文摘
基于应变的不同损伤变量方程,能量耗散,声发射(AE)和分级循环加载条件下渗透率特征定义。损伤变量基于不同特征比较、分析,发现它们之间有相同点和不同点。结果表明:(1)单周期的曲线损害的法律基于残余变形和渗透率是相同的。随着循环次数的增加,减少,然后慢慢增加,大幅增加之前的失败。然而,单一的法律曲线周期伤害基于能量耗散和AE环数显示,它首先慢慢增加,邻失败迅速增加。(2)基于残余变形的累积损伤演化规律和渗透率表现出明显的三阶段模式;第一次加速,减速,然后再次加速。然而,基于能量耗散的累积损伤演化规律和AE环数显示了明显的两阶段模式,也就是说,第一个温柔地增加,大幅增加之前的失败。
1。介绍
深部煤炭开采的过程中,它往往患有多种循环开采压力、爆破应力波的影响等的支持,挖掘和支持室,地质构造运动,等等1- - - - - -5]。作为一个产品的复杂地质结构,有大量不规则的微裂隙煤和岩石的结构非常不平衡,呈现复杂的非线性力学特性。外部负载和环境的作用下,煤和岩石的内部微裂隙继续推导和扩大,造成持续伤害的煤和岩石,最后形成宏观裂缝,导致失败6,7]。煤和岩石的变形与破坏过程循环荷载下实质上是煤和岩石的累积损伤发展过程(8- - - - - -10]。因此,它具有重要意义研究煤和岩石的损伤演化规律为进一步揭示了矿山岩体的变形和破坏特征。
的关键研究煤岩体的破坏特征是回答两个问题:首先,破坏的特征是什么?第二,什么样的变量可以作为损伤变量?针对这两个问题,国内外学者做了很多研究在不同类型的岩石的破坏,同时也提出了各种各样的岩石损伤的表征方法(11- - - - - -14]。例如,基于等效应变假设,勒梅特提出了经典损伤定义“弹性模量法”(11),其损伤变量的公式如下: 在哪里E材料的弹性模量没有损害;Ed材料的弹性模量和破坏,即。卸载模量。
的经典定义损伤变量被修改和谢和一个弹塑性损伤定义加上塑性变形和损伤变形机理提出了(12]。 在哪里εp和ε卸载后的残余应变和总应变在卸货期间,分别。
基于威布尔分布的材料断裂极限内消旋,装载/卸载响应率之间的关系Y和损伤变量D建立了Zhang et al。13]。 在哪里YE装载/卸载响应率和吗米魏是威布尔指数。
李等人。14)认为,与塑料微粒应变疲劳损伤,并建立了高循环疲劳损伤方程表达的周期数: 在哪里NF是周期的数量当岩石达到疲劳失效,然后呢b是实验参数。
基于能源消费理论和累积能量耗散的影响的损害标本,邓小平提出了能源消耗和损害之间的关系(15]。
刘等人建立的损伤变量表达式基于AE累计振铃数(16]。
东等人建立了一个冰冻的砂岩的损伤演化模型反映了温度效应用幂函数符合累积AE数(17]。吴等人研究了激光冲击强化下材料的损伤特点AE (18]。赵等人定义损伤变量基于AE参数的相对变化(19]。
总之,列出的常见损伤表征方法。他们反映了岩石的损伤演化过程中加载一些变量,如弹性模量、塑性变形、能量耗散和AE。虽然间接代表了损伤变量的演化从不同方面,仍有许多争议和现象不符合现实。与此同时,他们没有比较和分析损伤变量基于不同的特征参数。很难获得的一些损伤特征参数上面提到的在这一领域或实验。
因此,在这项研究中,煤是用来进行分级循环加载测试,和能量耗散的特点,AE、渗透率和残余应变被用来综合反映了损伤演化特征的原煤分级循环加载过程。一个新的基于渗透率变化率的损伤变量方程定义和基于能量耗散与破坏特征相比,AE,残余应变。基于渗透率的损害特征变化是容易衡量的,可以从侧面反映煤损伤演化的规律。
2。测试设备和方案
2.1。测试设备
