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冲击倾向煤样在不同应变率载荷作用下破裂的声发射及碎片分形特征

吕鹏飞 路康斌 曹树斌 丛日盛

吕鹏飞,路康斌,曹树斌,等. 冲击倾向煤样在不同应变率载荷作用下破裂的声发射及碎片分形特征[J]. 工矿自动化,2023,49(1):123-130, 139.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022050022
引用本文: 吕鹏飞,路康斌,曹树斌,等. 冲击倾向煤样在不同应变率载荷作用下破裂的声发射及碎片分形特征[J]. 工矿自动化,2023,49(1):123-130, 139.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022050022
LYU Pengfei, LU Kangbin, CAO Shubin, et al. Acoustic emission and fragment fractal characteristics of rock burst tendency coal samples under different strain rate loads[J]. Journal of Mine Automation,2023,49(1):123-130, 139.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022050022
Citation: LYU Pengfei, LU Kangbin, CAO Shubin, et al. Acoustic emission and fragment fractal characteristics of rock burst tendency coal samples under different strain rate loads[J]. Journal of Mine Automation,2023,49(1):123-130, 139.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022050022

冲击倾向煤样在不同应变率载荷作用下破裂的声发射及碎片分形特征

doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022050022
基金项目: 国家自然科学基金资助(52064043)。
详细信息
    作者简介:

    吕鹏飞(1989—),男,辽宁彰武人,副教授,博士,主要从事矿山压力与岩体力学、矿井动力灾害防治方面的教学与科研工作,E-mail:2018930@imust.edu.cn

  • 中图分类号: TD315/324

Acoustic emission and fragment fractal characteristics of rock burst tendency coal samples under different strain rate loads

  • 摘要: 现有研究针对岩石受载破坏过程的声发射特征和试件碎片分形特征进行了相关分析,并取得了一定成果,但针对冲击倾向煤样在不同应变率单向受载条件下破坏程度的定量描述及与加载应变率定量关系的研究较少。针对该问题,基于MTS−C64.106型电液伺服系统对原煤试件在单轴静态载荷基础上施加不同应变率载荷试验,试验中采用PCI−2卡型声发射卡对试件受载破裂过程开展实时监测,同时应用分形理论对试件破裂碎片进行处理分析,定量评价试件破碎程度及与载荷应变率的关系。结果表明:① 在静态载荷基础上,试件破坏的峰值强度随着应变率动载荷的升高而逐渐上升。② 随着加载应变率增大,声发射总体数量减少,高能声发射事件增多,声发射振铃计数和能量幅值经历缓增−急增−突增的一致转变过程。③ 试件受载的能量输入速率与声发射振铃计数、内部撞击数增长趋势基本一致,即也会经历缓增−急增−突增的变化。④ 声发射与震动强弱正相关的常数随加载应变率增大而减小,与高低能震动数之比负相关的常数随加载应变率增大而增大;原煤试件的破坏模式会发生剪切破坏−劈裂破坏−爆裂破坏的转变。⑤ 当加载应变率较低时,试件主要是上半部分破坏,应变率增大后由试件中部逐渐向下半部分延伸破坏,原煤试件在动载应变率作用下的破坏过程主要是裂纹的脆性扩展行为。⑥ 试件冲击碎片质量分维与加载应变率呈二次函数关系,即存在加载应变率极值使试件破坏程度达到最大,试验显示该值为2.8×10−3 s−1

     

  • 图  1  试验系统

    Figure  1.  Experimental system

    图  2  试件成品

    Figure  2.  Test samples

    图  3  不同应变率载荷加载作用下的应力−应变曲线

    Figure  3.  Stress-strain curves under loading modes with different strain rates

    图  4  不同应变率载荷加载下声发射振铃计数、能量特征

    Figure  4.  Ringing count and energy characteristics of AE under different strain rate loading

    图  5  能量输入与声发射参数关系

    Figure  5.  Relationship between AE parameter and energy input

    图  6  试件动态破坏过程

    Figure  6.  Dynamic failure process of samples

    图  7  不同载荷应变率与碎片分维关系

    Figure  7.  Relationship between fractal dimension of fragments and different loads strain rate

    表  1  煤矿载荷的应变率界定标准

    Table  1.   Strain rate definition criterion of loadings in coal mine

    指标 静态载荷 准动态载荷 动态载荷
    应变率/s−1 <10−5 10−5~10−3 >10−3
    变化率/(MPa·s−1 <0.1 0.1~10 >10
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    表  2  试件基本参数

