文摘

本研究旨在调查煤高度的影响比对rock-coal-rock结合样品的力学性能和破坏行为(RCRCS)耦合的静态和动态负载。为了这个目的,一个动态单轴循环加载试验进行了四种不同的RCRCS煤高比率。机械性能、失效模式和波速RCRCS演变进行了分析;岩爆的过程耦合的静态和动态负载下rock-coal-rock组合结构进行了讨论。取得了以下研究成果。(1)RCRCS静态和动态负荷的峰值强度随高度增加煤炭比例作为逆函数成比例。(2)加载和卸载模量相同水平的动态负载保持一致;煤炭高比率的40%可能是限制对模量的稳定值。(3)RCRCS导致煤炭高度的增加逐渐增加的能量释放率;裂缝在煤炭开发优先,然后扩展到岩石样本。 The distribution of AE events and damage is consistent with the distribution of passive wave velocity. The research results provide important scientific bases for the guidance of early warning of rock burst.

1。介绍

岩爆是一个动态的灾难在采矿工程的一次突然和猛烈的累积释放弹性能量在煤和岩石,矿山安全构成重大风险(1- - - - - -3]。煤矿的数量与岩爆灾害在中国已经从32到1985年的超过253 2019 (4]。在摇滚在中国爆发,一些观察的典型特征:(1)事故大多发生在呼吸或推进工作面5,6]。(2)煤的尸体被分解成粉,冲了几米,伴随着广泛的覆岩的崩溃;疲软的地板突然冲上升,导致整个巷道部分立即被关闭(7]。(3)事故大多是由采矿扰动引起的高静态应力控制,复杂的地质环境,和动态应力引起的断层滑动,坚硬顶板断裂,快感屋顶爆破(8,9]。观测表明,在煤炭围岩卸压的夹紧效果随着开采深度的增加身体变得越来越重要。岩爆不是由单一岩层或煤层但roof-coal-floor组合系统的结构性破坏。因此,探讨具有重要意义的互动机制静态载荷和动态扰动过程中岩爆(10- - - - - -12]。

近年来,某些研究人员已经进行了有价值的实验室实验调查结合煤岩样品的机械行为。Petukhov和Linkov13]首先讨论postpeak失败双体结合样本的属性组成的岩石和煤。赵et al。14)进行单轴压缩试验,研究了峰值抗压强度的影响在AE特征和P-velocity。左et al。15]调查rock-coal-rock结合身体的变形和破坏行为包含一个弱煤夹层的单轴和三轴测试。陈等人。16]分析了组合煤岩样品的内部裂纹的演化基于x射线计算机断层扫描观察。赵et al。17]建立了等效均匀模型,结合煤岩样品和获得的强度行为不同的岩石介质和结构面组成的组合模型。

进一步深入的研究中,研究人员逐渐意识到动态扰动函数作为众多因素中不可忽视的外部条件诱导下岩石破裂深部开采(18,19]。Zhang et al。20.]研究了能量耗散特点,纯多层频率循环荷载作用下煤样。龚et al。21]探索高加载速率的影响组合煤岩的力学性能。胡锦涛et al。(22)复制循环disturbance-induced岩爆在实验室使用一个真正的三轴测试系统。

然而,现有的研究成果主要集中在煤岩的力学行为结合样本纯静载荷下,虽然数量有限的研究已发表在RCRCS的变形特性和破坏行为耦合的静态和动态负载。在这项研究中,一个实验RCRCS不同煤高度比例下耦合进行了静态和动态加载。煤高度比例对力学性能的影响,故障模式,波速RCRCS的演变主要是研究在这个研究。此外,岩爆的过程讨论了耦合的静态和动态负载下,它提供了重要的参考依据现场岩爆预警。

