无烟煤断裂韧度与断裂过程区各向异性试验研究
龚爽1
赵毅鑫2
张寒松3
周永恒3
赵灿鑫3
王文3
1.河南理工大学能源科学与工程学院,河南焦作 454003;煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心,河南焦作 4540032.中国矿业大学(北京)能源与矿业学院,北京 1000833.河南理工大学能源科学与工程学院,河南焦作 454003
摘要：为了测定原生层理构造引起各向异性对无烟煤断裂韧度和断裂过程区(FPZ)孕育特性的影响,在MTS液压伺服试验系统上对不同层理倾角直切槽半圆弯曲(NSCB)无烟煤试样进行了 Ⅰ型三点弯曲加载试验.结合数字图像相关法(DICM)和声发射(AE)定位技术研究了裂纹尖端FPZ孕育过程.同时,基于Irwin-Bazant模型、Strip-yield均匀牵引模型和Strip-yield线性牵引模型,对无烟煤样完全发育FPZ长度进行预测,并与试验结果进行了对比分析.探讨了各向异性无烟煤FPZ几何形态以及不同层理角度无烟煤FPZ孕育过程中剪切和拉伸变形时序特征.结果表明:无烟煤的峰值载荷、峰值位移和断裂韧度均随层理倾角的增加而增大;与0°层理角度煤样相比,层理角度为22.5°、45.0°、67.5°和90.0°的煤样平均断裂韧度分别增大了 6.76％、86.82％、85.47％和134.46％.Irwin-Bazant模型和Strip-yield均匀牵引模型预测的不同层理角度试样FPZ长度比试验值更短,而Strip-yield线性牵引模型预测值普遍高于试验值,Strip-yield均匀牵引模型对无烟煤FPZ长度预测与试验值最为接近.表明无烟煤试样裂纹尖端黏聚力分布形态更加趋于均匀.无烟煤试样FPZ长度(L)与断裂韧度(KIC)和抗拉强度(σt)比值的平方成正比:L∝(KIC/σt)2.裂纹尖端变形以拉伸为主,剪切为辅,拉伸变形起始时刻的范围分布于峰值载荷的27.71％～57.26％,剪切变形起始时刻的范围分布于峰值载荷的72.88％～92.40％,裂纹尖端的拉伸变形发生时刻优先于剪切变形.层理角度为0°和45°试样各环向测量线上的应变场分布呈类似洋葱切面纹理分布,而90°试样的最大主应变监测值在大部分测量角度呈波动无序分布.无烟煤试样FPZ尖端各方向发散测线上,应变增加梯度并不相同.
关键词：无烟煤断裂韧度断裂过程区裂纹扩展各向异性
分类号：TD313(矿山压力与支护)
资助基金：国家重点研发计划(2018YFC0604502)河南省高校科技创新人才支持计划资助项目(23HAST-IT011)河南省重点研发与推广专项(科技攻关)资助项目(242102321164)
论文发表日期：2024-08-28
在线出版日期：2025-08-15（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：26( 3399-3424 )
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