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 巖石的構成特征 2
1.1.2 巖體的構成特征 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)部結構 14
1.3 巖石與煤的區(qū)別 18
1.4 本章小結 19
第2章 載荷作用與煤體的基本力學響應 20
2.1 載荷及分類 20
2.1.1 外力、內(nèi)力和應力 20
2.1.2 外力的分類 21
2.2 礦山載荷及分類 23
2.2.1 自重應力 23
2.2.2 構造應力 25
2.2.3 原巖應力的分布規(guī)律 26
2.2.4 原巖應力測定方法 27
2.2.5 礦山壓力 30
2.3 煤體的基本力學響應 35
2.3.1 主要力學參數(shù)變化 35
2.3.2 變形特性與破壞特征 36
2.4 本章小結 40
第3章 煤巖類材料的力學特性研究動態(tài)與進展 41
3.1 引言 41
3.2 煤巖類材料的靜力學特性研究 43
3.2.1 煤巖類材料的基本力學特性研究 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 煤巖類材料的動力學特性研究 49
3.3.1 煤巖類材料的動力學特性研究方法 50
3.3.2 動載荷作用下煤巖類材料的變形與損傷 54
3.4 動靜組合載荷作用下煤巖微結構演化及作用機理 58
3.4.1 動靜載荷作用下煤巖微結構演化規(guī)律與作用機理 58
3.4.2 動載荷作用下煤巖動態(tài)損傷模型研究 59
3.5 尚需解決的科學問題 60
3.6 本章小結 62
第4章 單向約束條件下煤體對動力沖擊作用的力學響應 63
4.1 煤巖損傷量的統(tǒng)計描述 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 實驗研究的準備與方案 65
4.3.1 主要試驗設備 65
4.3.2 試驗用樣 68
4.3.3 試驗方案 69
4.4 遞增沖量與煤巖損傷演化的關系 70
4.4.1 循環(huán)沖擊次數(shù)對煤巖損傷破壞的影響 70
4.4.2 累計沖量對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系 74
4.5.1 不同約束靜載下循環(huán)沖擊次數(shù)對煤巖損傷破壞的影響 74
4.5.2 不同約束靜載下累計沖量對煤巖損傷破壞的影響 76
4.6 基于高清數(shù)碼攝像機的煤巖損傷破壞表面裂紋擴展規(guī)律 77
4.7 恒定式?jīng)_量與煤巖損傷演化的關系 80
4.7.1 循環(huán)沖擊次數(shù)對煤巖損傷量的影響 80
4.7.2 不同水平?jīng)_量加載下累計沖量對煤巖損傷量的影響 82
4.8 單向約束靜載與煤巖損傷演化的關系 84
4.8.1 不同約束靜載下循環(huán)沖擊次數(shù)對煤巖損傷量的影響 84
4.8.2 相同沖量作用下約束靜載對煤巖損傷量的影響 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 計算結果與分析 92
4.10.4 沖量大小對煤巖模型損傷的影響 93
4.10.5 約束靜載大小對煤巖模型損傷的影響 96
4.11 本章小結 100
第5章 雙向約束作用下煤體對動力沖擊作用的力學響應 102
5.1 雙向約束條件下沖擊載荷對煤樣結構損傷量化表征 102
5.1.1 實驗準備與研究方案 102
5.1.2 煤樣破壞過程及模式與其內(nèi)部微結構演化的關系 103
5.1.3 不同約束條件下循環(huán)沖擊作用對煤樣內(nèi)部結構的影響 104
5.1.4 單次沖擊能量大小對煤樣內(nèi)部結構的影響 107
5.1.5 沖擊方式對煤樣內(nèi)部結構的影響 109
5.2 基于紅外熱成像的煤巖表面裂紋擴展行為的量化表征 110
5.2.1 熵的基本理論 110
5.2.2 煤樣表面溫度場分布特征 111
5.2.3 沖擊試驗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煤體力學特性的影響數(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 沖擊能量大小對煤樣內(nèi)部結構的影響 119
5.3.4 約束條件對煤體內(nèi)部結構的影響 123
5.4 雙向約束沖擊載荷作用下煤巖內(nèi)部結構損傷機制 125
5.5 本章小結 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 實驗設備與試驗方案 128