三轴应力thermal-hydro-mechanical煤含有气体渗透仪系统(20.)是用于实验,模拟和研究煤的气体渗流试验和岩石在不同地应力字段(封闭和轴向压力),不同气体压力、温度和不同的原位字段,如图1。PCI-2 AE开裂过程被记录的系统。前置放大器增益40 dB。AE传感器被安排在水平和垂直方向的煤样3]。
2.2。煤炭样品
实验中使用的煤样被K1煤层南川Hongneng煤矿西翼的。煤层中富含气体和煤尘爆炸。样本的基本物理参数如表所示1。大型煤炭块采取现场钻孔沿垂直层理方向,然后切割和抛光的大小Φ50×(100±0.25毫米),和实际煤样品如图2。
2.3。实验方案
在这个实验中,轴向压力和围压加载3 MPa静水压力在0.05 MPa / s的速度同时,然后1 MPa气体注射。吸附平衡后,围压和瓦斯压力保持不变。轴向压力继续加载的速度0.05 MPa / s,然后卸载到目标值,然后卸载前5 MPa下加载。具体加载路径如图3。
3所示。实验结果和分析
在这个实验中,三个原料煤的装卸测试(RC-1、RC-2 RC-3)在相同的条件下进行,与损伤变化量和累积损伤变化规律的周期之前的失败原煤进行了研究。总损伤变量被定义为1和初始损伤被定义为0。基于残余应变的特点,能量耗散,AE,和渗透率的原煤分级循环加载和卸载的过程,不同的损伤变量定义的描述方法,基于不同的参数和损伤变量的法律进行比较和分析。以RC-1为例,在分级循环加载的过程中,相应的应力-应变关系图、渗透率、AE,可以看出,随着压力的增加,煤的损失不断增加,并可以表达的损害不同变量(残余应变、渗透和AE)。接下来,使用不同的变量描述的破坏特征进行了探讨。
3.1。基于残余变形特性的损伤变量
连续的和不可逆转的岩石疲劳损伤会在外力的作用下产生的,和残余变形能准确反映塑性变形特征和岩石裂缝的不能挽回的程度在外力的作用下。因此,残留变形能更好地反映岩石疲劳损伤的特点。根据产生的残余应变循环加载和卸载期间,单周期损伤变量Dp(我)和累积损伤变量Dp定义如下: 在哪里εP(我)的残余应变我th周期;也就是说,εP(我)=ε(我)−ε(我−1);ε(我)时的应变循环加载和卸载我次,轴向应力卸载到5 MPa,如图4。是所有循环剩余的总量压力之前失败。
根据方程(7)和(8)、单周期损伤变量Dp(我)和累积损伤变量Dp根据残余变形特征。如图5 (a)和5 (b),损伤变量的变化趋势三个煤样随循环次数的增加是大致相同的,而单周期损伤和累积损伤的变化趋势是完全不同的。在装卸过程中,单一循环损伤的增加先增加然后减少周期的数量。原煤的伤害附近的初始压实阶段和破坏阶段大于中间,弹性变形阶段。累积损伤变量可以分为三个阶段:第一阶段是初始加速破坏阶段,在最初的周期阶段,大量的气孔和裂缝原煤的压缩,第二阶段是弹性柔和破坏阶段,第三阶段是在快速破坏阶段。这反映了原煤分级循环载荷作用下的损伤演化过程。
(一)
(b)
3.2。基于能量耗散特性的损伤变量
岩石破坏是岩石性质的恶化造成的内部缺陷的发展,和能源的推动力量是一代摇滚缺陷和损伤发展和扩张。因此,岩石的变形和断裂过程必须伴随着能量的转换21- - - - - -26]。是可行的分析岩石变形和断裂过程的能量转换特性,并找到适当的能量转换相关的特征来描述岩石的损伤力学特性。具有重要意义,进一步分析和岩石损伤的演化。基于能量耗散在循环加载和卸载,单一循环损伤变量DU(我)和累积损伤变量DU定义如下: 在哪里Ud(我)的能量耗散我th循环,如图6。U之前所有循环能量耗散的总量失败。能量耗散的具体计算方法可以参考以往的研究文献[22]。
