煤岩破坏过程的细观力学损伤演化机制
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第 39 卷第 12 期 2014 年 12 月
王云飞,黄正均,崔 芳. 煤岩破坏过程的细观力学损伤演化机制[ J] . 煤炭学报,2014,39(12) :2390 -2396. doi:10. 13225 / j. cnki. jccs. 2014. 0111 Wang Yunfei,Huang Zhengjun,Cui Fang. Damage evolution mechanism in the failure process of coal rock based on mesomechanics[ J] . Journal of China Coal Society,2014,39(12) :2390-2396. doi:10. 13225 / j. cnki. jccs. 2014. 0111
收稿日期:2014 - 01 - 22 责任编辑:王婉洁 基金项目:河南省教育厅重点资助项目 (13A440323) ; 国家自然科学基金资助项目 (51104057) ; 河南理工大学博士基金资助项目 ( B2012 075) 作者简介:王云飞(1978—) ,男,内蒙古乌盟人,博士。 E-mail:wyf_ustb@ 126. com
Damage evolution mechanism in the failure process of coal rock based on mesomechanics
(1 . School of Civil Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,China;2 . School of Civil & Environment Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China)
[10]
Key words:coal rock;confining pressure;acoustic emission;damage evolution;particle flow code;strain energy 的声发射时空特征与应力应变的关系和内部损伤的 空间演化规律,研究成果可为支护煤柱合理设计, 煤 柱和煤岩巷道稳定性的声发射监测技术所利用。
[19]
的圆形或方形范围内, 因而可以同时传递力和弯矩。 C] x[ 分别表示 A,B 颗粒和平行黏结中心, R 和 L 分 i 别为平行黏结半径和厚度,F i 和 M 3 为平行黏结所承 受的力和弯矩, 在平行黏结形成时将力 F i 和 M 3 都 -s 初始化为 0,F i 分解为法向 F n i 和切向 F i 分量如下 : 在荷载作用一段时间后,对应的力和弯矩会产生 -n = ( - k n AΔU n ) n i , ΔF s = - k s AΔU s = ΔF n i i i 和 Δ M3 力和弯矩增量, k n 和 k s 分别为平行黏结的法向和切 向刚度,A 为平行黏结截面面积,I 为平行黏结截面转 动惯量,ΔU n 为两颗粒中心距离压缩量,ΔU s i 为颗粒 间相对切向位移,Δθ3 为接触颗粒相对转角。 因而平 行黏结按式(2) ~ (4) 更新力和弯矩。 -n + ΔF n Fn i ← F ni i (2) -s -n - k n IΔθ3 的增量,ΔF n i ,Δ F i 和 Δ M3 分别为法向 、 切向 + Fs Fi = Fn i i (1)
JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY
煤 炭 学 报
Vol. 39 No. 12 Dec. 2014
煤岩破坏过程的细观力学损伤演化机制
(1. 河南理工大学 土木工程学院,河南 焦作 454000;2. 北京科技大学 土木与环境工程学院,北京 100083)
rameters of coal rock and experiments carried out under different confining pressures by particle flow code. Analyzing the acoustic emission and strain energy characteristics in the failure process of coal rock,and consequently revealed the search results are as follows:the maximum intensity of acoustic emission lags behind the peak stress,the lag is sensi-
王云飞1 ,黄正均2 ,崔 芳1
摘 要:为了有效监测煤岩巷道围岩的损伤稳定程度,以漳村矿煤岩为例开展了煤岩损伤破坏特性 的研究,首先对该矿煤岩进行单轴压缩试验测得其力学参数,然后通过颗粒流软件获得其细观力学 参数进行了不同围压下煤岩试验。 分析了煤岩破坏过程的声发射和应变能变化规律, 并从煤岩损 伤萌生、成核、扩展和贯通的过程研究了损伤演化机制,获得以下结论:最大声发射强度与峰值应力 并不同时出现,具有一定滞后性,低围压范围滞后效应随围压变化敏感, 高围压范围围压对其影响 减弱;随着围压增加在最大声发射前会出现明显的平静期,并指出平静期的出现是由煤岩内部严重 损伤区的产生和损伤愈合吸收应变能所致;将煤岩损伤破坏过程分为微损伤弥散分布、损伤局部集 中发展成核、裂纹稳步扩展形成局部裂隙、局部裂隙贯通煤岩失稳 4 个阶段, 指出围压对各个阶段 的影响异同。 关键词:煤岩;围压;声发射;损伤演化;颗粒流;应变能 中图分类号:TU452 文献标志码:A 文章编号:0253 -9993 ( 2014 ) 12 -2390 -07
