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不同冲击气压下煤样动态剪切强度的长径比效应

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岩土工程学报 2024年第1期46卷 131-139页

作者：王磊陈礼鹏袁秋鹏焦振华刘怀谦安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室安徽淮南232001 中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083

采用Φ50mm分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统,开展了不同冲击气压下直径75mm,长径比分别为0.20,0.27,0.33,0.40和0.47的5组煤样的动态剪切试验,划分了煤动态剪应力时程曲线的阶段,探讨了冲击气压对煤样动态剪切强度的影响,分析了煤样... 详细信息

采用Φ50mm分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统,开展了不同冲击气压下直径75mm,长径比分别为0.20,0.27,0.33,0.40和0.47的5组煤样的动态剪切试验,划分了煤动态剪应力时程曲线的阶段,探讨了冲击气压对煤样动态剪切强度的影响,分析了煤样动态剪切强度和加载率的长径比效应,并建立了长径比效应理论模型。研究结果表明:①煤样动态剪应力时程曲线可分为应力初始上升、应力线性增长、应力缓慢上升和应力下降4个阶段;②煤样动态剪切强度与冲击气压呈正线性相关,但不同长径比下增加幅度存在差异,具体表现为:相同冲击气压增量下,煤样长径比越小,动态剪切强度的增加幅度越大;③煤样动态剪切强度和加载率均与长径比有关,在0.25,0.35 MPa较低冲击气压与0.45,0.55 MPa较高冲击气压下分别呈现出正、负长径比效应,并通过方差分析确定了长径比对其影响最小的冲击气压为0.376MPa;④建立了不同冲击气压下煤样动态剪切强度长径比效应理论模型,通过加载率效应推导出加载率长径比效应理论模型,并验证了模型的合理性和准确性。

关键词：煤长径比效应动态剪切强度加载率敏感性

煤张开型裂隙三维宏细观演化特征及扰动因素探究

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煤炭科学技术 2024年第5期52卷 71-83页

作者：王磊刘化强陈礼鹏刘怀谦李少波朱传奇范浩安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室安徽淮南232001

裂隙演化方式受控于诸如矿物特征及围压条件等内外环境,为探究含裂隙煤体裂隙宏细观演化特征及影响因素的围压效应,基于工业CT扫描系统及其搭载的三轴加载系统对含裂隙煤体开展三轴静载试验,以多角度联合表征,对原生裂隙、矿物及围压的... 详细信息

裂隙演化方式受控于诸如矿物特征及围压条件等内外环境,为探究含裂隙煤体裂隙宏细观演化特征及影响因素的围压效应,基于工业CT扫描系统及其搭载的三轴加载系统对含裂隙煤体开展三轴静载试验,以多角度联合表征,对原生裂隙、矿物及围压的内外条件相互作用机制做出合理解释。结果表明:①围压会改变煤体初始损伤显著区位置,使其随围压升高由裂隙尖端过渡至煤体上、下端,且微孔隙和大尺寸裂隙之间比微孔隙和微孔隙之间更易相互贯通,并产生新的宏观裂纹。②围压升高使得三维动态分形维数由缓慢增加、快速增加和平稳增加转变为平稳增加、快速增加和缓慢增加的发展阶段,可表征裂隙的时间演化规律。③含裂隙煤体在单轴或低围压下呈纵向拉伸破坏,高围压会使其破坏方式趋于剪切,并通过2种途径提升煤体强度。④起裂角理论值偏离试验值程度随围压增加而增加,与煤体由矿物分布引起的离散度数值关系一致。⑤根据裂隙的受力成分及矿物分布特征将裂隙扩展行为分为直驱、绕核和错核3种类型,该扩展行为受围压对裂隙的作用力成分影响,由相对纯粹拉应力、拉伸–剪切复合应力和相对纯粹剪应力作用的裂纹分别对应以上3种扩展行为,即对裂隙的扩展影响形式表现为以围压为主,矿物赋存形态为辅。

