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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

CO-荷载耦合作用下煤体细观统计损伤本构模型及验证

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煤炭学报 2024年

作者：王磊陈礼鹏谢广祥范浩李少波邹鹏张宇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

CO2吸附会对煤体产生损伤劣化作用进而降低其稳定性，对CO2封存的长期安全性提出挑战，明确CO2劣化作用并建立本构模型至关重要。采用损伤力学理论和统计理论推导出能够综合反映CO2吸附和荷载耦合作用下煤体总损伤变量的计算公式，并重... 详细信息

CO2吸附会对煤体产生损伤劣化作用进而降低其稳定性，对CO2封存的长期安全性提出挑战，明确CO2劣化作用并建立本构模型至关重要。采用损伤力学理论和统计理论推导出能够综合反映CO2吸附和荷载耦合作用下煤体总损伤变量的计算公式，并重点考虑了压密段的影响，分段建立了CO2作用下煤体的细观统计损伤本构方程，明确了模型各参数的确定方法。最后通过CT扫描实验系统、MTS 816实验系统确定了本构模型参数，并采用自主研制的气-固耦合实验系统对不同CO2压力下煤体进行了单轴压缩实验，验证了模型的合理性。研究结果表明：(1)基于CT扫描获取的裂隙率和运用Weibull分布理论分别定义了吸附和受载作用下的损伤变量，结合损伤理论进一步得到二者耦合作用下的总损伤变量，并建立了细观统计损伤本构模型；(2)基于CT扫描技术的裂隙三维重构真实反映了CO2作用前后裂隙扩展特征，CO2压力越高，裂隙扩展越充分，煤样三维裂隙参数和损伤变量越大，所形成的空间裂隙网络越复杂；(3)CO2对煤体力学性质劣化作用显著，煤体的抗压强度与弹性模量均随CO2压力增加分别降低了49.78%和22.63%，CO2对煤体的溶胀效应、塑化效应和气楔效应的综合作用导致了力学参数的降低；(4)建立的CO2作用下煤体细观统计损伤模型理论曲线与单轴实验曲线具有较高的吻合度，说明损伤本构模型能够较好地反映出CO2对煤体力学特性的损伤劣化作用，体现了损伤本构模型及模型参数确定方法的合理性与适用性。研究结果对实现二氧化碳安全地质封存以及“双碳”目标具有一定理论意义。

关键词： CO 地质封存本构模型损伤变量力学特性裂隙演化

CO_(2)−荷载耦合作用下煤体细观统计损伤本构模型及验证

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煤炭学报 2024年第6期49卷 2630-2642页

作者：王磊陈礼鹏谢广祥范浩李少波邹鹏张宇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

CO_(2)吸附会对煤体产生损伤劣化作用进而降低其稳定性,对CO_(2)封存的长期安全性提出挑战,明确CO_(2)劣化作用并建立本构模型至关重要。采用损伤力学理论和统计理论推导出能够综合反映CO_(2)吸附和荷载耦合作用下煤体总损伤变量的计算... 详细信息

CO_(2)吸附会对煤体产生损伤劣化作用进而降低其稳定性,对CO_(2)封存的长期安全性提出挑战,明确CO_(2)劣化作用并建立本构模型至关重要。采用损伤力学理论和统计理论推导出能够综合反映CO_(2)吸附和荷载耦合作用下煤体总损伤变量的计算公式,并重点考虑了压密段的影响,分段建立了CO_(2)作用下煤体的细观统计损伤本构方程,明确了模型各参数的确定方法。最后通过CT扫描实验系统、MTS 816实验系统确定了本构模型参数,并采用自主研制的气−固耦合实验系统对不同CO_(2)压力下煤体进行了单轴压缩实验,验证了模型的合理性。研究结果表明:①基于CT扫描获取的裂隙率和运用Weibull分布理论分别定义了吸附和受载作用下的损伤变量,结合损伤理论进一步得到二者耦合作用下的总损伤变量,并建立了细观统计损伤本构模型;②基于CT扫描技术的裂隙三维重构真实反映了CO_(2)作用前后裂隙扩展特征,CO_(2)压力越高,裂隙扩展越充分,煤样三维裂隙参数和损伤变量越大,所形成的空间裂隙网络越复杂;③CO_(2)对煤体力学性质劣化作用显著,煤体的抗压强度与弹性模量随CO_(2)压力增加分别降低了49.78%和22.63%,CO_(2)对煤体的溶胀效应、塑化效应和气楔效应的综合作用导致了力学参数的降低;④建立的CO_(2)作用下煤体细观统计损伤模型理论曲线与单轴实验曲线具有较高的吻合度,说明损伤本构模型能够较好地反映出CO_(2)对煤体力学特性的损伤劣化作用,体现了损伤本构模型及模型参数确定方法的合理性与适用性。