2。方法

2.1。样品制备

煤炭样本收集用于实验的3 - 3 #煤层玉田在煤矿位于新疆维吾尔自治区,中国;粉砂岩样品的直接顶3 - 3 #煤层。据中国煤炭开采行业的国家标准,煤层和粉砂岩层有极强的破裂趋势如表所示1。众多研究表明,煤高比率的力学性能有很大的控制效果RCRCS [23]。反映了屋顶的夹紧效果样品煤样品,四套样品与不同煤高度准备实验。每组有不同的煤高度如图1:集团”“煤高度比例20%,集团“B”煤高度比例30%,集团“C”煤高度比例30%,和组“D”煤高度比例50%。层粉砂岩样品的高度总是25毫米,而屋顶沙泥岩样品的高度改变了煤的高度。

根据ISRM标准要求(24),合并后的样本直径50毫米和100毫米的高度。的每一部分RCRCS保税了强力胶;物理性质和初始波速RCRCS被列在表中2。

2.2。测试设备和测量系统

测试在进行煤炭资源与安全开采国家重点实验室中国矿业大学和技术。测试系统分为加载系统,声发射监测系统和高速摄像系统(图2)。370.50在美国MTS公司产生的疲劳试验机是用来执行多级循环动态负载,最大负荷500 kN。加载系统可以实现恒幅,可变振幅和波形加载块。PAC公司生产的PCI-II监测系统应用于捕获测试期间的AE信号的特性。八R15-a传感器表面的排列组合来衡量样本通过热熔胶获得AE事件的空间分布。系统的采样率是2 MHz和前置放大器的增益设置为40 dB。峰值时间(PDT)定义的值,定义时间(热变形),点击锁定时间(停止)被选为50μ200年代,μ300年代,μ年代,分别。GX-3高速摄像系统由南汽公司在日本被用来捕获的变形和破坏特征,结合样品在整个测试中,可以拍摄2000帧每秒,显示的分辨率 像素。

2.3。测试计划

的主要波形信号的频带典型岩爆玉田在煤矿事故进行了分析。在此基础上,应用循环动载荷的频率确定5赫兹结合疲劳力学性能的测试。相关研究结果表明,动态加载的应变率在煤矿通常是10的范围内³·年代¹~ 10¹·年代¹(25)和应变率的循环动态负载认为本文是关于10²·年代¹,满足上述要求。因此,测试结果可以更好地反映实际情况的岩爆由于外部动态负载扰动。

stress-controlled是用于测试和加载路径分为四个阶段,如图3,(我)静态荷载阶段:负载达到10 kN 300 N / s的速度从初始状态;(2)荷载阶段:10的静态负载保持不变;(3)循环动态荷载阶段:油源驱动压头应用正弦动态负载样品;(IV)持有荷载阶段:静载荷不变10年代。动态加载频率5赫兹;上部和下部的负载限制在每个循环10 kN动态加载阶段,在100次重复。之后,在I-II-III-IV的顺序重复这个过程,直到合并后的样本是不可逆的损坏;测试结束了。

3所示。结果

3.1。Strain-Stress曲线

材料力学中最重要的本构关系,strain-stress曲线能反映材料的变形行为在一个给定的应力状态。图4说明了strain-stress RCRCS曲线不同的煤在耦合的静态和动态负载下高比率。为了便于分析,纯煤和粉砂岩的应力行为示例静态负荷下进行比较。此外,达到峰值强度完全丧失承载能力,RCRCS和纯煤样品进行一个明显的屈服阶段,逐渐失败。然而,脆性较高的粉砂岩样品有一个更快的骨折率和更暴力的减压过程。煤高度比一个关键影响RCRCS的力学性能和失效行为,将详细分析。

的峰值强度RCRCS不同煤高度耦合的静态和动态负载下如图5。一般规则而言,RCRCS的峰值应力耦合的静态和动态负载下逐渐减少煤高度的增加,和高于煤样品,低于沙泥岩样品,这是与以前学者得到的结论一致。煤高度之间的关系和RCRCS的峰值应力可以被描述为逆比例函数方程所示(1)。 在哪里和峰值强度和煤炭RCRCS高度耦合的静态和动态负载下,分别。

