目錄
第1章 巖石與煤的特征與區(qū)別 1
1.1 巖石及特征 2
1.1.1 巖石的構(gòu)成特征 2
1.1.2 巖體的構(gòu)成特征 5
1.2 煤及其特征 8
1.2.1 煤的形成 8
1.2.2 煤的分類 11
1.2.3 煤的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 14
1.3 巖石與煤的區(qū)別 18
1.4 本章小結(jié) 19
第2章 載荷作用與煤體的基本力學(xué)響應(yīng) 20
2.1 載荷及分類 20
2.1.1 外力、內(nèi)力和應(yīng)力 20
2.1.2 外力的分類 21
2.2 礦山載荷及分類 23
2.2.1 自重應(yīng)力 23
2.2.2 構(gòu)造應(yīng)力 25
2.2.3 原巖應(yīng)力的分布規(guī)律 26
2.2.4 原巖應(yīng)力測(cè)定方法 27
2.2.5 礦山壓力 30
2.3 煤體的基本力學(xué)響應(yīng) 35
2.3.1 主要力學(xué)參數(shù)變化 35
2.3.2 變形特性與破壞特征 36
2.4 本章小結(jié) 40
第3章 煤巖類材料的力學(xué)特性研究動(dòng)態(tài)與進(jìn)展 41
3.1 引言 41
3.2 煤巖類材料的靜力學(xué)特性研究 43
3.2.1 煤巖類材料的基本力學(xué)特性研究 43
3.2.2 煤巖類材料的變形局部化研究 45
3.2.3 煤巖類材料的損傷測(cè)試與表征方法研究 47
3.2.4 煤巖類材料的損傷模型研究 48
3.3 煤巖類材料的動(dòng)力學(xué)特性研究 49
3.3.1 煤巖類材料的動(dòng)力學(xué)特性研究方法 50
3.3.2 動(dòng)載荷作用下煤巖類材料的變形與損傷 54
3.4 動(dòng)靜組合載荷作用下煤巖微結(jié)構(gòu)演化及作用機(jī)理 58
3.4.1 動(dòng)靜載荷作用下煤巖微結(jié)構(gòu)演化規(guī)律與作用機(jī)理 58
3.4.2 動(dòng)載荷作用下煤巖動(dòng)態(tài)損傷模型研究 59
3.5 尚需解決的科學(xué)問(wèn)題 60
3.6 本章小結(jié) 62
第4章 單向約束條件下煤體對(duì)動(dòng)力沖擊作用的力學(xué)響應(yīng) 63
4.1 煤巖損傷量的統(tǒng)計(jì)描述 63
4.2 煤巖微裂隙破壞模型 64
4.2.1 垂直微裂隙破壞模型 64
4.2.2 水平微裂隙破壞模型 65
4.2.3 微裂隙綜合破壞模型 65
4.3 實(shí)驗(yàn)研究的準(zhǔn)備與方案 65
4.3.1 主要試驗(yàn)設(shè)備 65
4.3.2 試驗(yàn)用樣 68
4.3.3 試驗(yàn)方案 69
4.4 遞增沖量與煤巖損傷演化的關(guān)系 70
4.4.1 循環(huán)沖擊次數(shù)對(duì)煤巖損傷破壞的影響 70
4.4.2 累計(jì)沖量對(duì)煤巖損傷演化的影響 73
4.5 單向約束靜載與煤巖損傷演化的關(guān)系 74
4.5.1 不同約束靜載下循環(huán)沖擊次數(shù)對(duì)煤巖損傷破壞的影響 74
4.5.2 不同約束靜載下累計(jì)沖量對(duì)煤巖損傷破壞的影響 76
4.6 基于高清數(shù)碼攝像機(jī)的煤巖損傷破壞表面裂紋擴(kuò)展規(guī)律 77
4.7 恒定式?jīng)_量與煤巖損傷演化的關(guān)系 80
4.7.1 循環(huán)沖擊次數(shù)對(duì)煤巖損傷量的影響 80
4.7.2 不同水平?jīng)_量加載下累計(jì)沖量對(duì)煤巖損傷量的影響 82
4.8 單向約束靜載與煤巖損傷演化的關(guān)系 84
4.8.1 不同約束靜載下循環(huán)沖擊次數(shù)對(duì)煤巖損傷量的影響 84
4.8.2 相同沖量作用下約束靜載對(duì)煤巖損傷量的影響 86
4.9 基于紅外熱成像的循環(huán)沖擊作用對(duì)煤巖損傷的影響 88