关键词：张开型裂隙 CT实时扫描孔隙分布分形维数矿物分布特征

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煤体张开型裂隙演化规律及失稳前兆试验

中国矿业大学学报 2024年第2期53卷 250-263页

作者：王磊刘化强李少波张宇刘怀谦陈礼鹏王安铖安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室安徽淮南232001 中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083

为探究不同裂隙分布特征参数煤体失稳前兆信息,基于MTS 816试验系统开展单轴加载试验,分析了煤体力学特征及裂隙演化规律,推导出起裂角精确表达式,建立了弯折裂纹力学模型.结果表明:随裂纹方位角减小,煤体劣化程度增加,但均低于完整试件... 详细信息

为探究不同裂隙分布特征参数煤体失稳前兆信息,基于MTS 816试验系统开展单轴加载试验,分析了煤体力学特征及裂隙演化规律,推导出起裂角精确表达式,建立了弯折裂纹力学模型.结果表明:随裂纹方位角减小,煤体劣化程度增加,但均低于完整试件,裂隙长度同试件强度呈负相关性;剪切互锁效应使含裂隙煤体应力-应变曲线表现为双驼峰形态,互锁强度同方位角呈负相关性,但与长度无明显关联;裂隙分布特征参数对初始应变场形成局部高应变区具有显著引领作用,方位角于0°~90°之间时,应变集中、弥散与裂隙扩展的空间演绎形式高度统一;定义了端部动态剪切因子(τ_(0))并求得其表达式,完善了Ⅱ型SIF(应力强度因子)并推导出精确起裂角表达式,得出起裂角同方位角呈负相关性;比较剪切互锁前后扰动系数ε(K_(Ⅱ)/K_(Ⅰ))可知,剪切互锁效应可通过抑制裂纹端部的翼状Ⅰ型扩展从而发生Ⅱ型破坏,且抑制效果与方位角呈负相关性;相较于表面应变监测,互锁强度变化特征可对煤体在不同裂隙分布特征参数下的骤然破坏提供更加积极的前兆信息.

关键词：非闭合裂纹 DIC监测剪切互锁强度端部动态剪切因子等效裂纹模型

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荷载作用下多裂隙煤体力学特性与起裂角研究

岩土力学 2024年第3期45卷 659-673页

作者：王磊商瑞豪刘怀谦陈礼鹏张宇王安铖张帅刘化强安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室安徽淮南232001 中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083

为研究静态加载条件下裂隙几何位置及相互作用机制对煤体力学行为的影响,采用数字图像相关方法作为全场观测手段,以原煤预制不同位置分布下的三裂隙试样为研究对象,利用MTS816岩石伺服试验机进行单轴压缩试验,并结合颗粒流程序研究了裂... 详细信息

为研究静态加载条件下裂隙几何位置及相互作用机制对煤体力学行为的影响,采用数字图像相关方法作为全场观测手段,以原煤预制不同位置分布下的三裂隙试样为研究对象,利用MTS816岩石伺服试验机进行单轴压缩试验,并结合颗粒流程序研究了裂隙不同位置分布状态下多裂隙煤体的力学特性、裂纹演化规律及破坏特征。与此同时,基于断裂力学理论讨论了T应力对煤体多裂隙尖端的影响形式及适用性。研究结果表明:当裂隙由平行共线分布向平行重叠分布过度时,煤样的宏观强度具有逐渐增强的现象;裂隙的分布形式会影响煤体的承压状态,当裂隙间距离较远时,应力场中应力薄弱区会独立存在,并随着压力增加逐渐扩展融合;而当裂隙趋于重叠分布时,应力集中区和薄弱区都会各自形成统一的受力整体,相互影响。多裂隙共线或偏置分布时,裂隙面以剪应力为主,拉应力为辅的驱动方式导致煤样发生拉剪复合破坏,而当多裂隙趋于重叠分布时,裂隙面上的剪应力转化为岩桥区拉应力,从而形成以拉应力为主导的方式驱动试样发生拉伸破坏。考虑T应力影响时,包含3个T应力分量(Tx,Ty和Txy)的起裂角理论预测值更适用于压剪应力状态下有限板多裂隙尖端裂纹扩展角度方面研究。