根据RCRCS的峰值强度, 曲线分为三个阶段。在舞台上我(煤高度比值仅沙泥岩进行了测试和20%),峰值强度从77.0 MPa急剧减少到23.45 MPa。在第二阶段(煤高度比例在20%到50%之间),峰值强度从23.45 MPa经历轻微下降到19.54 MPa。在第三阶段(煤高度比例在50%到100%之间),峰值强度从19.54 MPa减少到14.59 MPa,它可以被定义为一个近似稳定趋势。那里,似乎20%和50%的关键煤高度有关键影响的峰值强度RCRCS。

静态负载应用于组合样品的顶部,而循环动态负载应用于底部。无论静态或动态负载,一旦外部负载达到饱和煤样的轴承极限强度时,整个RCRCS将失去稳定。它可以发现,峰值强度耦合的静态和动态负载下接近纯煤样品。因此,可以认为的承载力RCRCS接近煤炭样本。

3.2。弹性模量的动态负载循环

研究表明,不同的加载路径影响裂隙的连接和合并的过程。此外,微观参数的演化趋势,可以根据不同的宏观特征参数,如弹性模量和泊松比26]。弹性模量的煤和岩石反映他们抵抗变形的能力在压力条件下,可以确定一个静态负荷在三种不同的方式27,28]。一般来说,材料颗粒之间的胶结程度增加而增加压力。然而,进化定律的弹性模量RCRCS循环动态载荷作用下仍不清楚。摘要加载弹性模量和卸载弹性模量在每个磁滞回线测试,这也符合ISRM的建议;这两个模可以显示RCRCS动态载荷的影响。

利用方程(计算了切向弹性模2)和方程(3), , ,和一开始、中间和结束的压力每个strain-stress循环(磁滞回线),分别。如图6, , ,和一开始、中间和结束每个磁滞回线的菌株,分别。的进化法则切线弹性模周期的数量在每个动态应力水平呈现在图7。

如图7(一),煤高度比例是20%。压实阶段的应力相对较低,和内部的微裂隙RCRCS基本上都是封闭的。因此,切向弹性模量在第一循环动态负载水平本质上并没有改变和维持一个相对稳定的值。平均加载模值为3.01的绩点,而平均卸载模量的值是3.02绩点在水平。两人都是煤炭样品(2.08 GPa)和粉砂岩(12.20 GPa)接近煤炭的样本。发现一个稍微增加的趋势和在第二个动态负载水平引起的压实效果。不断强化载荷的循环次数,微裂缝表面的闭塞和重建的时间大大减少,而抑制微裂缝表面的连接和合并。平均加载模值为3.96的绩点,而平均卸载模量的值是4.08绩点在第二动态负载级别。在第三个循环动态负载水平,和均显示大幅波动。平均加载模值为4.71的绩点,和平均卸载模量的值是4.99绩点。总体而言,磁滞回线的弹性模量增加,循环动应力水平的增加,但增加的价值降低了。

1 (a1b2和1 a1-c2样本的失败发生在第四个循环动态荷载阶段;观察和波动趋势略有下降,造成的损害RCRCS由于交变载荷,即宏观参数的渐进破坏的代表。值得注意的是,在1 a1-d2示例,煤高度比例增加到50%。一个轻微的下降趋势和在一级和附近的一个显著的减少趋势可以找到失败的水平。随着煤高度比的比例增加,气孔,裂纹,和结合内不连续结构增加,进而导致RCRCS的抗变形性下降。因此,40%的煤高度比可能的极限稳定价值动态负载下的加载和卸载模量。更高的煤炭贡献合并后的样本,它开始开裂在高负载的情况下,和顺向周期的动态加载和模数值减少。

此外,Lei et al。29日)坚持认为,增加压力下限会使岩石困难,而压力下限接近零会使岩石软化。在这篇文章中,它也清楚地观察到卸载弹性模量的值明显低于low-constraint条件下加载模量。为RCRCS最终失败发生在动态加载水平,两个模数值基本上是完全关闭,表明内循环动态加载导致密集的微裂纹损伤样本和磁滞回线的切线模量降低,反映的渐进破坏特征RCRCS耦合下的静态和动态负载。

