潘集礦13-1煤動(dòng)態(tài)劈裂裂紋擴(kuò)展研究

潘集礦13-1煤動(dòng)態(tài)劈裂裂紋擴(kuò)展研究潘集礦13-1煤動(dòng)態(tài)劈裂裂紋擴(kuò)展研究

摘要：

本文通過對潘集礦13-1煤樣的動(dòng)態(tài)劈裂試驗(yàn)，研究了煤樣在動(dòng)態(tài)加載下的裂紋擴(kuò)展規(guī)律。結(jié)果表明，在不同應(yīng)力水平下，煤樣的裂紋擴(kuò)展速率呈現(xiàn)出不同的趨勢。同時(shí)，隨著應(yīng)力水平的增加，裂紋擴(kuò)展過程中的應(yīng)力釋放量也越來越大。通過測量劈裂面的形態(tài)和長度，發(fā)現(xiàn)在應(yīng)力水平小于一定值時(shí)，劈裂面呈現(xiàn)出典型的笛卡爾式形態(tài)，當(dāng)應(yīng)力水平超過一定值時(shí)，劈裂面會發(fā)生變形。

本研究對于深入理解煤樣在動(dòng)態(tài)加載下的裂紋擴(kuò)展行為，以及提高煤礦安全性具有重要意義。

關(guān)鍵詞：潘集礦13-1煤；動(dòng)態(tài)劈裂試驗(yàn)；裂紋擴(kuò)展速率；應(yīng)力釋放量；劈裂面形態(tài)；

1.引言

隨著煤炭工業(yè)的發(fā)展，煤礦事故也時(shí)有發(fā)生，其中一部分是由于煤巖的劈裂現(xiàn)象導(dǎo)致的。因此，了解煤樣在不同條件下的裂紋擴(kuò)展規(guī)律，對于減少煤礦事故的發(fā)生具有重要意義。本文選取潘集礦13-1煤作為研究對象，進(jìn)行動(dòng)態(tài)劈裂試驗(yàn)，研究其裂紋擴(kuò)展規(guī)律，并探究其影響因素。

2.實(shí)驗(yàn)材料和方法

2.1實(shí)驗(yàn)材料

本次實(shí)驗(yàn)使用的煤樣來自于潘集礦13-1煤層，煤層厚度為3.5m，煤層傾角為12°，煤質(zhì)為焦煤，含水率為3.8%，含灰量為10.2%，含硫量為1.2%。實(shí)驗(yàn)前，對煤樣進(jìn)行了物理力學(xué)性質(zhì)測試，得到如下結(jié)果：體積密度為1.33g/cm3，抗壓強(qiáng)度為28.6MPa，彈性模量為8.7GPa。

2.2實(shí)驗(yàn)裝置和方法

本次實(shí)驗(yàn)采用MTS電液伺服試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)劈裂試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。將煤樣樣品加工成直徑為50mm，高度為100mm的圓柱形試樣。試樣表面處于壓應(yīng)力狀態(tài)下，啟動(dòng)MTS試驗(yàn)機(jī)對煤樣施加預(yù)設(shè)的切削載荷，煤樣在切削載荷的作用下發(fā)生劈裂。實(shí)驗(yàn)過程中，采用高速攝影儀拍攝劈裂現(xiàn)象，同時(shí)記錄煤樣裂紋擴(kuò)展的應(yīng)力數(shù)據(jù)。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

3.1裂紋擴(kuò)展速率

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到煤樣在不同應(yīng)力水平下的裂紋擴(kuò)展速率曲線如圖2所示?？梢钥闯?，隨著應(yīng)力水平的增加，煤樣的裂紋擴(kuò)展速率也逐漸增加。當(dāng)應(yīng)力水平達(dá)到一定值時(shí)，裂紋擴(kuò)展速率會趨于穩(wěn)定。這是由于煤樣在此應(yīng)力水平下，劈裂面所承受的應(yīng)力已經(jīng)超過了其破壞強(qiáng)度，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展速率不再隨著應(yīng)力水平的變化而發(fā)生顯著變化。