A] B] 如图 1 所示,A 和 B 表示两个接触颗粒, x [ ,x[ 和 i i
P． A． Cundall 和 O． D． Strack 在离散元法的基础
声发射技术源于 E． J． Kaiser 对材料声发射特性
在 PFC 中提供的颗粒间常用接触模型有: 接触
突然卸载岩石声发射的波形进行了频谱和时频分析。 性对岩石声发射特性的影响。 任松等 研究了不均质 通过改变加
WANG Yun-fei1 ,HUANG Zheng-jun2 ,CUI Fang1
Abstract:In order to effectively monitor the damage and stability extent of coal rock roadway,conduct the studies of coalrock damage and failure characteristics in Zhangcun Coal Mine. Firstly, the mechanics parameters of coal rock measured through the uniaxial compression experiment in Zhangcun Coal Mine,then obtained the mesomechanics pacoal rock failure mechanism through the generation, propagation and coalescence process of cracks. Some main retive with confining pressure in lower confining pressure range,the effect is attenuated in higher range. Arise the significant quiet period of acoustic emission before the maximum intensity of acoustic emission with confining pressure increasing,and point out the quiet period caused by the strain energy absorption in the process of the generation of serious damage zone and damage healing. Coal rock failure process is divided into four stages:damage random dispersion, damage coalescence in local scope,fissure steady developing into local crack,crack extension bring about coal rock
[11]
载速率研究了盐岩的疲劳损伤声发射特性。 M． Cai 试验,研究了试验整个过程中声发射信息。 Moradian
等 [12] 根据岩石声发射特性分析了岩石初始裂纹开裂 时间与应力之间的关系。 孙强等 [13] 开展了砂岩单轴 Z． A． 等 [14] 通过直剪试验研究不同材料接触间的声 发射特征。 Vilhelm 等 [15] 研究指出岩样的声发射特 性是单轴载荷的自相关函数。 李庶林等 [16] 通过岩石 单轴试验得到了破坏过程的声发射特性。 秦虎等 [17] 利用自行研制的煤岩固气耦合力学试验装置,对不同 徐速超等 [18] 研究了单轴循环荷载下矽卡岩的强度和 声发射特性,指出随着循环次数增加费拉西蒂比逐渐 减小和卸载阶段仍有大量声发射。 陈炳瑞等 的破裂模式和声发射特性进行了分析。
第 12Hale Waihona Puke Baidu期
王云飞等:煤岩破坏过程的细观力学损伤演化机制
2391
failure. Analyzing the effect of confining pressure on the four stages. 在外力作用或开采扰动岩体内部应力重分布的 过程中,煤岩会发生变形甚至破坏, 并局部伴随有应 变能的快速释放而产生弹性波的现象, 称为声发射 AE( acoustic emission) 。 声发射特征能够反映煤岩的 损伤破坏特性,其变化规律与煤岩内部损伤发展演化 过程有密切关系。 通过对不同围压下煤岩破坏过程 的声发射信号进行分析和研究,可推测煤岩内部损伤 发展程度,进而揭示煤岩损伤演化机制。 目前, 声发 射监测技术已应用在岩土工程等诸多领域, 因此, 其 研究成果具有重要的工程应用价值。 的研 究。 国 内 外 学 者 对 声 发 射 的 研 究 有: 含 瓦 斯 煤 [1] 和加卸载作用下 [2] 煤岩的声发射特性研究,Kaiser 效应 [3-5] 和单轴多级加载 [5] 岩石声发射特征, 饱 和含水煤岩 [6] 和不同应力路径下加载 - 卸载扰动 [7] 的声发射特性。 还有苗金丽等 [8] 对三轴应力状态的 张黎明等 [9] 对大理岩在加载和卸载两种应力路径下 声发射的差异进行了研究。 宿辉等
1 颗粒流理论与模型
上,引入分子动力学思想创建了颗粒流理论, 着重从 细观力学的角度解释材料的损伤断裂机制,分析线弹 性阶段直至断裂破坏的大变形过程,能直观处理裂纹 的萌生、扩展过程 [21] 。 主要用于岩石类等材料的力 学和工程特性研究。 构建的颗粒模型无需事先定义 材料的本构关系,只是通过设定颗粒间的接触模型和 细观力学参数,便能够表现出材料复杂的非线性应力 应变关系。 刚度模型、滑动模型、黏结模型等,其中黏结模型包括 接触黏结和平行黏结两种。 接触黏结模型中颗粒与 颗粒间是点接触,当颗粒间发生相对移动时便在接触 点处产生法向和切向力, 由于是点接触 ( 认为接触发 生在接触点处很小范围内 ) , 因而只能传递力而不能 传递弯矩。 而平行黏结发生在接触颗粒间半径为 R