3.3。能量耗散

quasibrittle材料,RCRCS总是交换能量耦合的静态和动态载荷下的外部系统。岩爆的早期预警和深入了解岩石的疲劳特性,能量耗散损失评价具有重要意义。RCRCS的研究本文的一部分能量来自于热量通过传导、对流、辐射,另一部分来自于能量耗散材料本身的破坏。自RCRCS热能一般在耦合的静态和动态负载下保持不变,损害引起的能量耗散的趋势基本上是一样的总能量耗散。所以,总耗散能量可以由损伤引起的能量耗散。单个磁滞回线的能量耗散是由方程(4), , , ,和相对应的应力、应变数据吗和 分别滞后环。的单位J /米³代表之间的单位体积耗散能量连续两个数据点。累积耗散的能量密度由方程(5)方程(6),它代表了累积耗散能量的第一个周期周期。

图8显示了合并后的累积耗散能量密度和样品不同煤高度在每个循环动态荷载阶段。显然,累积耗散能量线性增长周期的数量在同一应力水平,而耗散能量的增长率保持不变。

耗散能量密度的增加率(曲线的斜率)逐渐增加而应力水平。1 a1-a1和1 a1-d2样本的最终失败都发生在静态荷载阶段,而1 (a1b2和1 a1-c2第四循环动态荷载阶段都不稳定。有一个明显的突然增加的累积耗散能量密度在决赛之前的最后一个循环衰竭,这表明RCRCS宏观不稳定性的发生在循环动态加载阶段明显不同于静态荷载阶段。在这种情况下,失败仍然是脆弱的,但积累的能量消耗,迅速而猛烈地释放。这也是高stress-dominated和循环动态负载的本质区别disturbance-dominated岩石破裂。

能量耗散率可以表示机械响应速度耦合下的RCRCS静态和动态负载。在本文中,我们定义一个新的能量耗散率指数为: 。图9情节累积能量耗散密度率之间的定量关系RCRCS煤不同高度的比率和循环动应力水平。积累的能量耗散密度率之间的关系和动态应力水平高的可以配备一个指数函数的一致性< 0.9719 ~ 1.00 >。此外,很明显,与动态应力水平的增加,累积能量耗散密度的增长速率增加。这表明在高应力水平下,循环动态负载加速增长的影响和渗透速度RCRCS的微裂隙和能量释放率也增加。合并后的结构更容易完成转换从一个稳定状态不稳定状态。此外,RCRCS煤高度比的增加,累积能量耗散密度增加,这表明RCRCS较弱的部分,煤体内主要参与静态和动态载荷的响应,并控制整体稳定性。

能量耗散的总量是指耗散能量计算从第一个周期最后一个周期到失败。之前的研究表明,能量耗散的总量是恒定的具体材料,如混凝土(30.];只有相关的应力路径和应力水平。然而,这个实验展示了另一种形式的能量耗散RCRCS。图10显示的总能量耗散对应不同周期的动态时报》是完全不同的,表明总耗散能量可能不是一个材料常数,但相关变量的总循环载荷的循环次数。

3.4。AE事件的空间分布和失效模式

AE源的位置已被广泛用于检测裂缝的起源和传播各种各样的材料,如混凝土(31日),岩(32),如磐石般坚韧的材料(33)、煤(34),和金属(35]。它可以实现连续的时空演化规律的可视化材料损失在整个加载过程。如图11(一)、AE事件能量(单位:aJ)可以分为七个等级。

反映的内部断裂传播和破坏发展RCRCS耦合的静态和动态负载下,顺序加载过程分解为“静态+负载”阶段和“动态+持有负载”阶段。失败的故障特征RCRCS下瞬时动态分析通过捕获的图像组合之前失败的高速摄像机。文章长度的限制,显示不同的煤高比率的影响合并后的样品的失效模式,最大(50%)和最小(20%)选择每组煤高比率进行分析。

