文摘

有各种复杂的关节(裂缝),薄片,和其他软巷道外壳的结构表面,和这些软结构表面的存在严重影响巷道稳定性的外壳。为了研究煤体的力学性能在煤炭骨折和关节的发展,本文建立了三维模型的断裂结构煤身体基于CT扫描和三维重建技术。在此基础上,一个3 d数值模型的等效节点煤炭的身体构造,进行单轴压缩仿真分析,联合进化发展规律,研究了煤样的内置PFC3D联合监测项目。结果表明,较大的有效联合区域和较大的煤炭样本内的接头尺寸,较小的煤试样的抗压强度。关节尺寸和关节的增加表面积增加了延性和应力-应变曲线multipeak煤样在某种程度上的现象。在煤样的破裂,每个阶段的变化的统计曲线联合数量和各个阶段的煤样的应力-应变曲线是兼容的。

1。介绍

煤的身体是一种非均匀地质体含有多种复杂成分和裂缝(关节),复杂的发生,关节轨迹长度和密度的主要因素,确定煤的力学性能和变形规律和岩体。通过关节,关节被列为semithrough关节和关节nonthrough根据通过的程度,和由于隐形nonthrough关节,关节发生和跟踪的信息长度不能直接获得。因此,nonthrough关节成为最困难的研究之一。和这些关节的存在很可能导致应力集中或扩张的弱结构巷道的外壳表面。因此,研究联合结构力学性能的影响煤炭的身体能更好地理解煤体内的失败过程,这有利于进一步揭示围岩的失稳的原因和提供了一个研究基础的稳定性评价采矿项目及相关工作。许多学者进行了大量的实验研究联合结构的影响岩体的力学性能。刘等人研究了nonthrough关节的角度和粗糙度的影响岩体的破坏模式土坡(1),发现岩体主要是拉伸断裂当关节角很小或粗糙度低,和岩体主要是拉伸剪切破坏关节角时大或粗糙度高;Fereshtenejad等人研究了力学性能和岩体内部微裂纹的演化与固定关节通过室内实验和数值模拟2- - - - - -4]。实验表明,法向应力越大,越高锚裂隙岩体的抗剪强度;刘等人研究的影响的角度通过关节的力量和失败模式标本通过巴西分割测试,探讨了损伤机制和关节扩张法的标本5- - - - - -8]。目前,大多数研究在关节更注重通过关节的特性参数的影响岩体的力学性能和失效模式,并没有足够的注意力都集中在nonthrough关节的损伤机制的研究。必应等人对nonthrough裂隙岩体进行了直剪试验和研究nonthrough裂隙岩体的强度和变形特性与不同联合波动角度和非穿透裂隙岩体的mesoexpansion机制(9];杨等人准备noncoplanar样品和用石头般的nonthrough裂隙岩体材料,研究了力的传递规律的连锁noncoplanar nonthrough裂隙岩体,并分析了剪切力学行为的机制从介观的角度来看10];杨等人准备完整岩石标本,岩石与单一关节标本,用双关节和岩石标本,对每种类型的标本进行了单轴压缩试验研究嵌入式nonthrough关节的影响岩体的力学性能10- - - - - -16]。上述研究主要集中在岩体的力学性能和破坏机理,含有预制、可控,和少量的nonthrough关节,有限的人类干扰的影响,和大多数的研究集中在观察表面岩体进行一定分析。随着技术的发展,一些学者获得超细信息,如联合,共同发生,煤岩体的内部图像通过CT扫描和研究煤岩的身体内精细结构的影响在他们的机械性能与数值分析相结合的方法。歌等人结合电镜扫描技术和RFPA3D进行罚款视图测试联合扩展重晶石包含一个毛孔,和结果表明,非均质联合扩展特性有很大的影响在岩石样本17- - - - - -19];Asadizadeh等人研究了影响原始联合结构的煤和岩石的宏观节理特征基于CT扫描技术,获得了不同的三维分形维度的内部损伤断裂面的煤和岩石标本在不同围压下(20.];歌等人研究了不同接头参数对岩石强度的影响3 dec数值模拟软件,分析了岩石强度的敏感性每个参数(21]。总之,在当前研究过程,研究接头的力学性能和破坏模式在煤岩体主要采用物理方法和数值模拟模型的建立包含少量的煤的身体,预制,并通过关节,研究煤体的损伤机制进行单轴和三轴压缩试验。尽管上述方法可以模拟身体的不均匀性,结节状构造煤的身体模型没有许多研究的形态和分布特征的不规则结构关节煤炭的身体。因此,本文主要取得煤炭身体的关节内部微观结构基于CT扫描技术,使用数学方法来处理和分析提取的内部关节,并结合Avizo软件和PFC3D实现煤炭身体关节的三维重建。煤的影响身体关节等煤的力学行为体抗压强度和变形法研究了深度,它提供了一种方法来进一步了解煤岩关节结构的影响机制。