    Table  2.   Basic parameters of samples

    编号 高度/mm 直径/mm 质量/g 横截面积/cm2 体积/cm3 密度/(g·cm−3) 编号 高度/mm 直径/mm 质量/g 横截面积/cm2 体积/cm3 密度/(g·cm−3)
    1−1 99.14 49.43 257.4 19.18 190.15 1.35 2−5 101.51 48.85 261.3 18.73 190.15 1.37
    1−2 100.53 48.59 250.3 18.53 186.32 1.34 2−6 99.83 49.25 237.2 19.04 190.08 1.25
    1−3 98.59 48.91 246.6 18.78 185.14 1.33 2−7 95.64 48.89 243.4 18.76 179.45 1.36
    1−4 99.35 48.72 254.4 18.63 185.12 1.37 2−8 97.95 49.07 242.6 18.90 185.14 1.31
    1−5 101.78 49.01 247.3 18.86 191.91 1.29 补1 100.35 48.94 243.0 18.80 188.68 1.29
    1−6 99.55 48.99 259.7 18.84 187.55 1.38 补2 96.96 48.93 231.5 18.79 182.23 1.27
    1−7 101.64 49.13 260.0 18.95 192.59 1.35 补3 100.90 49.07 250.5 18.90 190.72 1.31
    1−8 101.47 48.76 248.7 18.66 189.38 1.31 补4 95.52 49.01 230.5 18.86 180.11 1.28
    2−1 100.66 49.21 268.3 19.01 191.35 1.40 补5 92.55 49.02 241.1 18.86 174.58 1.38
    2−2 100.63 48.72 253.7 18.63 187.50 1.35 补6 95.80 48.95 226.3 18.81 180.19 1.26
    2−3 99.83 48.93 277.6 18.79 187.62 1.48 补7 100.35 48.98 253.0 18.83 188.98 1.34
    2−4 100.72 48.87 275.3 18.75 188.83 1.46 补8 99.63 48.94 243.4 18.80 187.32 1.30
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    表  3  不同应变率加载下ab

    Table  3.   The a and b values under different strain rate loading

    序号 应变率/s−1 a b
    1 8.33×10−6 5.053 15 0.431 13
    2 1.67×10−4 4.860 07 0.432 89
    3 2.50×10−3 4.484 21 0.441 75
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    表  4  不同加载条件下冲击碎片质量百分比

    Table  4.   Quality percentage of coal fragment under different loadings

    序号 应变率/s−1 指标 粒径/mm
    <1 1~2 2~5 5~10 10~20 20~40 ≥40
    1 8.33×10−6 质量/g 4.66 2.67 7.27 13.43 30.98 192.79 0
    质量分数/% 1.85 1.06 2.89 5.33 12.30 76.56 0
    2 4.17×10−5 质量/g 4.94 2.96 7.93 10.62 37.76 182.14 0
    质量分数/% 2.01 1.20 3.22 4.31 15.33 73.94 0
    3 8.34×10−5 质量/g 3.22 4.51 4.93 30.85 113.33 81.22 0
    质量分数/% 1.35 1.89 2.07 12.96 47.61 34.12 0
    4 1.67×10−4 质量/g 2.26 1.14 4.17 6.11 152.18 81.91 0
    质量分数/% 0.91 0.46 1.68 2.47 61.42 33.06 0
    5 3.34×10−4 质量/g 7.78 2.58 10.27 12.72 97.49 50.04 58.33
    质量分数/% 3.25 1.08 4.29 5.32 40.75 20.92 24.38
    6 1.00×10−4 质量/g 3.58 4.47 4.85 8.24 19.75 58.98 147.75
    质量分数/% 1.45 1.81 1.96 3.33 13.38 23.82 59.67
    7 2.50×10−3 质量/g 4.69 2.46 17.91 23.75 32.27 115.87 48.86
    质量分数/% 1.91 1.00 7.29 9.66 13.13 47.14 19.88
    8 5.00×10−3 质量/g 2.93 2.49 15.44 18.87 24.61 138.42 40.17
    质量分数/% 1.21 1.02 6.36 7.77 10.13 56.98 16.54
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    表  5  不同加载条件下冲击碎片分维计算结果

    Table  5.   Fractal dimension results of rock burst fragments under different loadings