关键词：多裂隙煤体 DIC技术颗粒流模拟断裂力学力学特征扩展角度

三维尺度下岩桥倾角与矿物结构对煤体损伤破坏影响研究

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岩石力学与工程学报 2024年

作者：王磊商瑞豪朱传奇刘怀谦袁秋鹏李少波陈礼鹏安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室

为探究三维尺度下岩桥倾角与矿物结构对煤体损伤破坏的影响，以原煤预制不同岩桥倾角的双裂隙试样为研究对象开展单轴加载试验，借助CT扫描设备对其压缩破坏过程进行阶段性扫描，采用阈值分割、三维重构等图像处理技术以及数字体积相关... 详细信息

为探究三维尺度下岩桥倾角与矿物结构对煤体损伤破坏的影响，以原煤预制不同岩桥倾角的双裂隙试样为研究对象开展单轴加载试验，借助CT扫描设备对其压缩破坏过程进行阶段性扫描，采用阈值分割、三维重构等图像处理技术以及数字体积相关方法分析受载煤样内部裂隙动态演化规律及变形损伤特性，并结合PFC3D模拟程序探究试样加载全程不同阶段的内部应力分布特征。研究结果表明：随着岩桥倾角的增加，煤样宏观强度呈现出逐渐减小的趋势；煤样受预制裂隙的影响，X、Y、Z向位移场演化特征存在差异，X向位移场中的局部高位移区随着加载由岩桥区域向端部转移，Y向位移场加载全程中局部高位移区始终徘徊在岩桥区域及预制裂隙周围，Z向位移场在各加载阶段均呈现出明显的分层现象，位移量小且均匀；不同岩桥倾角下双裂隙煤样主要包括3种裂纹扩展类型及4种贯通模式，根据裂纹的扩展路径及破坏面上受力特征，得到0°和90°岩桥倾角煤样破坏模式为张拉破坏，30°和60°岩桥倾角煤样破坏模式为拉剪复合破坏；新生裂纹扩展与矿物赋存状态的关系主要包括包裹型扩展、绕砾型扩展以及穿砾型扩展三种形式，其中，穿砾型扩展出现次数最多，包裹型扩展最少；通过模拟实验得到，含双裂隙煤样各个方向的受力特征在峰值阶段存在差异，当切片位置由试样外部向试样内部延伸时，Y、Z向及总应力数值均呈现出逐渐增大的趋势，而X向应力数值则呈现出先减小后增加的现象。

关键词：岩石力学岩桥倾角矿物结构 CT扫描颗粒流模拟损伤破坏

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冲击载荷下含瓦斯煤力学特性与破坏特征

采矿与安全工程学报 2023年第6期40卷 1323-1334页

作者：王磊张帅刘怀谦陈礼鹏安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室安徽淮南232001 中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083

为探究不同初始瓦斯压力下煤体动力学特性和破坏特征,利用含瓦斯煤SHPB试验系统,开展不同瓦斯压力下煤体动态冲击试验,分析含瓦斯煤宏观力学参量随瓦斯压力的变化规律。此外,通过数字图像相关法(DIC)实时观测煤体动态破坏过程,并剖析瓦... 详细信息

为探究不同初始瓦斯压力下煤体动力学特性和破坏特征,利用含瓦斯煤SHPB试验系统,开展不同瓦斯压力下煤体动态冲击试验,分析含瓦斯煤宏观力学参量随瓦斯压力的变化规律。此外,通过数字图像相关法(DIC)实时观测煤体动态破坏过程,并剖析瓦斯气体对煤体破坏模式的影响。研究结果表明:含瓦斯煤动态冲击应力-应变曲线可分为3个阶段,且其峰值强度、峰值应变和动态弹性模量均随初始瓦斯压力增加呈劣化趋势;基于数字图像相关法,发现低瓦斯压力时,应变集中区首先在试样中部出现并沿轴向往两端扩展,逐渐演化为横向主应变集中带,随着初始瓦斯压力的增加,试样应变集中区呈多块区分布,多个应变集中区相互贯通,形成无规则演化趋势的主应变集中带;不同初始瓦斯压力下,煤体均先在中部出现横向层裂裂隙,随后萌生多条次生劈裂裂隙,但随着初始瓦斯压力的增加,次生裂隙数量快速增长,煤体破坏形式由横向层裂破坏转变为横向层裂、纵向劈裂共存的复合型破坏;基于游离态瓦斯和吸附态瓦斯,构建瓦斯压力下煤体裂隙尖端应力强度因子KI(p),并揭示煤层瓦斯压力对煤体力学特性劣化和破坏特征变化的内在机理。

