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煤樣的靜動力學特性 版權信息
- ISBN：9787030679260
- 條形碼：9787030679260 ; 978-7-03-067926-0
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
煤樣的靜動力學特性 本書特色
本書可供從事煤巖的靜動力學性質研究的科研設計工作者、高校師生 學習參考。
煤樣的靜動力學特性 內容簡介
沖擊地壓是影響煤礦安全生產的重大災害之一。沖擊地壓的形成常以震源沖擊應力波的方式通過煤巖介質傳遞至采掘空間，造成沖擊地壓事故，煤層注水是沖擊地壓防治常用方法之一，研究含水煤樣沖擊動力學過程是沖擊地壓防治亟待解決的理論問題。沖擊地壓中煤巖失穩破壞可以簡化為含水煤樣高靜載與動載復合作用的過程，項目利用動靜組合加載試驗系統，采用理論分析、實驗室試驗手段，探索煤的微觀結構及化學成分性質，測試靜載作用下煤樣的變形及強度特征；進行了煤樣一維動靜組合、三維動靜組合作用下動態強度及能量耗散分析；結合含水對煤樣裂隙的損傷特征，構建動力擾動作用下含水煤樣的損傷本構模型。研究成果為進一步認識沖擊地壓發生機理及精準防治提供理論基礎。
煤樣的靜動力學特性 目錄
目錄
前言
第1章 煤樣的物理化學特性 1
1.1 煤巖微細觀及化學成分特征 2
1.2 試驗煤樣制備 9
1.2.1 煤樣采集及制備 9
1.2.2 煤樣的飽水處理方法 12
1.2.3 飽水前后煤樣裂隙微觀特征 13
1.3 含水煤樣水化腐蝕損傷效應特征 14
1.3.1 水化腐蝕損傷對煤體的影響 14
1.3.2 水化腐蝕損傷化學過程分析 16
參考文獻 19
第2章 靜載作用下含水煤樣力學試驗特征 20
2.1 靜載巖石力學試驗設備及方案 20
2.1.1 試驗系統及控制變量概況 20
2.1.2 含水煤樣靜載試驗方案 23
2.2 自然飽和下煤樣變形與強度特征 24
2.2.1 含水煤樣單軸壓縮試驗 24
2.2.2 含水煤樣三軸壓縮試驗 26
2.2.3 煤樣變形與破裂過程分析 28
2.3 強制飽和下煤樣強度與變形特征 30
2.3.1 強制飽和煤樣制備 30
2.3.2 單軸壓縮煤樣強度與變形特征分析 32
2.3.3 單軸壓縮煤樣聲發射特征 35
2.3.4 三軸壓縮煤樣強度與變形特性分析 39
2.3.5 三軸壓縮煤樣聲發射特征 48
參考文獻 56
第3章 動靜組合加載下煤樣動力學試驗特征 57
3.1 煤巖動力學測試原理及方法 57
3.1.1 SHPB裝置實驗原理 57
3.1.2 一維動靜組合加載實驗裝置 61
3.1.3 三維動靜組合加載SHPB實驗裝置 63
3.1.4 動靜組合加載試驗步驟及方案 64
3.2 動載作用下煤樣尺寸效應研究 64
3.2.1 波的彌散效應和應力均勻問題 64
3.2.2 動載作用下煤樣尺寸效應討論 70
3.2.3 煤樣尺寸效應試驗分析 72
3.3 一維動靜組合加載煤樣力學試驗 75
3.3.1 不同含水煤樣強度及變形特征 75
3.3.2 不同靜載煤樣強度及變形特征 78
3.3.3 不同動載煤樣強度及變形特征 81
3.4 三維動靜組合加載煤樣力學試驗 84
3.4.1 相同圍壓不同軸向靜載煤樣強度及變形分析 84
3.4.2 相同軸向靜載不同圍壓煤樣強度及變形分析 87
3.5 煤樣的動態應力-應變曲線特征 90
參考文獻 92