    序号 应变率/s−1 拟合方程 相关性系数 d
    1 8.33×10−6 lnU=1.410 79 ln(Mmax/M)+0.083 42 0.912 11 1.410 79
    2 4.17×10−5 lnU=1.443 94 ln(Mmax/M)+0.112 19 0.949 44 1.443 94
    3 8.34×10−5 lnU=1.496 79 ln(Mmax/M)+0.356 45 0.911 38 1.496 79
    4 1.67×10−4 lnU=1.949 09 ln(Mmax/M)+2.177 44 0.970 31 1.949 09
    5 3.34×10−4 lnU=2.172 51 ln(Mmax/M)+1.077 02 0.958 35 2.172 51
    6 1.00×10−3 lnU=2.464 55 ln(Mmax/M)+0.974 85 0.876 45 2.464 55
    7 2.50×10−3 lnU=2.515 53 ln(Mmax/M)+1.214 67 0.961 32 2.515 53
    8 5.00×10−3 lnU=1.803 63 ln(Mmax/M)+0.834 79 0.854 87 1.803 63
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  • [1] 张茹, 艾婷, 高明忠, 等. 岩石声发射基础理论及试验研究[M]. 成都: 四川大学出版社, 2017.

    ZHANG Ru, AI Ting, GAO Mingzhong, et al. Basic Theory and experimental study of rock acoustic emission[M]. Chengdu: Sichuan University Press, 2017.
    [2] 高保彬,钱亚楠,吕蓬勃. 加载速率对煤样破坏力学及声发射特征研究[J]. 地下空间与工程学报,2020,16(2):463-474.

    GAO Baobin,QIAN Yanan,LYU Pengbo. Study on failure mechanics and acoustic emission characteristics of coal sample under loading rate[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2020,16(2):463-474.
    [3] 曹安业,井广成,窦林名,等. 不同加载速率下岩样损伤演化的声发射特征研究[J]. 采矿与安全工程学报,2015,32(6):923-928,935.

    CAO Anye,JING Guangcheng,DOU Linming,et al. Damage evolution law based on acoustic emission of sandy mudstone under different uniaxial loading rate[J]. Journal of Mining & Safety Engineering,2015,32(6):923-928,935.
    [4] 张黎明,任明远,马绍琼,等. 不同应力路径大理岩物理力学参数变化规律[J]. 地下空间与工程学报,2016,12(5):1288-1293,1325.

    ZHANG Liming,REN Mingyuan,MA Shaoqiong,et al. Study on the physical-mechanical parameters of marble under different stress paths[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2016,12(5):1288-1293,1325.
    [5] 张国凯,李海波,夏祥,等. 单轴加载条件下花岗岩声发射及波传播特性研究[J]. 岩石力学与工程学报,2017,36(5):1133-1144.

    ZHANG Guokai,LI Haibo,XIA Xiang,et al. Experiment study on acoustic emission and wave propagation in granite under uniaxial compression[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2017,36(5):1133-1144.
    [6] 张国凯,李海波,夏祥,等. 岩石细观结构及参数对宏观力学特性及破坏演化的影响[J]. 岩石力学与工程学报,2016,35(7):1341-1352.

    ZHANG Guokai,LI Haibo,XIA Xiang,et al. Effects of microstructure and micro parameters on macro mechanical properties and failure of rock[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2016,35(7):1341-1352.
    [7] 张国凯,李海波,王明洋,等. 岩石单轴压缩下损伤表征及演化规律对比研究[J]. 岩土工程学报,2019,41(6):1074-1082.

    ZHANG Guokai,LI Haibo,WANG Mingyang,et al. Comparative study on damage characterization and damage evolution of rock under uniaxial compression[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2019,41(6):1074-1082.
    [8] 陈宇龙,张宇宁,李科斌,等. 单轴压缩下软硬互层岩石破裂过程的离散元数值分析[J]. 采矿与安全工程学报,2017,34(4):795-802,816.

    CHEN Yulong,ZHANG Yuning,LI Kebin,et al. Distinct element numerical analysis of failure process of interlayered rock subjected to uniaxial compression[J]. Journal of Mining & Safety Engineering,2017,34(4):795-802,816.
    [9] 陈宇龙,张玉. 加载速率对不同岩性岩石Kaiser效应影响[J]. 煤炭学报,2018,43(4):959-966.