根据方程(10)和(11)、单周期损伤变量DU(我)和累积损伤变量DU基于能量耗散特性。如数据所示7(一)和7(b),单周期损伤和累积损伤的变化趋势也不同,这是不同的损伤变量计算基于残余变形特性,但趋势基本上是相同的。单周期伤害有一些波动。的累积伤害增加分级的循环次数的增加,并没有明显的三个阶段。损伤变量的一般规则基于能源消费特征是一样的,根据残余变形,但也有差异。因此,损伤变量的特征是否能更好地描述循环荷载下岩石的疲劳力学性能相关的选择合适的表征方法。进一步说明,通过选择不同的参数获得的损伤变量不仅是相同的,基于AE信号的损伤变量和渗透率特征参数选择这个实验进行分析。
3.3。损伤变量基于AE特征
AE是一个现象,岩石材料产生应变能和释放在外载荷作用下弹性波。无损监测方法,AE监测技术广泛应用于材料损伤特征的研究(27- - - - - -29日]。AE特征参数和力学参数之间的关系包含材料的损伤信息(30.]。AE特征参数的变化表明材料的损伤演化过程。因此,本研究选择声发射振铃计数来描述损伤过程循环应力下的原煤。基于声发射振铃计数、单周期损伤变量D一个(我)和累积损伤变量D一个定义如下: 在哪里N(我)的声发射振铃计数我th循环,如图4,N之前所有周期的AE振铃总数失败。
根据方程(12)和(13)、单周期损伤变量D一个(我)和累积损伤变量D一个基于AE特征可以获得。如数据所示8(一个)和8 (b)周期的数量的增加,三种煤样的损伤演化规律基于AE特征是大致相同的。破坏前的一个单一的周期量显著增加,早期的失败和保持稳定。慢慢的累积损伤增加早期和快速失败之前,可以分为两个阶段:第一阶段是稳定的时期,第二阶段是快速恶化的时期。
(一)
(b)
损伤演化规律有一些差异基于AE特征基于残余应变和能源消费特征,这可能与AE的收集的数据。因为AE收购需要设定一定的阈值,以避免噪声的影响测试机的循环应力较低时,生成的AE信号的强度很弱,它并没有达到采集信号的阈值,而不是收集,所以它显示声发射振铃计数、低损伤更少的现象在初始阶段的周期。
3.4。基于渗流特征的损伤变量
基于残余变形损伤变量,能源消耗,和AE特征是更传统的参数变量的损伤,但这是不容易测量原位。然而,煤层气体的测量更方便,所以它被认为是是否有煤渗透率的伤害。关闭、发展、扩张,煤炭和连接内部断裂的根本原因是煤的渗透率的变化(31日- - - - - -35]。外部载荷的作用下,内部孔隙结构的变化和裂缝形态也是煤岩破坏的根本原因。渗流与损伤演化的关系,进行了一些研究学者。基于微观力学,邵等人提出了花岗岩的损伤模型,建立了耦合损伤张量和渗流特征之间的关系(36,37];盛等人提出了裂隙岩体渗透张量的表达考虑裂缝损伤效应(38- - - - - -40]。因此,它是可行的”来形容改变煤炭质量的损害渗透率的变化。
装卸实验进行了这个实验。轴向压力逐步加载和卸载,以及围压保持不变。一定数量的损坏是在每个生产周期。渗透率的变化可能间接反映损伤的数量。因此,基于渗透率变化在循环加载和卸载,可以定义一种新的损伤表征方法;即单周期损伤变量DK(我)和累积损伤变量DK如下: Δ在哪里K(我)渗透率的变化K+在循环加载和的开始K−开始循环卸载期间我th循环,如图4。ΔK之前累积的渗透率变化周期失败。
根据方程(15)和(16),单损伤变量DK(我)和累积损伤变量DK根据渗流特征。如数据所示9(一个)和9 (b)基于渗透率变化,损伤演化规律类似于基于残余应变。破坏的一个周期是更大的在第一周期装卸,小和稳定在第二周期,显著增加在不久的失败。累积损伤量也呈现三个阶段,这是一样的伤害量基于残余应变的变化规律。
(一)
(b)
