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基于CT扫描的煤体裂隙演化与破坏状态表征

中国矿业大学学报 2024年第1期53卷 93-105页

作者：朱传奇谢广祥王磊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

为基于裂隙演化特征表征煤体破坏状态,针对原煤试样,采用CT扫描技术开展常规三轴压缩条件下煤体断面裂隙演化观测试验,重构内部三维裂隙可视化模型,分析裂隙分布形态与特征参数变化规律,基于裂隙面积定义断面(煤体)破坏状态表征指标Ti(... 详细信息

为基于裂隙演化特征表征煤体破坏状态,针对原煤试样,采用CT扫描技术开展常规三轴压缩条件下煤体断面裂隙演化观测试验,重构内部三维裂隙可视化模型,分析裂隙分布形态与特征参数变化规律,基于裂隙面积定义断面(煤体)破坏状态表征指标Ti(T),并检验指标的准确性和合理性.研究结果表明:随煤体轴向应变的增加,含初始裂隙断面裂隙面积和分形维数均先减小后增大,而无初始裂隙断面裂隙面积和分形维数均先不变后增大.煤体失稳破坏过程中,Ti呈现出先减小(或不变)后增大的变化趋势,且与传统损伤变量相比,变化幅度更大,更能准确量化煤体断面破坏程度.随煤体轴向应变的增加,T表现出先减小后增大的基本规律,与煤体三维裂隙体积变化具有高吻合性.

关键词： CT扫描原煤裂隙演化破坏状态表征指标

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单轴压缩下松软煤体波速演化与裂隙分布特征

煤炭科学技术 2024年第4期52卷 288-301页

作者：朱传奇王磊陈礼鹏张宇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

为研究松软煤体超声波传播规律与破坏特征,选用型煤代替原煤,设定3条波速传播路径,运用MTS岩石力学实验机、PCI-Ⅱ声发射仪开展单轴压缩条件下煤体多路径波速同步监测试验,引入各向异性指数分析波速演化规律;选定3个横、纵向切面,采用C... 详细信息

为研究松软煤体超声波传播规律与破坏特征,选用型煤代替原煤,设定3条波速传播路径,运用MTS岩石力学实验机、PCI-Ⅱ声发射仪开展单轴压缩条件下煤体多路径波速同步监测试验,引入各向异性指数分析波速演化规律;选定3个横、纵向切面,采用CT扫描设备开展破坏特征观测试验,重构破坏后煤体细观几何结构,对比研究二维横纵切面裂隙分布差异性;探讨波速和三维裂隙体积的关系。结果表明:①随轴向应变的增加,平行、垂直加载方向及煤体平均波速均表现出先平稳后降低再平稳的基本规律,波速各向异性指数具有先平稳后增大再平稳的变化趋势;垂直加载方向波速最先下降,且降幅最大。②与纵向切面相比,破坏后煤体横向切面裂隙谱峰占比和裂隙分形维数均较大,裂隙密度较高,裂隙形态也较为复杂。③随裂隙体积的增大,破坏后煤体平均波速大致呈线性降低,单轴荷载作用下煤体内部裂隙扩展以平行加载方向为主,裂隙竖向线状扩展是造成各方向波速和横纵切面破坏特征差异性的主要原因。④与平行加载方向相比,采用垂直加载方向波速求得的损伤变量较大、评价煤体损伤破坏状态也更为可靠。现场采用声波评价煤体破坏状态时,将声波传播路径设置为垂直煤体受载(最大主应力)方向,有利于提高预测失稳事故的合理性。

关键词：松软煤体损伤破坏裂隙分布各向异性指数 CT扫描

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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不同应力路径下层理煤体力学特性试验研究

岩土力学 2024年第2期45卷 385-395页

作者：范浩王磊王连国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 中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室江苏徐州221116