第4章 真三維動靜組合加載含水煤樣力學試驗特征 94
4.1 真三維動靜組合加載實驗設備及試樣制備 95
4.1.1 真三維動靜組合加載實驗設備概況 95
4.1.2 試樣制備 96
4.1.3 試驗方案 97
4.2 真三維動靜組合加載試驗結果分析 98
4.2.1 自然煤樣及飽水7d煤樣試驗結果 98
4.2.2 自然煤樣及飽水7d煤樣動態強度討論 105
參考文獻 106
第5章 動靜組合加載含水煤樣損傷斷裂特征 108
5.1 煤巖體斷裂力學理論基礎 109
5.1.1 煤巖裂隙斷裂分類及尖端應力場 109
5.1.2 動載裂隙斷裂現象和擴展速度 112
5.1.3 煤樣結構破壞與力學性能弱化關系 113
5.2 動靜組合加載裂隙水-應力翼型裂隙模型建立 114
5.2.1 已有翼型裂隙模型成果 114
5.2.2 靜載含水張開翼型裂隙模型 117
5.2.3 煤樣裂隙水賦存特征 120
5.2.4 動靜組合加載含水張開翼型裂隙模型 121
5.3 動靜組合加載含水煤樣強度特征 125
5.3.1 裂隙靜、動態斷裂準則及關系 125
5.3.2 裂隙水促進或抑制裂隙擴展機制分析 126
5.3.3 靜載、動靜組合加載含水煤樣抗壓強度 129
5.3.4 飽水煤巖類材料強度對比討論 132
5.4 一維動靜組合加載煤樣損傷本構模型建立 136
5.4.1 煤樣損傷變量的定義 136
5.4.2 煤樣損傷變量的確定 137
5.4.3 動載煤樣損傷本構關系建立 139
5.4.4 動載煤樣統計損傷本構模型驗證 142
參考文獻 143
第6章 動靜組合加載含水煤樣的破壞與能量耗散特征 146
6.1 動靜組合加載含水煤樣的破壞模式分析 148
6.1.1 含水煤樣動態破壞形態分析 148
6.1.2 巖石分形理論應用 153
6.1.3 煤樣動態破壞與分形統計 155
6.2 一維動靜組合加載含水煤樣能量耗散特征 157
6.2.1 動靜組合加載能量構成及耗散 157
6.2.2 含水煤樣的能耗密度與入射能關系 160
6.2.3 含水煤樣各能量傳遞效率分析 162
6.2.4 含水煤樣動態強度與耗散率關系分析 162
6.3 煤巖變形破壞的能量轉化作用 164
參考文獻 168
前言
第1章 煤樣的物理化學特性 1
1.1 煤巖微細觀及化學成分特征 2
1.2 試驗煤樣制備 9
1.2.1 煤樣采集及制備 9
1.2.2 煤樣的飽水處理方法 12
1.2.3 飽水前后煤樣裂隙微觀特征 13
1.3 含水煤樣水化腐蝕損傷效應特征 14
1.3.1 水化腐蝕損傷對煤體的影響 14
1.3.2 水化腐蝕損傷化學過程分析 16
參考文獻 19
第2章 靜載作用下含水煤樣力學試驗特征 20
2.1 靜載巖石力學試驗設備及方案 20
2.1.1 試驗系統及控制變量概況 20
2.1.2 含水煤樣靜載試驗方案 23
2.2 自然飽和下煤樣變形與強度特征 24
2.2.1 含水煤樣單軸壓縮試驗 24
2.2.2 含水煤樣三軸壓縮試驗 26
2.2.3 煤樣變形與破裂過程分析 28
2.3 強制飽和下煤樣強度與變形特征 30
2.3.1 強制飽和煤樣制備 30
2.3.2 單軸壓縮煤樣強度與變形特征分析 32
2.3.3 單軸壓縮煤樣聲發射特征 35
2.3.4 三軸壓縮煤樣強度與變形特性分析 39
2.3.5 三軸壓縮煤樣聲發射特征 48
參考文獻 56
第3章 動靜組合加載下煤樣動力學試驗特征 57
3.1 煤巖動力學測試原理及方法 57