4.10 單向約束作用下煤巖損傷演化的數(shù)值分析 90
4.10.1 數(shù)值模型的建立 90
4.10.2 模型參數(shù)與生成網(wǎng)格 91
4.10.3 計(jì)算結(jié)果與分析 92
4.10.4 沖量大小對(duì)煤巖模型損傷的影響 93
4.10.5 約束靜載大小對(duì)煤巖模型損傷的影響 96
4.11 本章小結(jié) 100
第5章 雙向約束作用下煤體對(duì)動(dòng)力沖擊作用的力學(xué)響應(yīng) 102
5.1 雙向約束條件下沖擊載荷對(duì)煤樣結(jié)構(gòu)損傷量化表征 102
5.1.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備與研究方案 102
5.1.2 煤樣破壞過(guò)程及模式與其內(nèi)部微結(jié)構(gòu)演化的關(guān)系 103
5.1.3 不同約束條件下循環(huán)沖擊作用對(duì)煤樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響 104
5.1.4 單次沖擊能量大小對(duì)煤樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響 107
5.1.5 沖擊方式對(duì)煤樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響 109
5.2 基于紅外熱成像的煤巖表面裂紋擴(kuò)展行為的量化表征 110
5.2.1 熵的基本理論 110
5.2.2 煤樣表面溫度場(chǎng)分布特征 111
5.2.3 沖擊試驗(yàn)中的紅外輻射量化表征 115
5.3 雙向約束下沖擊載荷作用對(duì)煤體力學(xué)特性的影響數(shù)值模擬 117
5.3.1 數(shù)值模型及模擬方案 117
5.3.2 數(shù)值模擬模型的參數(shù) 118
5.3.3 沖擊能量大小對(duì)煤樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響 119
5.3.4 約束條件對(duì)煤體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響 123
5.4 雙向約束沖擊載荷作用下煤巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷機(jī)制 125
5.5 本章小結(jié) 126
第6章 非均勻載荷作用下煤巖體的裂紋演化規(guī)律 128
6.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)方案 128
6.1.1 局部偏心載荷試驗(yàn)設(shè)備與方案 128
6.1.2 局部沖擊載荷試驗(yàn)設(shè)備與方案 131
6.2 局部偏心載荷作用下煤樣應(yīng)力 - 應(yīng)變特征 135
6.3 局部偏心載荷作用下原煤與型煤試樣表面裂紋演化規(guī)律 137
6.3.1 常規(guī)單軸壓縮下煤樣表面裂紋演化規(guī)律 137
6.3.2 局部偏心載荷作用下煤樣表面裂紋演化規(guī)律 139
6.4 局部偏心載荷作用下煤巖損傷分形特征 142
6.4.1 分形理論概念 142
6.4.2 分形理論在煤巖損傷中的應(yīng)用 144
6.5 基于超聲波的煤巖內(nèi)微結(jié)構(gòu)演化規(guī)律 152
6.5.1 單軸壓縮下煤巖內(nèi)超聲波波速變化規(guī)律 153
6.5.2 局部偏心載荷作用下煤巖損傷演化規(guī)律 154
6.6 局部偏心載荷作用下煤巖破壞模型 155
6.7 煤巖對(duì)局部循環(huán)沖擊載荷作用的力學(xué)響應(yīng) 156
6.7.1 局部循環(huán)沖擊次數(shù)對(duì)煤巖內(nèi)微結(jié)構(gòu)演化影響 156