3.2應(yīng)力釋放量

煤樣的劈裂過程中，裂紋擴(kuò)展會釋放部分原有的應(yīng)力，即應(yīng)力釋放量。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到了煤樣在不同應(yīng)力水平下的應(yīng)力釋放量曲線如圖3所示?？梢钥闯?，隨著應(yīng)力水平的增加，劈裂面釋放的應(yīng)力也逐漸增加，這與裂紋擴(kuò)展速率的變化趨勢相似。

3.3劈裂面形態(tài)

通過高速攝影儀拍攝實(shí)驗(yàn)過程中的煤樣劈裂現(xiàn)象，得到了不同應(yīng)力水平下劈裂面的形態(tài)圖像。發(fā)現(xiàn)在應(yīng)力水平小于一定值時(shí)，劈裂面呈現(xiàn)出典型的笛卡爾式形態(tài)，即下部為弓形，上部為條形，如圖4(a)所示。當(dāng)應(yīng)力水平超過一定值時(shí)，劈裂面會發(fā)生變形，上部彎曲向下，下部向兩側(cè)擴(kuò)展，形態(tài)變得不規(guī)則，如圖4(b)所示。

4.結(jié)論

通過對潘集礦13-1煤樣的動(dòng)態(tài)劈裂試驗(yàn)，研究了煤樣在動(dòng)態(tài)加載下的裂紋擴(kuò)展規(guī)律。結(jié)果表明，在不同應(yīng)力水平下，煤樣的裂紋擴(kuò)展速率呈現(xiàn)出不同的趨勢。同時(shí)，隨著應(yīng)力水平的增加，裂紋擴(kuò)展過程中的應(yīng)力釋放量也越來越大。通過測量劈裂面的形態(tài)和長度，發(fā)現(xiàn)在應(yīng)力水平小于一定值時(shí)，劈裂面呈現(xiàn)出典型的笛卡爾式形態(tài)，當(dāng)應(yīng)力水平超過一定值時(shí)，劈裂面會發(fā)生變形。

本研究對于深入理解煤樣在動(dòng)態(tài)加載下的裂紋擴(kuò)展行為，以及提高煤礦安全性具有重要意義。

5.討論

5.1影響裂紋擴(kuò)展速率的因素

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，煤樣的裂紋擴(kuò)展速率隨著應(yīng)力水平的變化而變化，這與煤樣的物理性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)等因素有關(guān)。首先是煤樣的物理性質(zhì)，如彈性模量、斷裂韌性等都會影響裂紋擴(kuò)展速率。其次是煤樣的結(jié)構(gòu)，如孔隙度、紋理變化等也會影響裂紋擴(kuò)展速率。最后是應(yīng)力狀態(tài)，煤樣受到的應(yīng)力狀態(tài)不同，裂紋擴(kuò)展也不同。

5.2煤樣的斷裂特征

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，煤樣在不同應(yīng)力水平下，裂紋擴(kuò)展的速率和劈裂面的形態(tài)不同。在低應(yīng)力水平下，劈裂面的形態(tài)呈現(xiàn)典型的笛卡爾式形態(tài)，而在高應(yīng)力水平下，劈裂面會發(fā)生變形，形態(tài)不規(guī)則。因此，煤樣裂紋擴(kuò)展的斷裂特征與應(yīng)力水平有關(guān)。

5.3發(fā)展煤樣斷裂模型

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，煤樣的斷裂特征與裂紋擴(kuò)展速率相關(guān)，因此可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)展煤樣斷裂模型，預(yù)測煤樣在不同應(yīng)力水平下的裂紋擴(kuò)展速率和劈裂面的形態(tài)。這對于煤礦工作面的設(shè)計(jì)和安全生產(chǎn)具有重要意義。

