结构性煤体间歇性破坏行为的实验及数值模拟研究

摘要：

不连续结构弱面广泛分布于煤岩材料内部,导致其在单轴压缩条件下获得的应力-应变曲线在峰前阶段反复出现应力突降现象.为探究富含不连续结构弱面煤岩材料受载后产生间歇性破坏行为的内在机制,自大同塔山煤矿选取层理裂隙较密集煤块,加工标准煤样,进行单轴加载测试,并实时监测单轴加载过程中煤样声发射信号,从应力及能量演化、声发射特征、宏观破坏形态等角度分析煤样间歇性破坏行为;依据煤样结构性特征建立颗粒流数值模型,探究煤样在间歇性破坏过程中的内部破裂行为及裂隙演化规律,并将数值模型与实验室煤样破坏形态进行对比分析.研究表明:(1)弹性变形能演化趋势与应力-应变曲线形态相似,在峰值强度时达到最大,试件破坏后完全释放;能量耗散量在应力突降时激增,试件破坏后增长至与输入总能量相等.(2)声发射事件振铃计数及能量演化规律与应力-应变曲线具有良好对应关系,应力平稳上升时,声发射事件较少,且多为低能级事件;应力突降时,大量高能级声发射事件丛集.(3)声发射b值及分形维数D反映微破裂尺度分布及其有序性,临近破坏前二者剧烈震荡,表明煤样内部不同尺度裂隙交替出现,由无序向有序反复调整,完全丧失承载能力前存在多次间歇性局部破坏.(4)数值计算发现,原生裂隙尖端最先产生张拉破裂,当应力突降时,颗粒间黏结及裂隙数量激增,微破裂相互沟通形成大尺度裂纹,或裂纹向试件表面迅速扩展.不同空间位置的局部破坏造成峰前应力-应变曲线锯齿张爬升,大尺度裂纹的产生将试件切割成为独立承载的结构单元,破坏试件承载整体结构,是试件强度劣化的内在原因.

关键词：岩石力学、结构性特征、间歇性破坏、能量演化、声发射、颗粒流模拟

所属期刊栏目：39

分类号：TU45(土力学、地基基础工程)

资助基金：国家自然科学基金;煤炭科学研究总院科技创新基金;天地科技股份有限公司科技创新创业资金专项项目

在线出版日期：2020-07-14（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共13页

页码：971-983