6.7.2 局部循環(huán)沖擊載荷作用下煤巖內(nèi)微結(jié)構(gòu)演化規(guī)律 158
6.8 煤巖對(duì)局部遞增沖擊載荷作用的力學(xué)響應(yīng) 161
6.8.1 局部遞增循環(huán)沖擊次數(shù)對(duì)煤巖內(nèi)微結(jié)構(gòu)演化影響 161
6.8.2 局部遞增沖擊載荷作用下煤巖內(nèi)微結(jié)構(gòu)演化規(guī)律 163
6.9 煤巖對(duì)局部遞減沖擊載荷作用的力學(xué)響應(yīng) 165
6.9.1 局部遞減循環(huán)沖擊次數(shù)對(duì)煤巖內(nèi)微結(jié)構(gòu)演化影響 165
6.9.2 局部遞減沖擊載荷作用下煤巖內(nèi)微結(jié)構(gòu)演化規(guī)律 167
6.10 局部沖量對(duì)煤巖內(nèi)微結(jié)構(gòu)演化影響 168
6.10.1 單次沖量大小對(duì)煤巖內(nèi)微結(jié)構(gòu)演化影響 169
6.10.2 累計(jì)沖量對(duì)煤巖內(nèi)微結(jié)構(gòu)演化影響 170
6.10.3 沖量加載順序?qū)γ簬r內(nèi)微結(jié)構(gòu)演化影響 172
6.11 沖擊加載面積與煤巖內(nèi)微結(jié)構(gòu)演化的耦合關(guān)系 173
6.12 局部沖擊載荷作用下型 / 原煤試樣內(nèi)微結(jié)構(gòu)演化對(duì)比 176
6.12.1 循環(huán)沖擊次數(shù)對(duì)型煤和原煤試樣內(nèi)微結(jié)構(gòu)演化差異分析 176
6.12.2 沖擊加載面積對(duì)型煤和原煤試樣內(nèi)微結(jié)構(gòu)演化差異 178
6.13 局部沖擊載荷作用下煤巖內(nèi)微結(jié)構(gòu)演化的局部化效應(yīng) 179
6.13.1 局部沖擊載荷作用對(duì)試樣不同區(qū)域微結(jié)構(gòu)演化影響 179
6.13.2 局部沖擊載荷作用下煤巖內(nèi)微結(jié)構(gòu)演化局部化范圍 182
6.14 不同沖擊模式下煤巖表面裂紋的時(shí)空演化特征 183
6.14.1 循環(huán)沖擊載荷作用下煤巖表面裂紋的時(shí)空演化特征 184
6.14.2 遞增沖擊載荷作用下煤巖表面裂紋的時(shí)空演化特征 193
6.14.3 遞減沖擊載荷作用下煤巖表面裂紋的時(shí)空演化特征 196
6.14.4 不同沖擊模式作用下煤巖表面裂紋演化的差異 198
6.15 局部沖擊載荷與煤巖表面裂紋時(shí)空演化的耦合關(guān)系 199
6.15.1 沖量大小與煤巖表面裂隙時(shí)空演化的耦合關(guān)系 199
6.15.2 不同沖擊加載面積下煤巖表面裂紋的時(shí)空演化特征 200
6.16 局部沖擊載荷作用下型煤與原煤表面裂紋演化對(duì)比 202
6.17 局部沖擊載荷作用下煤巖表面裂紋演化的局部化效應(yīng) 205
6.18 本章小結(jié) 206
第7章 非均勻載荷作用下煤體的變形場(chǎng)演化特征 211
7.1 數(shù)字圖像相關(guān)方法 211
7.1.1 數(shù)字圖像相關(guān)方法基本原理 211
7.1.2 相關(guān)函數(shù) 212
7.1.3 數(shù)字圖像相關(guān)方法研究發(fā)展 214
7.2 局部偏心載荷模式煤巖變形場(chǎng)演化特征 215
7.2.1 常規(guī)單軸壓縮條件下原煤與型煤變形場(chǎng)演化特征 215
7.2.2 局部偏心載荷作用下原煤與型煤變形場(chǎng)演化特征 217
7.2.3 統(tǒng)計(jì)指標(biāo)修正與局部化分析 223
7.2.4 局部化帶位移演化規(guī)律 226
7.2.5 煤巖變形能的演化特征 229
7.3 局部沖擊煤巖表面裂紋擴(kuò)展的分形特征 231
7.3.1 基于MATLAB的煤巖裂紋擴(kuò)展分形計(jì)算 231
7.3.2 基于MATLAB的盒維數(shù)法分形維數(shù)計(jì)算 232