2。空间分布模式的煤的身体关节

2.1。样品制备和CT扫描实验

实验中使用的煤样从测试从Hongqinghe煤矿,采样103工作面。大部分煤身体大量选择抽样,和圆柱形标本100毫米高度和直径50毫米和50毫米的高度和直径50毫米是通过钻探和研磨,如图1。

为了获得复杂的关节结构和相关信息在煤炭、CT检测技术是用于获得煤的内部结构信息包含关节,有机质、矿物质(杂质),而不破坏原结构煤体内。x射线三维显微镜nanovoxel - 4000系统天津三一重工科技公司用于扫描测试(图2)。的主要参数扫描电压150 kV,目前150人μ曝光时间0.8秒,放大倍数4.6,空间分离率0.127毫米,和帧数1400/360°。共有201个16位灰度图像获得的850×850像素的CT扫描整个标准煤的样本。

2.2。煤炭骨折的精细三维结构

后CT扫描获得的数字图像处理是一个高密度的形象,根据密度和样品结构划分级别,白色是高密度区域,代表煤中的矿物质,黑色是低密度区域,代表了在煤岩裂缝,和灰色是煤炭矩阵。同时,为了减少误差,提高加工的精度和效率的内部结节煤岩体,标准的100毫米×50 mm的CT扫描图像分为两个50 mm×50 mm圆柱形标本,分别加工和提取和呈现的Avizo图像处理软件建立煤炭的身体和获取的三维数据集的总体布局在煤岩体断裂和矿物结构,以便更直观地理解标本的内部信息和全面23,24]。如图3,煤的岩石标本,3 d扫描标本的渲染,以及内部断裂矿物标本的地图所示,分别。内部断裂矿物标本的地图深造获得其特定的断裂和裂缝空间分布特征的信息。

的内部关节煤体内的数字图像处理Avizo软件提取,根据各个关节的面积。如图4联合结构的上下部分煤样品1,2,3,4和5所示,分别。根据图片,可以清楚地看到,煤体内含有大量的关节内部结构,以及复杂的关节位置之间的关系。

从联合CT扫描后煤体内结构和分布,可以看出,关节的大小各不相同,基本上nonthrough关节,联合开发的程度不同煤样从一个到另一个地方。从(a)和(b)的部分煤炭样本1,可以看出,关节的分布密度样品的两端和中间稀疏的,和关节的大小从上到下逐渐变大,有明确的层次结构,主要是平行关节。从煤样例2中,关节聚集在上部的样本并包含semithrough断裂带,而下部的关节是小而分散的关节。关节在煤样例3的分布更分散均匀,只有少数关节中存在更大的规模上、下结束,和中产煤样品4整体关节之间的尺寸差异不大,但关节更复杂和联锁,还有关节互相垂直约为90°的样本。煤炭样品5关节集中在下部的样本,中间的关节之间的大小差异是非常不同的,角是一个变量。

为了提高效率和分析煤炭样品的形态特征的内部关节更准确和具体,关节排序根据他们的地区,软弱的关节面积小于1毫米²被排除在外,更具代表性的关节选择统计分析(25,26]。