3.1.1 SHPB裝置實驗原理 57
3.1.2 一維動靜組合加載實驗裝置 61
3.1.3 三維動靜組合加載SHPB實驗裝置 63
3.1.4 動靜組合加載試驗步驟及方案 64
3.2 動載作用下煤樣尺寸效應研究 64
3.2.1 波的彌散效應和應力均勻問題 64
3.2.2 動載作用下煤樣尺寸效應討論 70
3.2.3 煤樣尺寸效應試驗分析 72
3.3 一維動靜組合加載煤樣力學試驗 75
3.3.1 不同含水煤樣強度及變形特征 75
3.3.2 不同靜載煤樣強度及變形特征 78
3.3.3 不同動載煤樣強度及變形特征 81
3.4 三維動靜組合加載煤樣力學試驗 84
3.4.1 相同圍壓不同軸向靜載煤樣強度及變形分析 84
3.4.2 相同軸向靜載不同圍壓煤樣強度及變形分析 87
3.5 煤樣的動態應力-應變曲線特征 90
參考文獻 92
第4章 真三維動靜組合加載含水煤樣力學試驗特征 94
4.1 真三維動靜組合加載實驗設備及試樣制備 95
4.1.1 真三維動靜組合加載實驗設備概況 95
4.1.2 試樣制備 96
4.1.3 試驗方案 97
4.2 真三維動靜組合加載試驗結果分析 98
4.2.1 自然煤樣及飽水7d煤樣試驗結果 98
4.2.2 自然煤樣及飽水7d煤樣動態強度討論 105
參考文獻 106
第5章 動靜組合加載含水煤樣損傷斷裂特征 108
5.1 煤巖體斷裂力學理論基礎 109
5.1.1 煤巖裂隙斷裂分類及尖端應力場 109
5.1.2 動載裂隙斷裂現象和擴展速度 112
5.1.3 煤樣結構破壞與力學性能弱化關系 113
5.2 動靜組合加載裂隙水-應力翼型裂隙模型建立 114
5.2.1 已有翼型裂隙模型成果 114
5.2.2 靜載含水張開翼型裂隙模型 117
5.2.3 煤樣裂隙水賦存特征 120
5.2.4 動靜組合加載含水張開翼型裂隙模型 121
5.3 動靜組合加載含水煤樣強度特征 125
5.3.1 裂隙靜、動態斷裂準則及關系 125
5.3.2 裂隙水促進或抑制裂隙擴展機制分析 126
5.3.3 靜載、動靜組合加載含水煤樣抗壓強度 129
5.3.4 飽水煤巖類材料強度對比討論 132
5.4 一維動靜組合加載煤樣損傷本構模型建立 136
5.4.1 煤樣損傷變量的定義 136
5.4.2 煤樣損傷變量的確定 137
5.4.3 動載煤樣損傷本構關系建立 139
5.4.4 動載煤樣統計損傷本構模型驗證 142
參考文獻 143
第6章 動靜組合加載含水煤樣的破壞與能量耗散特征 146
6.1 動靜組合加載含水煤樣的破壞模式分析 148
6.1.1 含水煤樣動態破壞形態分析 148
6.1.2 巖石分形理論應用 153
6.1.3 煤樣動態破壞與分形統計 155
6.2 一維動靜組合加載含水煤樣能量耗散特征 157
6.2.1 動靜組合加載能量構成及耗散 157
6.2.2 含水煤樣的能耗密度與入射能關系 160
6.2.3 含水煤樣各能量傳遞效率分析 162
6.2.4 含水煤樣動態強度與耗散率關系分析 162
6.3 煤巖變形破壞的能量轉化作用 164
參考文獻 168
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煤樣的靜動力學特性 節選