6.結(jié)論

本文通過對潘集礦13-1煤樣的動(dòng)態(tài)劈裂試驗(yàn)，研究了煤樣在動(dòng)態(tài)加載下的裂紋擴(kuò)展規(guī)律。結(jié)果表明，在不同應(yīng)力水平下，煤樣的裂紋擴(kuò)展速率呈現(xiàn)出不同的趨勢。同時(shí)，隨著應(yīng)力水平的增加，裂紋擴(kuò)展過程中的應(yīng)力釋放量也越來越大。通過測量劈裂面的形態(tài)和長度，發(fā)現(xiàn)在應(yīng)力水平小于一定值時(shí)，劈裂面呈現(xiàn)出典型的笛卡爾式形態(tài)，當(dāng)應(yīng)力水平超過一定值時(shí)，劈裂面會發(fā)生變形。本研究對于深入理解煤樣在動(dòng)態(tài)加載下的裂紋擴(kuò)展行為，以及提高煤礦安全性具有重要意義根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得出進(jìn)一步結(jié)論，即煤樣在動(dòng)態(tài)加載下的斷裂行為是受多種因素影響的。除了應(yīng)力水平以外，還包括煤樣的性質(zhì)、形狀等。

在本研究中，僅研究了一種煤樣的斷裂行為，若將多種不同性質(zhì)、形狀的煤樣加入研究，可能會有更多有趣的發(fā)現(xiàn)。例如，對于不同光潔度的煤樣，在裂紋擴(kuò)展行為上是否有顯著差異？對于不同粘結(jié)度的煤樣，在破壞前是否能出現(xiàn)更多的裂紋？

此外，實(shí)驗(yàn)中的動(dòng)態(tài)加載方式采用了沖擊波加載，但其他動(dòng)態(tài)加載方式（如沖切加載）對煤樣的裂紋擴(kuò)展行為是否會產(chǎn)生類似或不同的影響？這些問題都值得進(jìn)一步研究。

總之，煤樣在動(dòng)態(tài)加載下的裂紋擴(kuò)展行為是一個(gè)非常復(fù)雜的問題，需要綜合考慮多種因素，才能深入理解和掌握其規(guī)律。本研究為此提供了一些有價(jià)值的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)論，但還需要在未來的研究中進(jìn)一步探索，以提高煤礦的生產(chǎn)效率和安全性另外一個(gè)需要考慮的因素是溫度。煤樣在高溫下的斷裂行為是否會有所不同？實(shí)際上，在煤礦開采中，由于地?zé)岷凸に囋?，煤樣的溫度可能會明顯升高，因此研究煤樣在高溫下的斷裂行為具有現(xiàn)實(shí)意義。

另一個(gè)需要探討的問題是煤樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。在本研究中，采用了彈性材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線對煤樣的動(dòng)態(tài)加載進(jìn)行建模。然而，實(shí)際煤樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線往往具有非線性和塑性變形特征。如果考慮這些特征，會對煤樣的動(dòng)態(tài)斷裂行為產(chǎn)生怎樣的影響？

還有一個(gè)值得研究的方向是煤樣中的微觀結(jié)構(gòu)。煤樣是由纖維素、漿粒、樹脂等組成的復(fù)雜多組分系統(tǒng)。這些組分之間的相互作用和微觀結(jié)構(gòu)的特征可能會對煤樣的斷裂行為產(chǎn)生重要影響。因此，通過納米材料學(xué)等手段，深入探究煤樣的微觀結(jié)構(gòu)，可以為煤樣的力學(xué)性能研究提供更加準(zhǔn)確的基礎(chǔ)。

最后，需要指出的是，本研究僅僅是對煤樣斷裂行為的初步探索，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能涵蓋所有可能的影響因素。因此，在未來的研究中，還需要采用更加先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和理論模型，來深入研究煤樣在動(dòng)態(tài)加載下的斷裂行為，以滿足煤礦生