关键词：含瓦斯煤冲击载荷动力学特性数字图像相关(DIC) 裂隙演化应力强度因子

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含瓦斯煤循环冲击动力学特性与裂隙扩展特征

岩石力学与工程学报 2023年第11期42卷 2628-2642页

作者：王磊王安铖陈礼鹏李少波刘怀谦安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室安徽淮南232001 中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083

为探究不同初始瓦斯压力下煤体循环冲击动力学特性及裂隙扩展规律,利用含瓦斯煤岩动静组合加载试验系统,对煤体开展不同初始瓦斯压力下循环冲击试验,获取含瓦斯煤在循环冲击载荷下的动态应力–应变曲线,分析循环冲击作用下煤体动力学参... 详细信息

为探究不同初始瓦斯压力下煤体循环冲击动力学特性及裂隙扩展规律,利用含瓦斯煤岩动静组合加载试验系统,对煤体开展不同初始瓦斯压力下循环冲击试验,获取含瓦斯煤在循环冲击载荷下的动态应力–应变曲线,分析循环冲击作用下煤体动力学参数与初始瓦斯压力的关系,并结合CT扫描技术对含瓦斯煤循环冲击前后裂隙扩展过程实现三维可视化与精细化定量表征。研究结果表明:(1)循环冲击载荷下含瓦斯煤动态应力–应变曲线基本相似,分为线弹性阶段、塑性阶段和卸载阶段3个阶段,冲击荷载下的煤体动力学参数随初始瓦斯压力增加均呈下降趋势,且初始瓦斯压力越大,瓦斯弱化侵蚀作用越强;(2)基于CT扫描提取的煤样破坏切片与重构的三维裂隙结果表明,冲击煤体中存在贯穿截面的环形平行裂纹和轴向劈裂贯通裂纹;通过含瓦斯煤二维、三维裂隙特征参数可以有效定量表征裂隙扩展过程,其表征参数均与初始瓦斯压力成正比;高瓦斯压力环境下煤体内部裂隙网络更加复杂,连通度更高,更易发生失稳破坏;(3)基于理论分析从瓦斯侵蚀作用和煤体内应力波传播角度揭示了煤体强度损伤劣化的原因,并结合瓦斯和动荷载对煤体产生的损伤效应,探讨了瓦斯作用下循环冲击煤体发生层裂破坏的原因。研究成果有助于丰富含瓦斯煤动力学理论,对矿井煤与瓦斯突出灾害的防治和预警具有一定的理论参考意义。

关键词：采矿工程含瓦斯煤循环冲击动力学特性 CT扫描裂隙扩展

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不同围压下含预制裂隙煤体裂隙演化特征研究

采矿与安全工程学报 2023年第4期40卷 786-797页

作者：王磊刘化强李少波陈礼鹏刘怀谦安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室安徽淮南232001 中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083

为探究不同围压下含预制裂隙煤体裂隙演化特征,基于受载煤岩工业CT扫描系统开展不同围压下三轴压缩试验,通过受载煤体内部裂隙三维可视化分析,研究不同围压下煤体裂隙演化规律,借助PFC模拟软件,以裂纹数量为量化指标表征围压对裂纹发育... 详细信息

