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三轴周期荷载作用下煤的疲劳破坏及分形特征研究

发布时间:2020-05-12 02:06
【摘要】:煤矿井工开采中的各类工程煤体在类似周期载荷的采动应力作用下必然会产生疲劳损伤并不断累积,最终发生疲劳破坏。开展煤样单轴、三轴周期载荷疲劳试验,深入研究其疲劳损伤破坏机理,对科学评价工程煤体稳定性,防止矿井动力灾害事故发生具有重要指导意义。(1)研究了杨村煤矿16 煤的疲劳强度及变形特征。煤样发生疲劳破坏时的轴向变形离散性较小,并略小于常规压缩试验中峰后控制点对应的轴向应变。(2)分析了常规压缩和周期荷载试验中煤样破坏形态的差异及机理。常规压缩试验有利于尺度较大的裂纹发育,且裂纹发展迅速,煤样破碎程度低;而周期荷载试验时间长,有利于产生小裂纹,煤样较为破碎。(3)研究了周期荷载作用下煤样耗散能演化特征及影响因素。当周期荷载下限应力水平不变时,随上限应力水平的提高,煤样的平均耗散能增大;在相同类型的试验中,随围压的提高,煤样的耗散能增大;煤样的耗散能与周期荷载应力水平呈指数函数关系。(4)针对煤样初始阶段压密明显的特点,采用应变法提出了一种考虑零循环损伤的损伤变量表达式,与其它应变法定义的损伤计算公式相比,该公式能很好的描述煤样在周期荷载作用下的零循环损伤。(5)采用PFC数值模拟软件研究了煤样在周期荷载作用下的声发射特征。揭示了声发射活动在破坏应力水平时的初始、相对平静和活跃三阶段演化规律;提出了声发射比率的概念,声发射比率的演化特征能较好地反映煤样疲劳破坏的不同阶段。(6)研究了常规压缩和周期荷载试验中煤样的宏观和细观分形特征。煤样在常规压缩破坏时表面裂纹的分形维数小于周期荷载试验;随围压的提高,煤样块度—数量分形维数和块度—质量分形维数有降低的趋势;尺度范围越接近,煤样破坏断口的细观形貌分形维数差距越小。
【图文】:

煤样,图片


其次剔除表面有明显裂隙及节理的煤样,最后剔除尺寸及平整度不符合要求的逡逑煤样。在煤样选取完成后,将其放置在干燥的室内,待自然干燥后进行编号,逡逑并用保鲜膜将试样包裹起来防止风化。部分煤样如图2.1所示。逡逑iltif逡逑图2.1部分煤样图片逡逑Fig.2.1邋Photo邋of邋some邋coal邋samples逡逑2.1.2实验方法逡逑(1)实验设备逡逑煤样常规压缩试验及周期荷载疲劳试验均在中国矿业大学深部岩土力学与逡逑地下工程国家重点实验室的MTS815.02电液伺服岩石力学试验系统上进行,逡逑MTS815.02岩石力学试验系统如图2.2所示,MTS试验机的主体部分如图2.3逡逑所示。MTS815.02电液伺服岩石力学试验系统有以下特点:(1)全程计算机控逡逑制,可实现自动数据采集和处理;(2)配备三套独立的伺服系统能够分别控制逡逑轴压、围压和孔隙(渗透)压力;(3)实心钢架只储存很小的弹性能从而实现逡逑刚性压力试验;(4)伺服阀反应敏捷,试验精度高;(5)与煤样直接接触的引逡逑仲仪(美国MTS公司专利产品)可在高温高压环境中正常工作,,从而实现对岩逡逑石在高温及高压条件下的应力应变进行精确测量;(6)可以选择任意加载波形逡逑16逡逑

主体部分,试验机,加载速率


及加载速率进行试验。逡逑PfjM逡逑图2.2逦MTS815.02岩石力学试验系统逡逑Fig.2.2邋The邋MTS815.02邋rock邋mechanics邋test邋system逡逑ixiBgl逡逑图2.3邋MTS815.02试验机主体部分逡逑Fig.2.3邋Main邋body邋of邋IMTS815.02邋test邋machine逡逑(2)常规压缩试验设计逡逑大量的研究已经表明:加载速率对岩石的强度特征有较大影响,即岩石强逡逑度具有很强的率敏感性。在常规压缩试验中,岩石的峰值强度会随着加载速率逡逑的提高而增大|143],但峰值强度对应的轴向应变却有减小的趋势|1441。许江等|145]、逡逑尹小涛等学者的研究表明:当加载速韦足够小时,加载速韦对岩石强度的影逡逑响可忽略,此时的加载也称为静态加载。一般的,应变速率小于lO's属于低应逡逑变速率;104/s?102/s属于中等应变速率,其中104?l(T2/s属于准静态,HT2?逡逑102/s属于准动态;>102/s属于高应变速率,即动态加载。在静态加载力学试验逡逑中
【学位授予单位】:山东科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TD79

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本文编号:2659450

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