6.1.1 局部偏心載荷試驗設備與方案 128
6.1.2 局部沖擊載荷試驗設備與方案 131
6.2 局部偏心載荷作用下煤樣應力 - 應變特征 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用 144
6.5 基于超聲波的煤巖內(nèi)微結構演化規(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 煤巖對局部循環(huán)沖擊載荷作用的力學響應 156
6.7.1 局部循環(huán)沖擊次數(shù)對煤巖內(nèi)微結構演化影響 156
6.7.2 局部循環(huán)沖擊載荷作用下煤巖內(nèi)微結構演化規(guī)律 158
6.8 煤巖對局部遞增沖擊載荷作用的力學響應 161
6.8.1 局部遞增循環(huán)沖擊次數(shù)對煤巖內(nèi)微結構演化影響 161
6.8.2 局部遞增沖擊載荷作用下煤巖內(nèi)微結構演化規(guī)律 163
6.9 煤巖對局部遞減沖擊載荷作用的力學響應 165
6.9.1 局部遞減循環(huán)沖擊次數(shù)對煤巖內(nèi)微結構演化影響 165
6.9.2 局部遞減沖擊載荷作用下煤巖內(nèi)微結構演化規(guī)律 167
6.10 局部沖量對煤巖內(nèi)微結構演化影響 168
6.10.1 單次沖量大小對煤巖內(nèi)微結構演化影響 169
6.10.2 累計沖量對煤巖內(nèi)微結構演化影響 170
6.10.3 沖量加載順序對煤巖內(nèi)微結構演化影響 172
6.11 沖擊加載面積與煤巖內(nèi)微結構演化的耦合關系 173
6.12 局部沖擊載荷作用下型 / 原煤試樣內(nèi)微結構演化對比 176
6.12.1 循環(huán)沖擊次數(shù)對型煤和原煤試樣內(nèi)微結構演化差異分析 176
6.12.2 沖擊加載面積對型煤和原煤試樣內(nèi)微結構演化差異 178
6.13 局部沖擊載荷作用下煤巖內(nèi)微結構演化的局部化效應 179
6.13.1 局部沖擊載荷作用對試樣不同區(qū)域微結構演化影響 179
6.13.2 局部沖擊載荷作用下煤巖內(nèi)微結構演化局部化范圍 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空演化的耦合關系 199
6.15.1 沖量大小與煤巖表面裂隙時空演化的耦合關系 199
6.15.2 不同沖擊加載面積下煤巖表面裂紋的時空演化特征 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 205
6.18 本章小結 206
第7章 非均勻載荷作用下煤體的變形場演化特征 211
7.1 數(shù)字圖像相關方法 211
7.1.1 數(shù)字圖像相關方法基本原理 211
7.1.2 相關函數(shù) 212
7.1.3 數(shù)字圖像相關方法研究發(fā)展 214
7.2 局部偏心載荷模式煤巖變形場演化特征 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演化特征 217
7.2.3 統(tǒng)計指標修正與局部化分析 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展的分形特征 231
7.3.1 基于MATLAB的煤巖裂紋擴展分形計算 231
7.3.2 基于MATLAB的盒維數(shù)法分形維數(shù)計算 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)的關系 233
7.4.1 常規(guī)全沖擊時試樣表面裂紋分形維數(shù)演化特征 233
7.4.2 局部沖擊時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)的耦合關系 238
7.4.5 型煤與原煤試樣表面裂紋分形維數(shù)對比 239
7.5 局部沖擊載荷作用下煤巖破斷面形貌的三維重構 241
7.5.1 破斷面形貌的三維重構方法 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)計算方法概述 243
7.6.2 粗糙表面分形維數(shù)計算的二次改進立方體覆蓋法 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)的關系 250
7.7 本章小結 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 試驗系統(tǒng)與方案 255