第1章 煤樣的物理化學特性 煤巖是一種多尺度材料：在*小尺度下是煤巖礦物晶粒（孔徑小于10–4m），通過掃描電鏡（scanning electron microscope，SEM）可觀測到礦物顆粒（孔徑大于10–9m且小于10–4m）和微孔洞（孔徑小于10–2m）；孔徑大于10–2m且小于1m時，進入實驗室尺度；孔徑大于1m后進入工程運用尺度，即在微觀和細觀層面上的微裂隙和微孔洞可以近似忽略，整個煤巖結構是一個均質體。圖1-1給出了不同尺度下觀測到的煤巖特征[1]。 煤層由于其成分、成因環境、物理化學等特性方面的差異，與巖石相比有較大區別，Close等認為煤層是由孔隙、裂隙組成的雙重結構系統；Pmarnson認為在孔隙、裂隙之間還存在著一種過渡類型的孔隙、裂隙；按形態和成因將煤的裂隙分為割理（內生裂隙）、外生裂隙和繼承性裂隙；傅雪海等[2]認為煤層是由宏觀裂隙、孔隙和顯微裂隙組成的多尺度介質，得出宏觀裂隙是瓦斯運移的通道，顯微裂隙是聯系孔隙與裂隙的橋梁。 通過對相關的科研成果的分析得出煤巖中的微觀結構主要有以下3類[3]。 （1）孔隙：巖石中的孔隙如果其各方向的尺寸屬于同一量級，則可分為兩類：水力連通孔隙和水力不連通孔隙。 （2）裂隙：巖石孔隙在某一方向的尺寸遠大于其他兩個方向的尺寸，也稱結構面；若某一方向延伸較長，其他兩個方向延伸相對較短，也稱溶洞或孔洞。若巖石中無裂隙存在，則稱為完整巖石；若巖石中有裂隙存在，則稱為裂隙巖石。從滲水性方面可將完整巖石視為孔隙介質。 （3）微裂紋：巖石中的孔隙在某一個方向的尺寸遠大于其他方向，且*長方向的尺寸微小。巖石為脆性材料，在形成過程中受到多種高溫高壓環境影響而出現微裂紋。微裂紋的分布既有完全隨機的，也有定向的。微裂紋尖端產生的應力集中現象，對巖石強度有重大影響。 煤體是由不同礦物和孔隙、裂隙形成的組合體，而煤樣的物理力學性質取決于內部礦物的成分和缺陷的分布特征（孔隙、裂隙等）。在沖擊作用下，煤體不僅會在宏觀結構上發生失穩破壞，而且在微觀結構上其裂隙會擴展與貫通。煤樣在飽水前后，水分子進入煤裂隙中，對煤裂隙及孔隙有劣化作用，在受到沖擊作用時，含水直接影響煤樣失穩，對煤樣能量積聚、釋放和耗散具有較大的控制作用。 1.1 煤巖微細觀及化學成分特征 由于煤是一種特殊的沉積巖，其結構具有明顯的層狀特征，原生結構煤體一般層理完整、清晰，以水平裂隙為主。煤層受地質運動、采掘活動應力、機械加工等的影響，煤樣裂隙出現穿層裂隙，還伴生有微裂隙。圖1-2展示了不同尺度下煤體裂紋的發育情況，由圖可知，裂紋具有定向性，但也有穿裂紋。 為分析裂隙水對裂隙煤體強度的影響，需從含水對微細觀結構穩定性方面分析，掌握煤樣內原生節理裂隙的空間分布及形態。為直觀分析煤樣的裂隙分布特征，分析了煤體不同形狀的原生節理裂隙的分布，如圖1-3所示。圖1-3（a）為平行裂隙，裂隙中主裂隙和短次裂隙發育方向一致，主裂隙與短次裂隙之間基本平行；圖1-3（b）為斜平行裂隙，主裂隙周圍伴生一部分短斜裂隙；圖1-3（c）為貫通網狀裂隙，貫通網狀裂隙是將煤樣分割成很多小的規則結構，裂隙之間相互正交[4]。 動靜組合加載煤樣彈性變形階段存在差別，其內部原因是煤樣內部存在微裂隙及孔隙流體，外部原因是載荷作用下應變率不同。煤層裂隙的發育特征、連通性、規模和形式決定著其滲透性，影響煤樣的力學性質。姚艷斌等[5]論述了煤的裂隙是微裂隙且多呈樹枝狀或羽狀發育，微裂隙多以長度小于300μm且寬度小于5μm的裂隙為主，裂隙密度一般都在1～6條/cm2。張慧等[6]提出裂隙包含失水裂隙和縮聚裂隙，單根失水裂隙多呈彎曲狀、裂隙較短、不易穿過煤分層，可組合成不規則網狀，裂隙寬度從幾至幾十微米，為大孔級（＞1μm）。