王云飞,黄正均,崔 芳. 煤岩破坏过程的细观力学损伤演化机制[ J] . 煤炭学报,2014,39(12) :2390 -2396. doi:10. 13225 / j. cnki. jccs. 2014. 0111 Wang Yunfei,Huang Zhengjun,Cui Fang. Damage evolution mechanism in the failure process of coal rock based on mesomechanics[ J] . Journal of China Coal Society,2014,39(12) :2390-2396. doi:10. 13225 / j. cnki. jccs. 2014. 0111
收稿日期:2014 - 01 - 22 责任编辑:王婉洁 基金项目:河南省教育厅重点资助项目 (13A440323) ; 国家自然科学基金资助项目 (51104057) ; 河南理工大学博士基金资助项目 ( B2012 075) 作者简介:王云飞(1978—) ,男,内蒙古乌盟人,博士。 E-mail:wyf_ustb@ 126. com
Damage evolution mechanism in the failure process of coal rock based on mesomechanics
(1 . School of Civil Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,China;2 . School of Civil & Environment Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China)
[10]
Key words:coal rock;confining pressure;acoustic emission;damage evolution;particle flow code;strain energy 的声发射时空特征与应力应变的关系和内部损伤的 空间演化规律,研究成果可为支护煤柱合理设计, 煤 柱和煤岩巷道稳定性的声发射监测技术所利用。
[19]
的圆形或方形范围内, 因而可以同时传递力和弯矩。 C] x[ 分别表示 A,B 颗粒和平行黏结中心, R 和 L 分 i 别为平行黏结半径和厚度,F i 和 M 3 为平行黏结所承 受的力和弯矩, 在平行黏结形成时将力 F i 和 M 3 都 -s 初始化为 0,F i 分解为法向 F n i 和切向 F i 分量如下 : 在荷载作用一段时间后,对应的力和弯矩会产生 -n = ( - k n AΔU n ) n i , ΔF s = - k s AΔU s = ΔF n i i i 和 Δ M3 力和弯矩增量, k n 和 k s 分别为平行黏结的法向和切 向刚度,A 为平行黏结截面面积,I 为平行黏结截面转 动惯量,ΔU n 为两颗粒中心距离压缩量,ΔU s i 为颗粒 间相对切向位移,Δθ3 为接触颗粒相对转角。 因而平 行黏结按式(2) ~ (4) 更新力和弯矩。 -n + ΔF n Fn i ← F ni i (2) -s -n - k n IΔθ3 的增量,ΔF n i ,Δ F i 和 Δ M3 分别为法向 、 切向 + Fs Fi = Fn i i (1)
JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY
煤 炭 学 报
Vol. 39 No. 12 Dec. 2014
煤岩破坏过程的细观力学损伤演化机制
(1. 河南理工大学 土木工程学院,河南 焦作 454000;2. 北京科技大学 土木与环境工程学院,北京 100083)
rameters of coal rock and experiments carried out under different confining pressures by particle flow code. Analyzing the acoustic emission and strain energy characteristics in the failure process of coal rock,and consequently revealed the search results are as follows:the maximum intensity of acoustic emission lags behind the peak stress,the lag is sensi-
王云飞1 ,黄正均2 ,崔 芳1
摘 要:为了有效监测煤岩巷道围岩的损伤稳定程度,以漳村矿煤岩为例开展了煤岩损伤破坏特性 的研究,首先对该矿煤岩进行单轴压缩试验测得其力学参数,然后通过颗粒流软件获得其细观力学 参数进行了不同围压下煤岩试验。 分析了煤岩破坏过程的声发射和应变能变化规律, 并从煤岩损 伤萌生、成核、扩展和贯通的过程研究了损伤演化机制,获得以下结论:最大声发射强度与峰值应力 并不同时出现,具有一定滞后性,低围压范围滞后效应随围压变化敏感, 高围压范围围压对其影响 减弱;随着围压增加在最大声发射前会出现明显的平静期,并指出平静期的出现是由煤岩内部严重 损伤区的产生和损伤愈合吸收应变能所致;将煤岩损伤破坏过程分为微损伤弥散分布、损伤局部集 中发展成核、裂纹稳步扩展形成局部裂隙、局部裂隙贯通煤岩失稳 4 个阶段, 指出围压对各个阶段 的影响异同。 关键词:煤岩;围压;声发射;损伤演化;颗粒流;应变能 中图分类号:TU452 文献标志码:A 文章编号:0253 -9993 ( 2014 ) 12 -2390 -07
A] B] 如图 1 所示,A 和 B 表示两个接触颗粒, x [ ,x[ 和 i i