从统计结果可以看出,内关节的角度和大小不同的煤样在分布差异很大,进一步证明关节非均匀分布的特点,在煤炭样本。为了深度分析的几何特征关节,关节的数目下降每个区间范围内按顺序数在1毫米和5°间隔根据长度和角度大小的关节,和关节的数目的比例在每个区间的总数计算有效的关节。如图5煤炭样品1,关节的最大角是84.27°和关节的最大长度是31毫米,而最多的关节角的范围和大小在5°-10°,1 - 2毫米,关节占43.51%和30.08%的有效,分别。煤炭样本5中的最大关节角为84°,最大尺寸是64毫米。频率最高的关节角的范围和大小也分布在5°-10°,1 - 2毫米,占有效联合比例的26.79%和54.37%,分别。结合个人统计图在图5,可以得出结论,频率最高的关节角和大小的五个煤样品是相同的,都是5°-10°和1 - 2毫米;因此,可以看出,关节角和大小中占主要比例的煤炭样本提取来自同一煤层是一致的;然而,最大尺寸和最大节点的角度在不同煤样品是不同的,有很大的不同。之间的主要因素导致的变化强度煤样品然后造成较大的结节大小和角度。通过比较,可以发现关节在不同煤样的数量是非常不同的,所以上的关节数目的影响煤样的强度也是一个关键因素研究。骨折的CT扫描图像的分布格局在不同煤样图4和联合特征参数的统计结果如图5显示关节的特点在不同的煤样差别很大,主要在几个方面,如关节角,接头尺寸,联合分布模式,联合数量。因此,进一步研究特定节点特征参数对煤样的力学性能是必要的。同时,它可以预测,内部的裂缝网络Hongqinghe矿井煤炭样本显然是发达,相交,且复杂的,除了主要骨折越明显,它是伴随着许多小骨折,骨折与主相交,形成一个错综复杂的网状的断裂结构空间。

3所示。三维重建的煤炭身体关节骨折Nonthrough数值模型的基础上

为了进一步研究联合结构的影响煤样的力学性能和变形模式,联合特征参数和内部联合结构基于CT扫描获得的数字图像处理技术相结合的数学处理方法,和煤样三维模型考虑到煤炭样品的断裂结构建立了通过使用PFC3D离散单元的软件。同时,为了定量分析的几何特征联合煤炭样品内部结构和空间分布特征在煤样例中,主要的特征参数如关节的长度、关节的面积和角度提取使用Avizo软件中的标签分析模块做具体分析。

大量的统计数据显示,关节的几何特征参数服从一定的分布规律。本文基于联合结构现有的煤样内部自然,有效的关节(关节面积小于或等于1毫米²)分成十组根据关节区域的排名,和小于1毫米²11组,每组关节内的几何特征参数加权是基于这个基本的基础上获得加权关节角度和大小(表1)。计算过程如下: 在哪里是加权平均角,α_我的角度吗我th联合,年代_我的面积是我联合。 在哪里加权平均直径,的直径吗我th联合,年代_我的面积是我联合。 在哪里是节点表面密度,年代_我的面积是第i个关节,然后呢是关节的体积。

联合煤炭样品的几何特征参数通过使用方程(1)- (3)。以煤样例4为例,表的结果2通过计算,非均匀分布DFN网(如图6)模型建立了基于PFC3D DFN模块,可以更精确地描述煤的非齐次特征岩石。

为了更好地重建三维煤样品在PFC3D模型中,一个平坦的联合模型数值模拟,而试错方法用于校准模型的微观参数基于文献综述和先前的经验,和微观参数的数值模型不断调整与室内实验结合控制变量的方法。模型的精细参数主要包括粒子微尺度参数和接触模型的精细参数,和表3校准后显示的具体参数。

基于共同的完成结构重建和基地的选择参数校正,本文3 d建模的具体过程如下。

尺寸的圆柱形标准煤样高度100毫米和50毫米直径在PDC3D创建,最小粒子半径设置为0.26毫米,最小粒度比设置为1.5,和随机种子被设置为10001,总共产生14698粒子和39549联系人;初始模型如图7。(1)从3 d重建获得了DFN断裂结构导入标准的煤炭样本数值模型,和PFC3D模型重建的煤炭样本获得如图8。(2)为了验证模型的可靠性,重建PFC3D模型,煤样进行单轴压缩试验,为了提高数值计算的稳定性,加载速率设置为0.001厘米/每循环的步骤。单轴加载执行获得煤样例4的应力-应变曲线。从数值实验获得的应力-应变曲线相比,从物理实验获得,并发现两人的协议。如图9,σ_c从数值模拟获得= 8.66 MPa,只有0.11 MPa不同,获得的实验。