第一组分析认为1 a1-a1示例”“煤高度的比率为20%。图12(一个)表明低能AE事件发起的煤的RCRCS在初始静态荷载阶段,这主要是由于关闭主裂缝和孔隙。低应力水平下的循环动态负载RCRCS微裂缝的没有明显的影响。随着应力水平的增加,AE事件从煤样与大型能源发展屋顶粉砂岩。在第二个“动态+负载”阶段,AE事件的增长是最明显的,特别是屋顶岩石样本的AE事件明显开始收集。在接下来的“静态+持有”阶段,裂隙煤体内的发展几乎是完整的,虽然仍只有少数低能AE事件层岩石样本。直到最后“动态+持有”加载阶段,AE事件层岩石样本的分布已经扩展到高端,和RCRCS结构接近临界不稳定。AE事件屋顶岩石样本分布在一个“锥”的形状,和母线的位置就是分裂的轮廓故障,这对应于在区域1 a1-a1如图12 (b)。根据故障过程中,煤样是第一个喷雾粒子,虽然没有明显的屋顶和地板沙泥岩样品变形。随后,煤炭样本表现出明显的横向体积膨胀;屋顶的一侧岩石样本出现纵向分裂失败。强烈的影响趋势发生伴随着煤炭粉末和大规模弹射暴力。

第二组分析认为1 a1-d2示例“D”煤高度的比例为50%。图(13日)表明,AE事件分布在屋顶,煤,和地板样品的初始负载压力,特别是在煤和岩石样本之间的界面上方和下方。初始应力水平下的循环动态负荷引起RCRCS产生一系列的低能AE能量,不同于集团“一个”;顶部和底部沙泥岩样品显著参与机械响应静态和动态加载。随后的循环动态负载导致裂隙煤体内继续发展,直到它到达near-destructive状态。这表明损伤演化RCRCS不是同质的开始;顶部和底部的岩石部分经验更多的破坏特征和更强的AE事件。图13 (b)文档的左边部分煤样爆发第一次失败(B区),然后屋顶沙泥岩样品显示完整的纵向分裂失败。

总之,RCRCS损伤演化的耦合的静态和动态负载下可以描述如下:(1)当煤高度比例很小,破坏第一启动煤炭样本,然后越来越多的裂缝出现在屋顶样本。最后,RCRCS完全稳定,直到宏观裂缝发展到顶部的屋顶沙泥岩样品。(2)当煤高度大,损失分布在屋顶,地板沙泥岩和煤样品。最后失败的特点是爆炸的煤样和粉砂岩样品的分离失败,这是符合上述复合故障的roof-coal-floor模式。

3.5。被动波速度的分布

被动速度层析成像是基于媒体的地震波速度等于射线路径的长度除以的结果的传播时间地震波从震源到接收器。近年来,被动速度层析成像已广泛用于预测岩爆风险领域(36,37]。在本部分中,波速度场反向基于内部波速获得从AE源的事件。一样的章AE事件的空间分布和失效模式,我们把1 a1-a1和1 a1-d2样本作为说明的例子。

根据被动速度层析成像理论,纵波速度的变化与压力的变化有关。因此,高速区在x线断层照片代表着高压力区。此外,波速传播也与岩石的物理力学性质和结构岩体的属性。

图(14日)表明高速区域主要集中在煤炭和屋顶中间的粉砂岩部分的初始应力水平1 a1-a1结合样本,但其浓度是有限的。后续循环动态载荷导致波速异常更为集中的一个地方,和集中的程度越来越高。由于丰富的裂缝生成在附近的RCRCS最终失败,组合结构的强度降低,进入屈服状态;高速的范围面积减少。

图14 (b)表明,高速区域主要集中在煤炭部分1 a1-d2结合示例,在低速区域分散在RCRCS。由于煤的身体高度高,它已成为主要参与破坏的主要区域,也是集中区域的高波速异常区域。弹性RCRCS的核心区域的能量存储区域,它提供了驱动力的影响在最后失败。波速分布是符合AE事件的空间分布和失效模式。