为探究不同围压下含预制裂隙煤体裂隙演化特征,基于受载煤岩工业CT扫描系统开展不同围压下三轴压缩试验,通过受载煤体内部裂隙三维可视化分析,研究不同围压下煤体裂隙演化规律,借助PFC模拟软件,以裂纹数量为量化指标表征围压对裂纹发育程度的影响。此外,推导出考虑裂隙宽度的应力强度因子表达式,并以最大周向应力准则计算裂隙的理论起裂角度。结果表明:随着围压的增大,裂隙起裂角度减小,3,5,7 MPa围压下,翼裂纹在预制裂隙端部沿着最大主应力方向扩展,最终呈现为“X”或“Y”型拉-剪复合型破坏,9 MPa围压下,煤体翼裂纹发育受阻,次生裂纹充分扩展,呈现出次生裂纹沿共面扩展的剪切破坏形式;围压效应和剪切裂纹的互锁效应均对裂隙发育模式产生影响,但二者作用机制不同,前者为全局作用,后者必须在原生裂隙压密到一定程度时才发挥作用;矿物颗粒赋存状态影响裂隙的发育形态,由纯粹拉应力导致的翼裂纹较为完整,而次生裂纹则呈“残缺”状态,该残缺状态随围压增加而增加;峰值应力前,各裂纹数量呈先减少后增加的规律,拉伸裂纹占比不断减少;经典欧文Ⅰ型应力强度因子适用于张开型裂隙,采用考虑裂隙宽度的应力强度因子计算的起裂角度更接近实验室试验结果。

关键词：预制裂隙矿物赋存条状裂隙演化最大周向应力准则 CT实时扫描

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煤体孔隙结构综合表征及全孔径分形特征

采矿与安全工程学报 2022年第3期39卷 458-469,479页

作者：刘怀谦王磊谢广祥袁秋鹏朱传奇焦振华中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083 安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室安徽淮南232001

为探究煤体孔隙结构及全孔径分形特征,借助压汞和低温液氮吸附试验,结合微焦点CT扫描系统,分别表征了取自海湾煤矿5煤(#1)和顾北煤矿中央1煤(#2)煤样的孔隙结构,并基于分形理论对比分析了煤样全孔径分布的复杂程度。结果表明:1)#1煤体... 详细信息

为探究煤体孔隙结构及全孔径分形特征,借助压汞和低温液氮吸附试验,结合微焦点CT扫描系统,分别表征了取自海湾煤矿5煤(#1)和顾北煤矿中央1煤(#2)煤样的孔隙结构,并基于分形理论对比分析了煤样全孔径分布的复杂程度。结果表明:1)#1煤体孔隙结构发育,微孔至大孔都具有开放性,裂隙由上端面倾斜蜿蜒延伸至下端面,两者在空间上形成网状拓扑结构,而#2煤体存在大量孤立孔隙,微孔多属于封闭孔或半开放孔,裂隙结构数量较少,两者难以形成孔裂隙拓扑结构,不利于瓦斯渗流;2)#1,#2煤体孔隙比表面积大部分由微孔和过渡孔贡献,但两者孔容占比差异明显,#1煤体大孔、中孔孔容占比较高,而#2煤体孔容主要由微孔和过渡孔贡献;3)综合比较三种表征手段存在的缺陷,提出了可表征全孔径分形维数的新方法,得出低温液氮吸附法所表征的孔径优势区间内,#1煤体孔径分布较#2煤体的非均质性更强,即孔隙结构更为复杂,高压压汞法所表征的孔径优势区间内,#2煤体孔隙结构较#1煤体更复杂,两者在中孔范围孔隙结构的差异最为显著;微焦点CT扫描所表征的孔径优势区间内,孔隙结构非均质性大体相同,差异在于孔隙数量;4)多手段联合表征煤体孔隙结构特征,可校正高压阶段煤基质的“压缩效应”和孔裂隙压缩破坏以及微孔、过渡孔测定时的“屏蔽效应”或因样品尺寸导致大孔及可见孔被忽略而导致分形维数产生的误差,是研究及评价气固耦合和瓦斯赋存、扩散及渗流的基础。

关键词：煤体三维可视化综合表征孔隙形态孔径分布分形维数