一种基于多参量的煤岩非线性断裂扩展长度定量测定方法技术

本发明专利技术公开了一种基于多参量的煤岩非线性断裂扩展长度定量测定方法，包括：制备含缺口煤岩试样；在试样表面喷洒黑白散斑，安装声发射传感器、夹式引伸计及位移传感器；开展三点弯峰后循环加卸载断裂实验，记录载荷、裂纹张开量、力点位移、声发射波形及DIC图像；通过COD

【技术实现步骤摘要】
一种基于多参量的煤岩非线性断裂扩展长度定量测定方法


[0001]本专利技术涉及岩石断裂力学领域，具体涉及一种基于多参量的煤岩非线性断裂扩展长度定量测定方法。

技术介绍

[0002]在地下岩体工程建设及运营中，时常伴随发生煤岩体破断失稳诱发的工程地质灾害，如岩爆、冲击地压、隧道塌陷及诱发地震等。研究表明这些灾害本质是地质条件与采掘活动耦合作用下煤岩体裂隙起裂、扩展、成核到断裂灾变的演化结果，如何对裂隙扩展过程定量测定并精准表征是岩体力学领域的研究热点；另一方面，煤岩作为典型的准脆性材料，其显著特征是存在着不可忽略的非线性断裂过程区，使得其断裂扩展行为偏离了线弹性断裂力学模型的预测，如何对煤岩准脆性断裂扩展过程描述并建立非线性断裂准则是待解决的科学难题，这就涉及到了煤岩非线性断裂扩展长度定量精准测量等基础研究。因此，开展煤岩非线性断裂扩展的定量测定对进一步认识岩体灾害的演化过程与发生机理、裂纹参数的动态变化特征捕捉、煤岩断裂准则的修正与验证等具有积极的推动作用。
[0003]目前，国内外对煤岩断裂行为研究普遍采用三点弯曲加载方式，同时借助声本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多参量的煤岩非线性断裂扩展长度定量测定方法，其特征在于，包括以下步骤：a.制作含缺口煤岩断裂实验试样，所述试样为长L
×
厚W
×
高H的长方体，试样跨距为S，在试样底部中心位置切割贯穿缺口，所述缺口高度为H0；b.在步骤a制作的试样前表面喷洒随机黑白散斑，形成断裂扩展的DIC图像观测区域；在试样表面合理位置布置声发射传感器阵列，用于监测并定位断裂扩展位置；在试样底端缺口处安装夹式引伸计，用于测量裂纹张开位移信号；将线性变压位移传感器安装在试样后表面顶端中心处，用于测量力点位移量；c.开展煤岩三点弯断裂准静态稳定扩展实验，所述断裂实验中应力路径设置为峰值载荷后多次卸载
‑
重新加载的循环路径；d.同步采集并记录煤岩断裂扩展过程中的施加载荷P、裂纹张开位移COD、力点位移LPD、声发射波形及DIC图像等数据；e.由步骤d采集的数据绘制COD
‑
P及LPD
‑
P力学曲线，分别计算力学柔度C
COD
和C
LPD
，根据线弹性断裂力学理论反算无应力约束裂纹长度和利用声发射波形数据对断裂源进行空间定位并计算其耗散能量值，绘制破裂耗散能量空间展布直方图，由此确定等效裂纹尖端位置及长度根据DIC位移场数据计算水平位移梯度，设置梯度阈值并绘制位移梯度云图，继而确定等效裂纹尖端位置及长度f.综合采用力学柔度
‑
位移梯度
‑
能耗展布多物理量定量确定煤岩非线性断裂扩展无应力约束裂纹长度l0、等效裂纹长度l
e
、断裂过程区长度l
p
及其动态变化规律，并直观展示煤岩断裂扩展路径。2.根据权利要求1所述的一种基于多参量的煤岩非线性断裂扩展长度定量测定方法，其特征在于：步骤b中，在DIC观测区域内均匀涂抹白色薄漆作为背景底色，待充分凝固后喷洒黑色斑点，形成随机分布的黑白散斑图纹；所述的声发射传感器固定在试样前后表面，声发射传感器个数≥4，形成的传感器阵列要覆盖断裂扩展区域且位于DIC观测区域外；所述的夹式引伸计安装方式为：将两个截面为直角梯形的四棱柱金属夹片分别粘贴在试样底部缺口两侧，金属夹片尖端间距与缺口宽度一致，将夹式引伸计两侧悬臂凹槽安装在金属夹片尖端上，确保夹式引伸计测量数据为缺口张开位移量；所述的线性变压位移传感器安装方式为：将直角钢片固定在试样后表面端部中心位置，通过支撑架夹持线性变压位移传感器，调整线性变压位移传感器高度和位置使其与直角钢片下表面轻微接触，保证线性变压位移传感器测量的数据为力点位移量。3.根据权利要求1所述的一种基于多参量的煤岩非线性断裂扩展长度定量测定方法，其特征在于：步骤c中，煤岩断裂准静态稳定扩展实验中应力循环路径具体设置为：采用裂纹张开位移信号作为压机系统回馈控制信号，加载至过峰值载荷一段时间后开始卸载，卸载点为该次循环峰值载荷峰后水平的97％
‑
93％，卸载至重新加载点处，重新加载点载荷为0.5kN来确保压机始终与试样接触受力，即“加载
→
峰值载荷
→
峰后卸载点处
→
卸载
→
重新加载点处
→
加载”为一次完整的循环加卸载过程，重复上述循环过程多次直至试验结束。4.根据权利要求1所述的一种基于多参量的煤岩非线性断裂扩展长度定量测定方法，
其特征在于：在步骤e中，采用基于COD
‑
P力学柔度和LEFM理论定量反算无约束裂纹长度的公式为：其中：γ1、γ2、γ3和γ4是关于跨距S和厚度W的拟合函数，即γ1＝0.25S/W
‑
0.0505(S/W)
3/2
+0.0033(S/W)2、γ2＝1.155S/W+0.215(S/W)
3/2
‑
0.0278(S/W)2、γ3＝
‑
1.38+1.75S/W和γ4＝0.506
‑
1.057S/W+0.888(S/W)2；C
COD
是COD
‑
P曲线卸载力学柔度，即对每次循环中卸载点至重新加载点处的COD

【专利技术属性】
技术研发人员：王笑然，单天成，黄炳香，刘晓斐，李楠，王欣宇，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：