循环加卸载下煤岩损伤演化行为研究.docxVIP

循环加卸载下煤岩损伤演化行为研究 在地质构造或技术干预的影响下，采矿业变形和破坏过程是一个非常复杂的过程。煤岩损伤破坏行为的规律特点已成为岩石力学研究的重点、难点和热点问题。研究表明, 能量耗散及释放机制是煤岩损伤演化过程的控制因素［1 － 4］, 因此有必要深入开展各种加载模式下煤岩损伤演化过程的能量转化机制研究。 循环载荷工程实践中是一种非常重要的载荷形式, 而且通过循环加卸载可以揭示煤岩弹性势能与其它能量的转化机制, 有助于对煤岩损伤机理的研究, 因此越来越受到了极大关注。许多学者研究了在单轴循环载荷作用下岩石的疲劳特性［5 － 13］, 特别是借助声发射探测技术开展了大量研究［14 － 18］。一些学者还通过预制裂纹, 研究了岩石中的疲劳裂纹扩展规律［9，19］, 或借助数字散斑相关方法观测了岩石在循环载荷作用下的变形场演化过程［20］。也有学者研究了频率、应力水平、岩性等对岩石滞后环的影响［21 － 24］。这些都为岩石疲劳特性的研究积累了大量经验。随着损伤力学研究的深入, 有望进一步从损伤的角度定量描述岩石的疲劳特性。一些学者讨论比较了多种疲劳损伤变量的定义方法, 分析了影响岩石损伤演化的各种因素［25］。一些学者考虑了残余塑性变形的影响, 计算得到了损伤变量的演化曲线［8］。这些研究为解释岩石在循环载荷作用下的损伤演化规律提供了有意义的结果。但迄今为止, 大量研究还主要集中在单轴压缩循环载荷下, 仅有少量研究涉及到了拉伸［26］、循环冲击［27］和三轴循环压缩［28］对岩石力学特性的影响。因此有必要进一步研究不同围压下岩石的循环损伤特性。 本文将借助先进的岩石三轴试验系统, 通过在不同围压下的循环加卸载试验, 深入分析煤岩在围压作用下的损伤演化过程, 给出基于能量分析的损伤变量定义及其演化规律。 1 试验计划 1.1 煤样埋深监测 试验所用煤样取自龙煤集团鹤岗分公司南山矿, 煤样埋深600 m。采集得到的煤样经钻孔取芯, 加工为直径25 mm、高50 mm的圆柱试样, 并将两端磨平以保证其与试样轴线垂直。 1.2 轴实验及加载系统 本次加载实验采用的实验设备为中国矿业大学 ( 北京) 煤炭资源与安全开采国家重点实验室的岛津EHF - UG500KN型全数字液压伺服三轴实验系统 ( 图1) 。该系统可以实现各种材料的伪三轴加卸载试验, 环向载荷最大达80 MPa, 轴向载荷最大达500k N。系统三轴腔采用双油缸连通设计, 可以消除环向围压对轴向载荷的影响, 实现轴向与环向分别独立加载。通过岛津4890 数字电液伺服控制器, 可以实现复杂的程序加载模式及精确的加载控制。系统载荷精度达到0. 5% , 最大频率达100 Hz, 为试验过程中的应力应变精确测量提供了保证。 1.3 自动加载试验 试验分别选取10, 15 和20 MPa围压下进行相应的三轴循环加卸载压缩直至试样破坏。将包覆好TEFLON热缩护套的试样放置到三轴腔内 ( 图1 ( b) ) , 先施加初始轴向载荷5 k N以固定好试样, 然后注油并施加围压到预定值。当围压稳定后, 采用轴向位移控制方式进行自动加卸载, 加卸载速率0. 002mm / s。岛津控制器可以实现监控加载模式。加卸载速率按位移进行控制, 加卸载目标值则按载荷监视控制。每次加载到预定载荷之后开始卸载, 卸载至5k N后再进行下一次加载。如下: 5 k N→10 k N→5 k N→15 k N→5 k N→…→峰值载荷, 如图2 所示。开始的几个循环采用最大载荷每次增加5 k N, 接近峰值载荷的几个循环采用最大载荷每次增加2. 5 k N, 以保证能够实现5 次以上的循环加卸载试验。在最后一个循环, 由于试样在达到预期最大载荷前已经破坏, 因此不会卸载, 将按位移控制方式继续加载, 从而得到全过程曲线。试验机可自动记录试验过程中的载荷- 位移曲线, 数据采样间隔为1 s。 2 试验结果与分析 2.1 试验结果的修正 为了准确测量煤岩的变形量, 一般应粘贴应变片或采用引伸计。但由于三轴腔内不方便贴应变片, 另外一般引伸计规格主要针对直径50 mm大圆柱试样, 而本次采用的是直径25 mm的小圆柱试样, 因此只能通过试验机作动器来测量试样变形。考虑到试验系统测定的作动器位移是含有试验机及压头、接缝等的变形量, 因此需要通过修正扣除这部分的影响, 从而得到试样的变形量。试验表明, 通过这样的修正计算, 可以根据作动器位移有效测定岩石试样的应变［29 － 30］。 试验系统三轴腔的设计已经扣除了围压对轴向载荷的影响, 因此轴向载荷传感器测得的力值即是加在试样上的轴向力大小。这样就可得到试验过程中的载荷位移数据, 进而计算得到试样的名义应力- 应变曲线, 如图3 所示。 从图3 可以看出,