关键词： CO_(2)地质封存本构模型损伤变量力学特性裂隙演化

不同应变率下松软煤体动态压缩力学特征试验研究

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煤炭科学技术 2024年

作者：朱传奇王磊刘怀谦陈礼鹏张帅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

深部冲击荷载扰动极易诱发松软煤层围岩失稳事故。为研究不同应变率下松软煤体动态力学特征，针对淮南矿区潘一矿11518工作面松软煤体，压制φ50mm×25mm的圆柱形型煤试样，运用分离式霍普金森压杆试验系统，开展5组冲击速度下(0.30、0... 详细信息

深部冲击荷载扰动极易诱发松软煤层围岩失稳事故。为研究不同应变率下松软煤体动态力学特征，针对淮南矿区潘一矿11518工作面松软煤体，压制φ50mm×25mm的圆柱形型煤试样，运用分离式霍普金森压杆试验系统，开展5组冲击速度下(0.30、0.35、0.40、0.45、0.50MPa)煤体的动态压缩试验，获取煤体动态应力-应变曲线，计算破碎耗能及耗能密度，筛分不同粒径区间破碎煤体质量，分析煤体力学特征参数、能量耗散及破碎特征随应变率的变化规律，揭示煤体冲击破坏的应变率效应。研究结果表明：(1)在试验应变率范围内，煤体初始压密阶段均不明显，且随应变率的增高，弹性变形阶段曲线斜率缓慢增大，屈服阶段有所增长，软化阶段应力降幅增大。(2)煤体峰值应力、峰值应变、割线模量随应变率的增高均具有线性增大的变化特点，增幅分别为130.998%、111.335%、52.026%。(3)随应变率的增高，煤体破碎耗能及破碎耗能密度均呈指数增长，破碎耗能占比逐渐增大。(4)应变率越大，破坏后煤体小体积碎块越多，应变率由66.778 s-1变化到259.154 s-1过程中，碎块平均粒径由3.34mm逐渐降低至2.49mm，碎块分形维数由2.37缓慢增大到2.61，型煤与原煤(应变率为57.433～240.100 s-1)破碎特征随应变率变化趋势具有一致性。研究结果可为厘清松软煤体冲击动态力学响应过程、防控失稳灾害提供试验依据。

关键词：松软煤体应变率力学特征参数能量耗散破碎特征

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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

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

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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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

不同Sc-CO浸蚀时间后冲击煤体能量演化与破坏特征

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岩土力学 2024年

作者：王磊杨震宇陈礼鹏王勇张帅王安铖李伟利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煤炭工业合肥设计研究院有限责任公司

在未采煤层封存CO2时，注入的CO2受高温高压影响会处于超临界态，影响煤层稳定性。为研究超临界CO2浸蚀后煤体受扰动影响引起的能量耗散与破坏特征，基于自主研发的高压气体吸附/解吸试验系统对煤体开展不同超临界CO2浸蚀时间（0、2、4... 详细信息

在未采煤层封存CO2时，注入的CO2受高温高压影响会处于超临界态，影响煤层稳定性。为研究超临界CO2浸蚀后煤体受扰动影响引起的能量耗散与破坏特征，基于自主研发的高压气体吸附/解吸试验系统对煤体开展不同超临界CO2浸蚀时间（0、2、4、6 d）的吸附试验，利用分离式霍普金森压杆试验系统对超临界CO2作用后的煤体开展冲击压缩试验，并结合高速摄像仪拍摄了冲击过程，分析了冲击煤体的能量耗散规律，阐明了煤体的破坏裂纹演化与破碎分形特征。研究结果表明：相同冲击荷载下，不同超临界CO2浸蚀时间后煤样的应力-应变曲线变化趋势类似，可划分为弹性能量耗散、塑性能量耗散和峰后能量耗散3个阶段。随超临界CO2浸蚀时间增长，煤样吸能能力减弱，冲击煤样表面裂纹数量增多，裂纹网络及扩展方向逐渐复杂，煤样破碎更加剧烈，破碎粒径减小，破碎形态更加复杂，最后确定了不同浸蚀时间后煤样破碎分形维数与耗能密度的线性相关关系。研究结果对于开展注CO2强化深部煤层气开采工程探索具有一定的理论意义。

关键词： CO 地质封存超临界CO 冲击荷载能量耗散破碎分形