煤岩细观剪切破坏及其声发射特性的试验研究

论文摘要

岩石的宏观断裂失稳与其在受力变形过程中内部微裂隙分布以及裂纹的萌生、扩展和聚集等因素密切相关,而岩石在受力变形过程中的声发射信号强弱变化也反映了其微观破坏的程度。因此,本文以砂岩和型煤为研究对象,利用自主研发的煤岩细观剪切试验装置和PCI-2型声发射系统对其在剪切载荷作用下裂纹的开裂扩展过程及其分布特征以及在其整个受力过程中的声发射特性进行了试验研究,探讨了不同加载速率、不同含水状态、不同法向应力等不同试验条件下砂岩和型煤的裂纹时空演化规律及其声发射特性,取得了以下主要研究成果:（1）砂岩在不同加载速率下表面开裂出现于峰值应力后,但在不同含水状态和不同法向应力下,相对含水率为50.03%、89.17%、100.00%和法向应力为1.5MPa、3.0MPa、4.5MPa、6.0MPa时的试件表面则在峰值应力前出现开裂,砂岩裂纹均萌生于试件端部,且断裂破坏过程同时有绕颗粒和穿颗粒破裂产生,但其开裂扩展主要产生于颗粒边界和胶结物中;而型煤在不同加载速率下表面开裂出现于峰值应力前,裂纹最早出现于试件端部或中部,其破裂方式并不是很明显。（2）砂岩和型煤细观裂纹的开裂扩展方向均具有一定的不规则性,与预定的剪切面方向均有一定程度的偏差,且在主裂纹附近均有宽度和长度较小的次级裂纹形成,但型煤的裂纹形态比砂岩复杂,开裂宽度也较大。（3）砂岩和型煤的声发射Hit率峰值相对于剪应力峰值在时间上有一定的滞后;对于砂岩而言,两者时间差随着加载速率增加而减小,但随着含水率和法向应力的增加而增大,型煤在不同加载速率下得到的结果与砂岩是一致的,但其滞后远大于砂岩。（4）砂岩和型煤的大多数声发射信号均产生于剪应力峰值后阶段;砂岩声发射信号的骤增点随加载速率和含水率增加而提前,随法向应力的增加而推迟,且在剪应力峰值和表面开裂时的声发射事件数百分比随加载速率增加而增大,但随含水率和法向应力增加而减小;型煤的声发射信号较小,并没有特别明显的剧变点出现,加载速率越大,声发射活动越早,但其声发射活动均落后于砂岩。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 研究的目的及意义
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 岩石剪切破坏特征研究
• 1.2.2 岩石细观破坏特征研究
• 1.2.3 岩石声发射特性研究
• 1.3 研究内容及技术路线
• 2 试验方法
• 2.1 煤岩样的采集与加工
• 2.1.1 砂岩的采集与制备
• 2.1.2 煤的采集与制备
• 2.2 试验仪器设备
• 2.2.1 煤岩细观剪切试验装置
• 2.2.2 PCI-2 型声发射系统
• 2.3 试验方法与步骤
• 2.3.1 试验方法
• 2.3.2 试验步骤
• 3 煤岩的细观剪切破坏特征
• 3.1 砂岩的细观剪切破坏特征
• 3.1.1 不同加载速率
• 3.1.2 不同含水状态
• 3.1.3 不同法向应力
• 3.2 不同加载速率条件下型煤的细观剪切破坏特征
• 3.2.1 变形特性
• 3.2.2 裂纹时间演化规律
• 3.2.3 裂纹空间演化规律
• 3.3 砂岩和型煤的细观破坏特征对比
• 3.3.1 变形特性
• 3.3.2 裂纹时间演化规律
• 3.3.3 裂纹空间演化规律
• 3.4 本章小结
• 4 煤岩的声发射特性
• 4.1 砂岩的声发射特性
• 4.1.1 不同加载速率
• 4.1.2 不同含水状态
• 4.1.3 不同法向应力
• 4.2 不同加载速率条件下型煤的声发射特性
• 4.2.1 Hit 率
• 4.2.2 累计Hit 数
• 4.2.3 声发射能量
• 4.2.4 声发射时间演化规律
• 4.3 砂岩和型煤的声发射特性对比
• 4.3.1 Hit 率
• 4.3.2 累计Hit 数
• 4.3.3 声发射能量
• 4.3.4 声发射时间演化规律
• 4.4 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 主要结论
• 5.2 后续工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A.作者在学习期间发表的论文
• B. 作者在学习期间参加的科研项目
• C.作者在学习期间申请的专利