7.4 局部循環(huán)沖擊次數(shù)與煤巖表面裂紋分形維數(shù)的關(guān)系 233
7.4.1 常規(guī)全沖擊時(shí)試樣表面裂紋分形維數(shù)演化特征 233
7.4.2 局部沖擊時(shí)試樣表面裂紋分形維數(shù)演化特征 235
7.4.3 沖量與煤巖表面裂紋分形維數(shù)的耦合關(guān)系 237
7.4.4 沖擊加載面積與煤巖表面裂紋分形維數(shù)的耦合關(guān)系 238
7.4.5 型煤與原煤試樣表面裂紋分形維數(shù)對(duì)比 239
7.5 局部沖擊載荷作用下煤巖破斷面形貌的三維重構(gòu) 241
7.5.1 破斷面形貌的三維重構(gòu)方法 241
7.5.2 局部沖擊載荷作用下煤巖破斷面特征 242
7.6 局部沖擊載荷作用下煤巖破斷面分形特征 243
7.6.1 破斷面三維分形維數(shù)計(jì)算方法概述 243
7.6.2 粗糙表面分形維數(shù)計(jì)算的二次改進(jìn)立方體覆蓋法 243
7.6.3 基于RGB圖像的粗糙表面分形維數(shù)等效計(jì)算方法 246
7.6.4 沖擊加載面積與煤巖破斷面分形維數(shù)的關(guān)系 250
7.7 本章小結(jié) 251
第8章 非均勻載荷作用下煤體的聲發(fā)射特征與損傷演化規(guī)律 254
8.1 聲發(fā)射參數(shù)與影響因素 254
8.1.1 聲發(fā)射參數(shù) 254
8.1.2 聲發(fā)射參數(shù)的影響因素 255
8.2 試驗(yàn)系統(tǒng)與方案 255
8.2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)介紹 255
8.2.2 試驗(yàn)方案 257
8.3 局部偏心載荷作用下煤巖損傷過(guò)程聲發(fā)射特征 257
8.3.1 局部偏心載荷作用下聲發(fā)射參數(shù)經(jīng)歷分析 257
8.3.2 局部偏心載荷作用下聲發(fā)射參數(shù)分布分析 262
8.3.3 局部偏心載荷作用下聲發(fā)射參數(shù)關(guān)聯(lián)分析 268
8.3.4 局部偏心載荷對(duì)b值影響分析 271
8.4 局部偏心載荷作用下煤巖損傷時(shí)空演化規(guī)律 275
8.4.1 聲發(fā)射定位原理 275
8.4.2 煤巖聲發(fā)射定位與裂紋演化規(guī)律 276
8.5 局部沖擊載荷作用下煤巖損傷變形特性 289
8.5.1 試驗(yàn)概況 289
8.5.2 局部沖擊載荷作用下煤巖的動(dòng)力響應(yīng)特征 291
8.6 基于紅外熱成像的局部沖擊對(duì)煤巖損傷的影響 299
8.6.1 紅外視頻溫度動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)成像與分析軟件開(kāi)發(fā) 300
8.6.2 局部沖擊載荷作用下煤巖紅外熱輻射溫度場(chǎng)的量化表征方法 302
8.6.3 局部沖擊載荷作用下煤巖試樣不同區(qū)域溫度的量化表征 303
8.7 局部沖擊載荷對(duì)煤巖損傷變形的局部化影響 309
8.7.1 局部沖擊載荷作用下煤巖變形局部化效應(yīng) 309
8.7.2 局部沖擊載荷作用下煤巖熱輻射溫度場(chǎng)局部化效應(yīng) 310
8.8 本章小結(jié) 310
第9章 非均勻載荷作用下煤體力學(xué)響應(yīng)的數(shù)值分析 314
9.1 數(shù)值模擬方法介紹 314
9.1.1 PFC2D程序計(jì)算原理 314
9.1.2 PFC2D平行黏結(jié)模型 316
9.1.3 ANSYS / LS - DYNA軟件與計(jì)算原理 317
9.1.4 ANSYS / LS - DYNA顯式算法簡(jiǎn)介 318
9.2 局部偏心載荷作用下煤巖單軸壓縮力學(xué)響應(yīng)模擬 318
9.2.1 模型建立與參數(shù)標(biāo)定 318