4所示。讨论
介绍了损伤变量根据microdefects在研究材料的特点,这是一个衡量材料损伤和恶化的程度。然而,在工程实践中,更关注宏观的物理和机械性能的恶化演变在损伤过程中(24,27,41- - - - - -43]。因此,宏观量通常是用来定义损伤变量,和宏量作为损伤变量必须有明确的物理意义,容易衡量(确定),和变化规律是一致的材料疲劳力学性能的演变过程。摘要残余应变,能量耗散,声发射振铃计数,和渗透率变化都符合上述条件,可以用来描述煤的损伤演化规律。然而,通过比较的单一循环损伤和累积损伤数据5和7- - - - - -9,它可以发现损伤演化律法计算了不同的参数具有相同的趋势,然而,破坏路径是不同的。
(一)
(b)
比较异同损伤变量基于不同参数的特征,单一循环损伤变量和累积损伤变量RC-1煤炭样本计算基于不同参数绘制在同一图中,如图10 ()和10 (b)。从图可以看出10 ()单周期的趋势损害基于残余变形量和渗透率变化是相同的,先增加然后增加轻轻地随着分级的增加周期,然后相邻失败的增加而增加。然而,单周期的趋势损害基于能量耗散和AE振铃计数明显不同,显示一个缓慢的增加最初和相邻失败的迅速增加。图10 (b)表明基于残余变形的累积损伤的演化规律和渗透率变化是相同的,显示一个明显的三阶段模式,加速,减速,然后加速不久的失败,而累积损伤演变规律,基于能量耗散和AE振铃计数是相同的,显示一个明显的两阶段模式;第一,增加轻轻地,附近失败急剧增加。这可能是由于残余应变与渗透率变化的比较卸载和加载点之间的物理量,而能量耗散和AE振铃计数物理量的比较在整个装卸过程。能量耗散和AE信号能量在推动岩石破坏的宏观表现。因此,损伤演化的趋势显示了两组,但两组的累积伤害增加的数量的增加周期。不匹配的路径,但形成良好的互补。
(一)
(b)
煤是破坏应力的作用下循环,可以从不同方面展示和损害。在这项研究中,应变、能量耗散、AE信号,选择和渗透率变化的损伤程度。煤的破坏基于不同的表征方法相互验证。损害的本质是煤的变形造成的压力,影响煤炭产生裂缝和释放AE信号。裂缝的变化直接影响渗透率的变化。煤的破坏需要消耗能量。在压力下煤的能量耗散主要用于煤的伤害和失败(见图11)。虽然有一些差异在损害由不同的参数,整个法律是相似的,这表明,不同的参数可以从侧面反映了煤的破坏。
5。结论
基于应变的不同损伤变量方程,能量耗散、AE,渗透率特征在循环加载和卸载下定义。损伤变量基于不同的特征进行比较和分析,发现它们之间有相同点和不同点。结果表明,(1)单周期的曲线损害的法律基于残余变形和渗透率是相同的。随着循环次数的增加,减少,然后慢慢增加,大幅增加之前的失败。然而,单一的法律曲线周期伤害基于能量耗散和AE环数显示,它首先增加缓慢,然后邻失败迅速增加。(2)基于残余变形的累积损伤演化规律和渗透率显示了明显的三阶段模式,也就是说,加速,减速,然后再次加速。然而,基于能量耗散的累积损伤演化规律和AE环数显示了明显的两阶段模式;即首先慢慢增加,大幅增加之前的失败。
数据可用性
所有数据了。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项工作是由中国国家自然科学基金资助(52104176和52104176),自然科学研究重点项目在安徽大学(KJ2020A0325和KJ2020A0324),安徽省的主要研究和开发计划(202104 a07020009),能源研究所的合肥综合国家科学中心(21 kzs215)和国家重点实验室培育基地天然气地质和气体控制(河南理工大学)(WS2019B04)。