煤中裂隙的尺度比砂巖大，裂隙賦存密度較大，宏觀表現與砂巖強度不同。研究煤體細觀結構特征對分析煤樣失穩破壞具有基礎性作用，能較直觀地分析煤樣破裂過程的損傷斷裂機理。為分析煤體受力前后節理裂隙的變化，對煤巖結構中毫米及以下尺度的層理和節理裂隙進行了討論。 煤巖孔隙結構是指原生煤體在生成過程中內部存在的各種微細觀孔洞等。按煤層成因可將孔隙分為氣孔、植物組織孔、溶蝕孔、晶間孔，如圖1-4所示；按孔徑大小可將孔隙結構分為微孔、小孔、中孔、大孔等[7]，如圖1-5所示。研究表明[8-10]，煤的總孔容一般為0.02～0.2cm3/g，孔隙比表面積為9～35cm3/g，孔隙度為1%～6%。煤基質微小孔隙具有很大的比表面積和較強的吸附能力，是瓦斯、水吸附富集的主要場所，也是瓦斯、水發生脫附解吸、擴散的載體。但是，當進入宏觀領域的可見孔隙的直徑大于0.1mm時，構成了層流與紊流混合滲透的區間，并決定著煤樣的宏觀（軟、硬和中硬煤）破壞面。 由于煤體本身微細觀結構的復雜性，以往關于煤體細觀結構特征的研究缺乏系統性，近10年，X射線衍射（X-ray diffraction，XRD）技術在研究煤組分與結構基礎方面有較好的發展，掃描電鏡技術和光學電子顯微鏡觀測技術，使觀察煤體細觀結構及礦物組分變為可能，將煤體礦物成分及含量、組分、細觀形貌與裂隙發展聯系了起來。以下介紹體視顯微鏡和掃描電鏡煤樣試驗的對比。 1.體視顯微鏡設備試驗系統 煤樣微觀試驗選用德國蔡司的Stereo Discovery.V20體視顯微設備（圖1-6），該設備設計有拍攝物的景深和*大的變倍范圍，在20∶1變倍范圍內可以實現樣品的概覽至*細微的切換。其特點是：采用平場復消色差校正鏡體，變倍比為20∶1；借助10倍目鏡可實現高達345倍總放大倍率；*佳分辨率為1000lp/mm（物鏡：Planapo S2.3X），可以實現集成至顯微鏡的模塊化系統中，*高放大倍率下有較好的三維立體效果；電動和編碼型組件使重復性的實驗操作更加簡便。 采用體視顯微鏡的目的是觀察煤樣表面裂紋的分布及裂隙密度，分析煤樣飽水前后表面裂隙的分布情況，了解煤樣在水化作用下的裂隙分布特征。圖1-7為干燥和飽水時的煤樣。 為了統計煤樣表面裂隙的分布，對煤樣進行人工破碎，大致取1cm×1cm煤樣，表面未進行打磨，保持表面粗糙，用體視顯微鏡觀測其裂隙分布，進行單位面積上的裂隙條數統計，A1和A2自然狀態煤樣裂隙密度（大于0.3cm）約26條/cm2和16條/cm2，飽水后煤樣裂隙尺寸大于0.3cm，數量沒有增加，裂隙寬度變小，是飽水后煤樣膨脹導致，表面有凸凹特征。圖1-8為煤樣裂隙及不同飽水狀態裂隙素描情況。 2.掃描電鏡試驗系統 為了研究煤巖的內部細觀結構特征，采用河南理工大學的數字化JSM-6390LV鎢燈絲掃描電鏡，其主要特點是具有全數字化自動控制系統、高分辨率和高精度的變焦聚光鏡、全對中樣品及高靈敏度半導體背散射探頭等，可進行各種材料的形貌組織觀察，以及材料斷口分析和失效分析，設備如圖1-9所示。 JSM-6390 LV鎢燈絲掃描電鏡試驗過程如下所述。 1）放置樣品步驟 儀器接通電源，打開冷卻水管路及主控計算機；將樣品艙門打開，將處理好的樣品固定在圓形樣品平臺上，一次可放置7組樣品。先測量樣品高度，然后將樣品放入樣品艙，緩慢將樣品艙門關閉；將測試艙抽真空到10–4Pa。在抽真空的同時，將樣品高度升高至10mm線。
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