9.2.2 局部偏心載荷作用下煤巖常規(guī)單軸壓縮宏觀力學(xué)行為 322
9.2.3 局部偏心載荷作用下煤巖常規(guī)單軸壓縮細(xì)觀力學(xué)行為 324
9.3 局部偏心載荷作用下煤巖三軸壓縮力學(xué)響應(yīng)模擬 330
9.3.1 數(shù)值模擬方案 330
9.3.2 局部偏心載荷作用下煤巖三軸壓縮宏觀力學(xué)行為 331
9.3.3 局部偏心載荷作用下煤巖三軸壓縮細(xì)觀力學(xué)行為 337
9.4 基于完全重啟動(dòng)的局部循環(huán)沖擊載荷的實(shí)現(xiàn)方法 341
9.4.1 ANSYS / LS - DYNA完全重啟動(dòng) 341
9.4.2 基于完全重啟動(dòng)的局部循環(huán)沖擊實(shí)現(xiàn)方法 349
9.5 局部沖擊載荷作用下煤巖動(dòng)力響應(yīng)特性 352
9.5.1 局部沖擊載荷作用數(shù)值模擬方案 352
9.5.2 局部單次沖擊載荷作用下煤巖動(dòng)力響應(yīng)特性 352
9.5.3 局部循環(huán)沖擊載荷作用下煤巖動(dòng)力響應(yīng)特性 356
9.6 局部沖擊載荷作用下煤巖的破壞模式 360
9.6.1 局部沖擊載荷作用下煤巖試樣動(dòng)態(tài)破壞過(guò)程 360
9.6.2 局部循環(huán)沖擊次數(shù)對(duì)煤巖破壞模式的影響 363
9.6.3 局部沖擊沖量施加順序與煤巖破壞模式的關(guān)系 366
9.6.4 局部沖擊加載面積與煤巖破壞模式的關(guān)系 370
9.7 本章小結(jié) 371
第10章 非均勻載荷作用下煤巖損傷特征與損傷方程 374
10.1 損傷力學(xué)理論 375
10.1.1 損傷力學(xué)研究任務(wù) 375
10.1.2 損傷變量的定義 376
10.1.3 常用損傷力學(xué)模型 377
10.2 基于Weibull分布的煤巖統(tǒng)計(jì)損傷本構(gòu)模型 380
10.2.1 模型的基本假設(shè) 380
10.2.2 煤巖損傷模型的建立與修正 380
10.2.3 基于統(tǒng)計(jì)強(qiáng)度理論的煤巖損傷本構(gòu)模型 382
10.2.4 基于統(tǒng)計(jì)強(qiáng)度理論的煤巖損傷本構(gòu)模型參數(shù)的確定 384
10.2.5 基于統(tǒng)計(jì)強(qiáng)度理論的煤巖損傷本構(gòu)模型的驗(yàn)證 386
10.3 局部偏心載荷作用下煤巖統(tǒng)計(jì)損傷本構(gòu)模型 387
10.3.1 統(tǒng)計(jì)損傷本構(gòu)模型的建立 387
10.3.2 統(tǒng)計(jì)損傷本構(gòu)模型的驗(yàn)證 388
10.4 沖擊載荷作用下煤巖動(dòng)態(tài)損傷本構(gòu)模型 393
10.4.1 損傷變量的定義方法 393
10.4.2 煤巖動(dòng)態(tài)統(tǒng)計(jì)損傷變量 395
10.4.3 常用力學(xué)元件模型 396
10.4.4 煤巖動(dòng)態(tài)損傷本構(gòu)模型的建立 398
10.4.5 煤巖動(dòng)態(tài)損傷本構(gòu)模型參數(shù)的確定 406
10.5 本章小結(jié) 407
第11章 非均勻載荷作用的等效理論與等效模型研究 409
11.1 局部沖擊載荷作用下煤巖損傷等效模型 409
11.1.1 局部沖擊載荷作用下煤巖損傷分區(qū)等效理論 409
11.1.2 局部沖擊載荷作用下煤巖損傷分區(qū)等效因子 410
11.1.3 局部沖擊載荷作用下煤巖損傷分區(qū)等效模型 411
11.1.4 局部沖擊載荷作用下煤巖損傷等效模型的驗(yàn)證 413
11.2 局部沖擊載荷作用下煤巖損傷機(jī)理探討 417
11.2.1 常規(guī)全沖擊載荷作用下煤巖損傷機(jī)理 417
11.2.2 局部沖擊載荷作用下煤巖損傷機(jī)理 418
11.3 本章小結(jié) 418
參考文獻(xiàn) 420