4所示。讨论

理论模型如图15建立上述实验室实验结果的基础上,深化的理解的影响机理,在耦合的静态和动态负载下煤岩的质量。

由于这项研究,可以显示的机理耦合的静态和动态应力下岩石破裂。图15情节roof-coal-floor系统在煤的能量转移过程耦合的静态和动态载荷作用下破裂。围岩的应力行为显示在左边;刚度和强度都高于煤炭。煤的应力行为显示在右边,和煤被认为是一种软化材料非线性行为。roof-coal-floor组合系统,如果压力在静载荷下的煤样,相应的应变会产生同步的围岩(屋顶和地板) ;之间的关系和可以表示为 在哪里围岩的刚度和吗煤的硬度。因此,总应变的roof-coal-floor系统可以写成

因此,煤的比例应变总应变可以写成

从方程(9),如果我们只考虑静载荷,这一过程从稳定到不稳定的煤可分为四个阶段:(1)AB阶段:两个和大于零;煤炭和围岩的弹性能量存储阶段(2)BD阶段:煤炭首先进入非弹性变形阶段。仍大于零,而逐渐减少到零在峰值点d .这时,煤开始将存储的弹性能量转化为塑性变形,围岩和仍在弹性能量存储阶段(3)DS阶段:煤的承载能力的身体逐渐失去,和变成了负值。roof-coal-floor组合系统在这个过程中,可能会经历一个不稳定的过程,当 , 。roof-coal-floor系统的压力瞬间迅速扩张,煤样的能量积累和围岩一起释放,这将引发整个失败,对应于岩爆的发生(4)SE阶段:煤的不稳定的身体逐渐减慢;roof-coal-floor系统达到下一个稳定的能量状态,这对应于平静时期发生后岩石的破裂

当roof-coal-floor系统受到外部静态和动态加载应力的叠加(和 ),可以相当于一个条件,围岩的刚度降低的来 。在这种情况下,有两种不同的情况:(1)扰动的动态压力:当循环动态加载应用在低应力水平下,更容易引起RCRCS内部微裂隙的扩展,伴随着小波动应力值和一系列的AE事件,但不会引起不稳定的影响。(2)Impact-derived动态应力:当附近的循环动态负载应用不稳定,压力更有可能发展1-2-4方向沿着一条路径,而不是1-3-D-4。额外的输入能源将更大,煤破坏过程将更加暴力。因此,相当于能量降低围岩的刚度会更显著。

5。结论

的力学性能和破坏行为机制在耦合的静态和动态负载下RCRCS strain-stress曲线的可行性进行了研究,装载和卸载模量、AE事件分布和失效模式和波速度场。与单煤或岩石的失败的法律材料,预测的失败rock-coal-rock更为复杂和困难。调查后,结果可以总结如下:(1)的峰值强度RCRCS强烈耦合的静态和动态载荷作用下煤高度的影响。煤高度与峰值强度曲线分为三个阶段,即强化下降阶段(0 ~ 20%),中度下降阶段(20 ~ 50%),和稳定阶段(50 ~ 100%)(2)装载和卸载模量基本上保持一致的同样的水平的动态负载,而有一个轻微的降低在高压力水平。煤高比率的40%可能的极限稳定系数值的价值。更高的煤炭贡献合并后的样本,它开始开裂在高负载的情况下,和顺向周期的动态加载和模数值减少。此外,装载和卸载模量与应力水平增加(3)当煤高度比例是20%,伤害提升者在煤样例中,然后越来越多的裂缝出现在屋顶样本。否则,它将表现为煤炭的综合伤害的弹射伤害身体和分裂的屋顶和地板的岩石。结果与被动波速的分布相一致(4)RCRCS测试下耦合物理模型的静态和动态应力岩爆机制解释了很好,这发生在地下开采

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

作者感谢金融支持中国的国家自然科学基金(批准号51874292和51874292)和江苏省研究生创新研究与实践项目(KYCX21_2342)。