8.2.1 試驗系統(tǒng)介紹 255
8.2.2 試驗方案 257
8.3 局部偏心載荷作用下煤巖損傷過程聲發(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)關聯(lián)分析 268
8.3.4 局部偏心載荷對b值影響分析 271
8.4 局部偏心載荷作用下煤巖損傷時空演化規(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 試驗概況 289
8.5.2 局部沖擊載荷作用下煤巖的動力響應特征 291
8.6 基于紅外熱成像的局部沖擊對煤巖損傷的影響 299
8.6.1 紅外視頻溫度動態(tài)監(jiān)測成像與分析軟件開發(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 309
8.7.2 局部沖擊載荷作用下煤巖熱輻射溫度場局部化效應 310
8.8 本章小結 310
第9章 非均勻載荷作用下煤體力學響應的數(shù)值分析 314
9.1 數(shù)值模擬方法介紹 314
9.1.1 PFC2D程序計算原理 314
9.1.2 PFC2D平行黏結模型 316
9.1.3 ANSYS / LS - DYNA軟件與計算原理 317
9.1.4 ANSYS / LS - DYNA顯式算法簡介 318
9.2 局部偏心載荷作用下煤巖單軸壓縮力學響應模擬 318
9.2.1 模型建立與參數(shù)標定 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)單軸壓縮細觀力學行為 324
9.3 局部偏心載荷作用下煤巖三軸壓縮力學響應模擬 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行為 331
9.3.3 局部偏心載荷作用下煤巖三軸壓縮細觀力學行為 337
9.4 基于完全重啟動的局部循環(huán)沖擊載荷的實現(xiàn)方法 341
9.4.1 ANSYS / LS - DYNA完全重啟動 341
9.4.2 基于完全重啟動的局部循環(huán)沖擊實現(xiàn)方法 349
9.5 局部沖擊載荷作用下煤巖動力響應特性 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力響應特性 352
9.5.3 局部循環(huán)沖擊載荷作用下煤巖動力響應特性 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態(tài)破壞過程 360
9.6.2 局部循環(huán)沖擊次數(shù)對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系 366
9.6.4 局部沖擊加載面積與煤巖破壞模式的關系 370
9.7 本章小結 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 損傷力學理論 375
10.1.1 損傷力學研究任務 375
10.1.2 損傷變量的定義 376
10.1.3 常用損傷力學模型 377
10.2 基于Weibull分布的煤巖統(tǒng)計損傷本構模型 380
10.2.1 模型的基本假設 380
10.2.2 煤巖損傷模型的建立與修正 380
10.2.3 基于統(tǒng)計強度理論的煤巖損傷本構模型 382
10.2.4 基于統(tǒng)計強度理論的煤巖損傷本構模型參數(shù)的確定 384
10.2.5 基于統(tǒng)計強度理論的煤巖損傷本構模型的驗證 386
10.3 局部偏心載荷作用下煤巖統(tǒng)計損傷本構模型 387
10.3.1 統(tǒng)計損傷本構模型的建立 387
10.3.2 統(tǒng)計損傷本構模型的驗證 388
10.4 沖擊載荷作用下煤巖動態(tài)損傷本構模型 393
10.4.1 損傷變量的定義方法 393
10.4.2 煤巖動態(tài)統(tǒng)計損傷變量 395
10.4.3 常用力學元件模型 396
10.4.4 煤巖動態(tài)損傷本構模型的建立 398
10.4.5 煤巖動態(tài)損傷本構模型參數(shù)的確定 406
10.5 本章小結 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證 413
11.2 局部沖擊載荷作用下煤巖損傷機理探討 417
11.2.1 常規(guī)全沖擊載荷作用下煤巖損傷機理 417
11.2.2 局部沖擊載荷作用下煤巖損傷機理 418
11.3 本章小結 418
參考文獻 420