4所示。研究力学性能和微裂缝演化的煤炭质量

为了进一步研究煤炭样品的力学性能和扩大法律nonthrough关节的损伤过程,本文进行单轴压缩试验和相关数值模拟研究标准煤炭领域所取得的样品。CT扫描后的五煤炭样本计算和编号根据其内部联合区域从最小到最大:1,2,3,4,5。单轴压缩实验进行一个WAW31000微机控制电液伺服试验机在山东科技大学,如图10。

4.1。影响内部联合煤炭样品的力学性能特点

根据实验结果,得到了不同试样的单轴抗压强度如图11,可以看出煤炭样本显示了一个单调的整体抗压强度下降趋势的增加联合区域。煤样例2和煤炭样本4没有抗压强度下降较煤样品由于增加的联合区域。结合煤的内部关节的主要特征参数样本表3为进一步分析,通过比较煤炭样本1和煤炭样本2的数据表中,关节的总面积是大煤炭煤炭样本示例2比1,有效关节区(有效的关节:面积大于或等于1毫米²)是更大的煤炭样本1比煤样品2,和尺寸范围并没有太大的区别;相对而言,主要的控制因素,导致煤炭样本2的抗压强度大于煤样品1是有效的关节区域。煤样的有效联合区域3和煤样例4是相似的,而不同的是只有17.42厘米²,而他们之间的差异最大尺寸达到2.18厘米,所以主要的控制因素,使煤样例4的抗压强度大于煤样品3尺寸范围,特别是最大联合大小的影响。煤样的有效联合区域5 5中是最大的煤炭样本,418厘米²,接头尺寸范围从0.077厘米到6.40厘米,和煤的单轴抗压强度样本5是最低的,6.56 MPa。因为5煤样品收集来自同一煤层,煤的内部关节的大小范围的样品基本上是相同的,在4.63 - -84.27°。

五个煤样的应力-应变曲线是通过处理实验数据,如图12,这是类似于岩石的单轴压缩应力-应变曲线,有五个阶段:compression-density,弹性,裂纹扩张,损害,postpeak。并结合表3和图11,可以看出联合面积的增加,煤样的弹塑性特征越来越明显,应力-应变曲线显示不同程度的波动和多个峰值附近的峰值强度煤样品。尤其是煤炭样本3和煤炭样本5,由于大尺寸的内部关节,使室内形成更加独立的小块,和小块的破坏发生前后几次煤样达到峰值强度,提高延性和强度的煤样。

通过以上分析,当内部关节煤炭样品的有效面积是相似的,大小的关节是主要的控制因素。当内部关节煤炭样品的大小相似,关节的有效面积是主要的控制因素,从中可以得出结论,有效面积越大内部关节的煤样品和关节的大小越大,煤样品的抗压强度越小。同时,关节的大小和面积的增加会增加煤炭样品的延性和multipeak现象在某种程度上。

4.2。联合进化的特征在三维重建的破裂煤炭样本

煤样的内部关节骨折主要包括中小学关节。为了进一步研究煤样的共同扩展演化过程,提出了一种联合生成和开发过程的具体分析内部关节的煤样的基础上3 d重建煤炭样本。所构造的三维重建模型进行单轴压缩,关节分别提取通过使用内置程序PFC3D记录整个过程的二次关节,关节的关键是提取结合应力-应变曲线的分析,和关节的数目统计研究关节特征定量描述的外延发展煤试样断裂过程,如图13单轴压缩实验的数值模拟。