P． A． Cundall 和 O． D． Strack 在离散元法的基础
声发射技术源于 E． J． Kaiser 对材料声发射特性
在 PFC 中提供的颗粒间常用接触模型有: 接触
突然卸载岩石声发射的波形进行了频谱和时频分析。 性对岩石声发射特性的影响。 任松等 研究了不均质 通过改变加
WANG Yun-fei1 ,HUANG Zheng-jun2 ,CUI Fang1
Abstract:In order to effectively monitor the damage and stability extent of coal rock roadway,conduct the studies of coalrock damage and failure characteristics in Zhangcun Coal Mine. Firstly, the mechanics parameters of coal rock measured through the uniaxial compression experiment in Zhangcun Coal Mine,then obtained the mesomechanics pacoal rock failure mechanism through the generation, propagation and coalescence process of cracks. Some main retive with confining pressure in lower confining pressure range,the effect is attenuated in higher range. Arise the significant quiet period of acoustic emission before the maximum intensity of acoustic emission with confining pressure increasing,and point out the quiet period caused by the strain energy absorption in the process of the generation of serious damage zone and damage healing. Coal rock failure process is divided into four stages:damage random dispersion, damage coalescence in local scope,fissure steady developing into local crack,crack extension bring about coal rock
[11]
载速率研究了盐岩的疲劳损伤声发射特性。 M． Cai 试验,研究了试验整个过程中声发射信息。 Moradian
等 [12] 根据岩石声发射特性分析了岩石初始裂纹开裂 时间与应力之间的关系。 孙强等 [13] 开展了砂岩单轴 Z． A． 等 [14] 通过直剪试验研究不同材料接触间的声 发射特征。 Vilhelm 等 [15] 研究指出岩样的声发射特 性是单轴载荷的自相关函数。 李庶林等 [16] 通过岩石 单轴试验得到了破坏过程的声发射特性。 秦虎等 [17] 利用自行研制的煤岩固气耦合力学试验装置,对不同 徐速超等 [18] 研究了单轴循环荷载下矽卡岩的强度和 声发射特性,指出随着循环次数增加费拉西蒂比逐渐 减小和卸载阶段仍有大量声发射。 陈炳瑞等 的破裂模式和声发射特性进行了分析。
第 12Hale Waihona Puke Baidu期
王云飞等:煤岩破坏过程的细观力学损伤演化机制
2391
failure. Analyzing the effect of confining pressure on the four stages. 在外力作用或开采扰动岩体内部应力重分布的 过程中,煤岩会发生变形甚至破坏, 并局部伴随有应 变能的快速释放而产生弹性波的现象, 称为声发射 AE( acoustic emission) 。 声发射特征能够反映煤岩的 损伤破坏特性,其变化规律与煤岩内部损伤发展演化 过程有密切关系。 通过对不同围压下煤岩破坏过程 的声发射信号进行分析和研究,可推测煤岩内部损伤 发展程度,进而揭示煤岩损伤演化机制。 目前, 声发 射监测技术已应用在岩土工程等诸多领域, 因此, 其 研究成果具有重要的工程应用价值。 的研 究。 国 内 外 学 者 对 声 发 射 的 研 究 有: 含 瓦 斯 煤 [1] 和加卸载作用下 [2] 煤岩的声发射特性研究,Kaiser 效应 [3-5] 和单轴多级加载 [5] 岩石声发射特征, 饱 和含水煤岩 [6] 和不同应力路径下加载 - 卸载扰动 [7] 的声发射特性。 还有苗金丽等 [8] 对三轴应力状态的 张黎明等 [9] 对大理岩在加载和卸载两种应力路径下 声发射的差异进行了研究。 宿辉等
1 颗粒流理论与模型
上,引入分子动力学思想创建了颗粒流理论, 着重从 细观力学的角度解释材料的损伤断裂机制,分析线弹 性阶段直至断裂破坏的大变形过程,能直观处理裂纹 的萌生、扩展过程 [21] 。 主要用于岩石类等材料的力 学和工程特性研究。 构建的颗粒模型无需事先定义 材料的本构关系,只是通过设定颗粒间的接触模型和 细观力学参数,便能够表现出材料复杂的非线性应力 应变关系。 刚度模型、滑动模型、黏结模型等,其中黏结模型包括 接触黏结和平行黏结两种。 接触黏结模型中颗粒与 颗粒间是点接触,当颗粒间发生相对移动时便在接触 点处产生法向和切向力, 由于是点接触 ( 认为接触发 生在接触点处很小范围内 ) , 因而只能传递力而不能 传递弯矩。 而平行黏结发生在接触颗粒间半径为 R