为探究不同应力路径下层理煤体力学特性和破坏特征,利用MTS816岩石力学试验系统对0°、30°、45°、60°和90°层理倾角煤样开展了常规三轴加载、增轴压卸围压和恒轴压卸围压应力路径下的力学试验,分析了应力路径和层理倾角对煤样强度... 详细信息

为探究不同应力路径下层理煤体力学特性和破坏特征,利用MTS816岩石力学试验系统对0°、30°、45°、60°和90°层理倾角煤样开展了常规三轴加载、增轴压卸围压和恒轴压卸围压应力路径下的力学试验,分析了应力路径和层理倾角对煤样强度、变形及破坏特征的影响规律。研究结果表明:(1)常规三轴加载条件下煤样在达到峰值强度前,应力-应变曲线呈近线性关系,达到峰值强度后,应力-应变曲线迅速跌落;增轴压卸围压条件下,随着卸荷比的增加,轴向应变增量比呈线性增加趋势,而环向应变增量比和体积应变增量比呈低速增长-急剧增长-平稳增长的三阶段变化特征;恒轴压卸围压条件下,轴向应变增量比、环向应变增量比和体积应变增量比均呈低速增长-急剧增长的两阶段变化特征。(2)随着层理倾角的增加,不同应力路径下煤样峰值强度和轴向峰值应变均呈先减小后增大的V型变化趋势,在0°时达到最大值,在60°时达到最小值。(3)随着卸荷比的增大,煤样变形模量先平缓后迅速劣化,泊松比先缓慢增加后呈指数形式增加,临界卸荷比随层理倾角的增大先增加后减小;当层理倾角相同时,增轴压卸围压条件下的临界卸荷比低于恒轴压卸围压。(4)常规三轴加载条件下煤样发生脆性剪切破坏,增轴压卸围压和恒轴压卸围压条件下煤样呈张拉-剪切混合破坏模式,当层理倾角为60°时,煤样主剪切破裂面角度与层理倾角几乎一致。

关键词：应力路径层理煤体力学特性破坏特征卸荷比

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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

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

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

循环荷载下深部卸荷煤体力学特性及能量演化规律研究

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岩石力学与工程学报 2024年

作者：王磊邹鹏范浩谢广祥晋康钟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

为探究循环荷载作用下卸荷煤体力学特性及能量演化规律，利用MTS816岩石力学试验系统对煤样开展变下限和恒下限三轴循环荷载试验，通过获取全过程应力–应变曲线分析煤样的力学参数变化关系，基于能量原理研究受载煤样循环过程的能量演... 详细信息

为探究循环荷载作用下卸荷煤体力学特性及能量演化规律，利用MTS816岩石力学试验系统对煤样开展变下限和恒下限三轴循环荷载试验，通过获取全过程应力–应变曲线分析煤样的力学参数变化关系，基于能量原理研究受载煤样循环过程的能量演化规律。结果表明：(1)相较于CG组，循环荷载作用下煤样的峰值应力增量极值为3.540 MPa，整体变化不大。XH1和XH2组的轴向应变和侧向应变与围压大小分别成正相关和负相关，体积应变分别为先增加后稳定再增加和先增加后减少再增加的变化趋势。(2)循环荷载作用下煤样的加载模量与循环次数成正相关，与应力水平成负相关；应变硬化模量和跌落模量均与围压成负相关。高围压条件弱化了抵抗非弹性模型的能力，且这种弱化趋势与应力路径无关；循环应力路径对煤样变形特征影响显著。(3)恒下限路径或高围压作用下煤样的能量密度更高。各循环水平内煤样的耗散能密度与输入能密度规律基本一致，呈先降低后稳定的变化趋势，弹性能密度总体稳定。(4)循环荷载作用下煤样的弹性能密度占总输入能密度比例超过89.11%，二者的均值呈线性关系，总能量主要以弹性能的形式存储，且这种存储能力与围压无关。耗散能密度与弹性能密度均值呈幂函数型变化，且循环应力水平升高耗散能的能量竞争能力逐渐增强。

关键词：岩石力学煤循环荷载力学特性能量演化