图14显示的数量的统计曲线内部关节在煤样单轴压缩破坏4,这是进一步分析结合煤的应力-应变曲线示例4(图(15日))。阶段我:电脑耗材部分的数据14和(15日)属于microjoint压实阶段。结合图15 (b),可以看出煤样中的microjoints逐渐压实压力下,上半年生产和无二次关节Oa的部分在图14。少量的microjoints生产结束时周围的煤样和一些大型关节在稍后阶段。第二阶段:ab部分数据14和(15日)属于弹性变形阶段,煤样中的主关节进一步封闭和压实,毛孔被压缩,在这段时间的生产辅助关节内岩体开始表现出非线性趋势,ab曲线在图14略凹向上,继发性关节的数量显著增加。关节在图的分布范围15 (c)也逐渐扩大,大型的主要关节,周边地区。煤样的应力-应变曲线为直线。第三阶段:ab部分数据14和(15日)属于最初的扩张阶段,煤样的变形主要是塑性变形。关节的数量的累积曲线陡峭,和二次关节的速度一代更加快,如图14。的变形机制与继发性关节和扩大范围的增加,部分本地semithrough骨折区开始形成,如图15 (d),应力-应变曲线开始从直线曲线和略向下凹,所以这个变形阶段可以被视为从弹性变形到破坏。第四阶段:在数据部分cd14和(15日)属于破坏阶段,通过关节的程度煤样本进一步加深。压力浓度由于损伤导致关节扩大和发展,和局部损伤和变形发生在一些地区。应力再分配导致一个大关节在很短的时间内,积累和关节的数量的累积曲线趋向于80°(例如,图14)。变形迅速增长的应力,应力达到最大值在点,如图15 (d)。第四阶段:部分数据14和(15日)属于postpeak阶段,承载力几乎失去了由于宏观大变形造成的煤样渗透率的关节,和内部关节煤炭样本的数量仍将大幅增加在这个时候即使外力保持不变。

总之,源于煤变形和破坏机制的生成和积累效应内部关节在煤体内,和关节有重大影响的存在在二级联合发电和煤炭的破裂过程身体负荷的作用下。microjoint生成和发展主要集中在更大的规模和相对集中区域主要关节。与外部负载的增加,断裂引起的应力集中效应是显著的,和microjoint逐渐积累形成一个联合区,这使得一些薄弱部分破坏,重新分配压力,进一步导致新的关节出现。由于联合分布区域的扩张,共同生成的速率逐渐增加,和积累量的联合显示了指数变化趋势,进而导致煤的宏观位移和变形的身体,使煤的体积膨胀加速,身体和变形将迅速增加压力,使身体产生各种级式煤的应力-应变变化。在破裂过程中关节数量的累积曲线显示的一般变化规律”基本constant-slow growth-exponential激增,“可量化和描述整个相变过程煤炭身体和对应于应力-应变演化的各个阶段的特点。同时,结合实验结果五个煤样在物理实验中,它可以强烈的存在证明了关节的主要因素是导致煤的不同的物理特性和变形和损伤。和煤炭身体的承载力逐渐降低内部发展和扩张的主要和次要关节。变形的开始阶段,煤的身体来源于内部关节的关闭和压缩。内部关节的重叠和扩张使煤的身体伤害和失去承载力。因此,为了研究煤的物理性质的影响,有必要进行深入研究煤的内部关节的身体。 Various complex joints (fissures), laminae, and other weak structural surfaces are very likely to lead to stress concentration and expansion of weak structural surfaces in the tunnel surroundings, and eventually destabilization and damage.

5。结论

(1)基于CT扫描技术获取大量nonthrough关节在煤岩体内,扫描结果由Avizo处理软件和有效地量化的数学统计方法。结果表明,关节在不同煤样本之间的特征差异非常显著,主要在几个方面,如关节角,大小关节,关节分布模式,和关节密度。关节的特征参数在同一煤样显示不均匀分布、累积效应的大小、角度,关节的分布。(2)通过扫描煤样进行单轴压缩实验,不同煤的应力-应变曲线和强度变化趋势得到样品,并结合煤的内部联合特征参数表样本,得出有效联合面积越大,煤样品内接头尺寸越大,煤样品抗压强度越小;同时,接头尺寸和面积的增加增加煤炭样品的延性和multipeak现象在某种程度上。(3)煤炭样本中重建三维扫描的结果,然后,单轴压缩实验进行监视和计数的扩张过程的内部联合开发煤炭样本。宏观变形过程中煤炭样本,主要关节明显影响二级联合扩张,煤样的变形机制是增加和通过内部关节;同时,每个阶段的变化的统计曲线的关节数目和阶段适应煤炭样品的应力-应变曲线。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究是由中国国家自然科学基金资助(52074166和52074166),中国博士后科学基金会(2020 t130385),国家自然科学基金委山东省(ZR2021YQ38)和山东省泰山学者的攀登项目(TSPD20210313)。