds建立的模型比基于Dn建立的模型对煤岩卸荷破坏过程的描述更为适用。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 岩石卸荷试验研究现状

1.2.2 岩石声发射试验研究现状

1.2.3 岩石能量特征试验研究现状

1.2.4 岩石损伤理论研究现状

1.3 存在的问题

1.4 主要研究内容及研究技术路线

1.4.1 主要研究内容

1.4.2 研究技术路线

第2章 真三轴卸荷条件下煤岩力学特性试验研究

2.1 试验设备及试样制备

2.1.1 试验设备

2.1.2 试样制备

2.2 不同中间主应力条件下煤岩力学特性分析

2.2.1 试验方案

2.2.2 应力应变分析

2.2.3 破坏特征分析

2.2.4 强度特征分析

2.3 不同卸荷速率条件下煤岩力学特性分析

2.3.1 试验方案

2.3.2 应力应变分析

2.3.3 破坏特征分析

2.3.4 强度特征分析

2.4 不同卸荷路径条件下煤岩力学特性分析

2.4.1 试验方案

2.4.2 应力应变分析

2.4.3 破坏形态分析

2.4.4 强度特征分析

2.5 本章小结

第3章 真三轴卸荷条件下煤岩声发射特征试验研究

3.1 声发射监测系统

3.1.1 设备介绍

3.1.2 设备校准及传感器布置

3.2 不同中间主应力条件下声发射特征分析

3.2.1 声发射能量及振铃计数特征分析

3.2.2 声发射RA-AF特征分析

3.3 不同卸荷速率条件下煤岩声发射特征分析

3.3.1 声发射能量及振铃计数特征分析

3.3.2 声发射RA-AF特征分析

3.4 不同卸荷路径条件下煤岩声发射特征分析

3.4.1 声发射能量及振铃计数特征分析

3.4.2 声发射RA-AF特征分析

3.5 本章小结

第4章 真三轴卸荷条件下煤岩能量演化规律研究

4.1 岩石能量理论分析

4.2 不同中间主应力条件下煤岩能量特征分析

4.3 不同卸荷速率条件下煤岩能量特征分析

4.4 不同卸荷路径条件下煤岩能量特征分析

4.5 本章小结

第5章 真三轴卸荷条件下煤岩损伤演化规律研究

5.1 损伤变量定义

5.1.1 基于声发射参数定义损伤变量

5.1.2 基于能量参数定义损伤变量

5.2 基于声发射及能量参数的煤岩损伤演化规律研究

5.2.1 不同中间主应力条件下煤岩损伤特征分析

5.2.2 不同卸荷速率条件下煤岩损伤特征分析

5.2.3 不同卸荷路径条件下煤岩损伤特征分析

5.3 基于声发射及能量参数的煤岩真三轴卸荷破坏模型应用讨论

5.3.1 真三轴卸荷破坏模型的建立

5.3.2 两种模型的应用对比

5.4 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献