    CHEN Yulong,ZHANG Yu. Influence of loading rate on the Kaiser effect for different lithological rocks[J]. Journal of China Coal Society,2018,43(4):959-966.
    [10] 姚强岭,李学华,何利辉,等. 单轴压缩下含水砂岩强度损伤及声发射特征[J]. 采矿与安全工程学报,2013,30(5):717-722.

    YAO Qiangling,LI Xuehua,HE Lihui,et al. Strength deterioration and acoustic emission characteristics of water-bearing sandstone in uniaxial compressive experiment[J]. Journal of Mining & Safety Engineering,2013,30(5):717-722.
    [11] 姚强岭,王伟男,杨书懿,等. 含水率影响下砂质泥岩直剪特性及声发射特征[J]. 煤炭学报,2021,46(9):2910-2922.

    YAO Qiangling,WANG Weinan,YANG Shuyi,et al. Direct shear and acoustic emission characteristics of sandy mudstone under the effect of moisture content[J]. Journal of China Coal Society,2021,46(9):2910-2922.
    [12] 谢和平. 深部岩体力学与开采理论研究进展[J]. 煤炭学报,2019,44(5):1283-1305.

    XIE Heping. Research review of the state key research development program of China:deep rock mechanics and mining theory[J]. Journal of China Coal Society,2019,44(5):1283-1305.
    [13] 刘少虹,潘俊锋,夏永学. 巨厚坚硬岩浆岩床破裂运动诱发冲击地压机制研究[J]. 岩石力学与工程学报,2019,38(3):499-510.

    LIU Shaohong,PAN Junfeng,XIA Yongxue. Study on induced mechanism of rock bursts by fracture movement of hard magmatic beds[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2019,38(3):499-510.
    [14] 刘少虹,潘俊锋,王洪涛,等. 基于地震波和电磁波CT联合探测的采掘巷道冲击危险性评价方法[J]. 煤炭学报,2019,36(11):198-206.

    LIU Shaohong,PAN Junfeng,WANG Hongtao,et al. Assessment of rock burst risk in roadway based on the combination of seismic and electromagnetic wave CT technology[J]. Journal of China Coal Society,2019,36(11):198-206.
    [15] 刘少虹,秦子晗,娄金福. 一维动静加载下组合煤岩动态破坏特性的试验分析[J]. 岩石力学与工程学报,2014,33(10):2064-2075.

    LIU Shaohong,QIN Zihan,LOU Jinfu. Experimental study of dynamic failure characteristics of coal-rock compound under one-dimensional static and dynamic loads[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2014,33(10):2064-2075.
    [16] 郑克洪. 基于X-Ray CT的煤矸颗粒细观结构及破损特性研究[D]. 徐州: 中国矿业大学, 2016.

    ZHENG Kehong. Study on mesostructure and damage characteristics for coal and gangue particles based on X-Ray CT[D]. Xuzhou: China University of Mining and Technology, 2016.
    [17] 纪杰杰,李洪涛,吴发名,等. 冲击荷载作用下岩石破碎分形特征[J]. 振动与冲击,2020,39(13):176-183,214.

    JI Jiejie,LI Hongtao,WU Faming,et al. Fractal characteristics of rock fragmentation under impact load[J]. Journal of Vibration and Shock,2020,39(13):176-183,214.
    [18] 何江,窦林名,王崧玮,等. 坚硬顶板诱发冲击矿压机理及类型研究[J]. 采矿与安全工程学报,2017,34(6):1122-1127.

    HE Jiang,DOU Linming,WANG Songwei,et al. Study on mechanism and types of hard roof inducing rock burst[J]. Journal of Mining & Safety Engineering,2017,34(6):1122-1127.
    [19] 窦林名,贺虎,何江,等. 冲击危险评价的相对应力集中系数叠加法[J]. 煤炭学报,2018,43(2):327-332.

    DOU Linming,HE Hu,HE Jiang,et al. New method of rockburst risk assessment using relative stress concentration factor superposition[J]. Journal of China Coal Society,2018,43(2):327-332.
    [20] 刘少虹,潘俊锋,王洪涛,等. 基于冲击启动过程的近场围岩冲击危险性电磁波CT评估方法[J]. 煤炭学报,2019,44(2):384-396.

    LIU Shaohong,PAN Junfeng,WANG Hongtao,et al. Electromagnetic wave CT evaluation method for rock burst hazard in near field based on rock burst start-up process[J]. Journal of China Coal Society,2019,44(2):384-396.
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-05-08
  • 修回日期:  2022-12-27
  • 网络出版日期:  2022-09-19

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