真三轴加卸载条件下煤样应力能量演化特征与破裂损伤规律

摘要

本研究针对不同地应力异常区中小尺度采掘时加卸载导致的动力灾害问题，基于真三轴采动煤岩体动力显现实验系统，设计了能够实现实时监测的真三轴声发射监测单元，并综合采用实验室实验、理论分析等手段，对真三轴受载下煤样力学性质与失稳破坏特征、声发射规律以及微破裂、波速和时空演化规律进行了系统探究。声发射研究结果表明，真三轴受载煤样振铃计数受载荷水平、个体差异与加载速率影响。在低载荷水平下，由振铃计数代表的煤样损伤较多出现于加载阶段，且数量较少。随着载荷水平的增加，煤样内振铃计数逐渐升高，保压阶段的振铃计数也大幅增加，表明煤样损伤过程逐渐由加载阶段向保压阶段转移。此外，在不同载荷水平下，煤样内声发射事件主要集中于加载初期，而声发射事件总量则随着载荷水平的逐渐增加而具有先上升后下降的趋势。在极高载荷水平下，声发射事件极少并平均分布于整个加载阶段。力学与失稳破坏特征研究结果表明，真三轴中、低载荷受载煤样在各方向均呈现出压缩状态，但随着最大主应力与中间、最小主应力逐渐增加，最小主应力方向与中间主应力方向相继出现扩容现象。在低载荷水平下，煤样内主要以张拉破裂为主，随着载荷水平不断增加，微破裂类型逐渐转变为剪切破裂，同时破裂数量在保压阶段的上升速度有明显增加。在进行单面自由状态的三轴卸荷时，低载荷受载煤样因未达到承载极限，其外观仍保持完整形态且无明显动态破坏发生，而高载荷受载煤样因已达到承载极限而在内部遭受二次损伤，其破坏以煤渣在自由面大量掉落的形式发生。微破裂、波速与能量演化规律研究结果表明，在真三轴加载初期，原生孔隙逐渐闭合与原生致密区的初始受载使此阶段煤样内出现少量的高、低波速区。随着载荷逐渐增加，原生孔隙压实与致密区破裂造成高波速区转移扩展与波速异常区形成。煤样接近破坏时，宏观裂隙的贯通使煤样内出现大面积低波速带，内部大量产生与闭合的裂隙使高波速区、波速异常区迅速变化转移，煤样已处于不稳定状态。在真三轴高载荷保压阶段，由于煤样裂隙的不断压实与内部结构特征的充分破坏，煤样内出现以低波速区不断减小与整体波速提高为代表的持续性损伤。此外，在真三轴加载阶段，煤样内累计破裂释放能量分布较为集中，其位置大致对应高波速区与波速异常区，同时极大值也不断升高。当煤样失稳破坏后，累计破裂释放能量分布逐渐分散并贯穿整个试样，其极大值增速却趋于平缓。

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致谢

变量注释表

1 绪论

1.1 研究背景及意义 (Research Backgrounds and Significance)

1.2 国内外研究现状 (Research Status at Home and Abroad)

1.3 主要研究内容及路线 (Research Contents and Route)

2 真三轴动静载实验系统及声发射探测

2.1 采动煤岩体动力显现实验系统 (True Tri-axial Coal-rock Dynamic Behavior Testing System)

2.2 真三轴加载过程中声发射信号拾取设备设计 (Unit Design of Acoustic Emission Signal Detection During True Tri-axial Loading Process)

2.3 本章小结(Summary)

3 真三轴不同加卸载条件下煤样力学及声发射特征

3.1实验过程与方案设计 (Test Process and Scheme Design)

3.2 不同水平应力条件下真三轴加卸载煤样实验 (True Tri-axial Loading-unloading Tests of Coal Sample Under Different Horizontal Stress Conditions)

3.3 不同垂直应力条件下真三轴加卸载煤样实验 (True Tri-axial Loading-unloading Tests of Coal Under Different Vertical Stress Conditions)

3.4 真三轴受载煤样微破裂震源模式分析 (Fracture Mode Analysis in Coal Sample under True Tri-axial Compression)

3.5 本章小结 (Summary)

4 真三轴不同加卸载条件下煤样微破裂、波速与能量演化特征

4.1 声发射波速反演原理及过程 (Theory and Process of Acoustic Emission Tomography)

4.2 能量演化原理及计算过程 (Principle and Calculation Process of Energy Evolution)

4.3 不同水平应力条件下真三轴加卸载煤样微破裂、波速与能量演化(Evolution of Micro-cracks, Wave Velocity and Energy of Coal Sample in True Tri-axial Tests under Different Horizontal Stress Conditions)

4.4 不同垂直应力条件下真三轴加卸载煤样微破裂、波速与能量演化(Evolution of Micro-cracks, Wave Velocity and Energy of Coal Sample in True Tri-axial Tests under Different Vertical Stress Conditions)

4.5 真三轴受载煤样波速极值变化规律 (Maxima and Mininma of Wave Velocity in Coal Sample under True Tri-axial Loading Test)

4.6 本章小结 (Summary)

5 主要结论

参考文献

作者简历

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