CN110646276A - 不同孔径煤岩体在单轴加载下特征时频损伤演化分析方法 - Google Patents

不同孔径煤岩体在单轴加载下特征时频损伤演化分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种不同孔径煤岩体在单轴加载下特征时频损伤演化分析方法,通过对不同孔径的煤岩体待测试块进行应力加载破坏试验,采集煤岩体待测试块在试验过程中的声发射信号,并根据声发射信号的能量贡献率对声发射信号进行筛选,然后根据筛选后的信号在应力应变曲线中选取煤岩体迅速破裂阶段,并对其进行时频分析,从而确定煤岩体上通孔的孔径大小对煤岩体破裂程度的影响情况,能够确定单轴加载作用下不同孔径煤岩体内部迅速破裂阶段损伤破坏模式的规律,为煤炭开采过程提供数据支撑,从而实现对应力集中部分进行有效的疏导卸压。

Description

不同孔径煤岩体在单轴加载下特征时频损伤演化分析方法
技术领域
本发明涉及煤炭资源开发领域,具体涉及一种不同孔径煤岩体在单轴加载下特征时频损伤演化分析方法。
背景技术
煤炭资源是我国重要的战略资源,同时也是我国能源资源结构组成不可或缺的一部分。而在伴随着煤炭资源的需求量日益增加,煤矿的开采深度也在逐步增加,深部采场所受的地应力也将急剧增大。并且在矿井采掘推进过程中,采场和巷道的围岩受到采掘扰动,对其造成不同程度破坏损伤,造成能量的积聚。当所积聚的能量达到煤岩体所能承受的极限,则会产生煤矿的动力灾害的显现,造成重大的人员伤亡和财产损失。因此,对其应力集中部分进行疏导卸压,降低由于采掘所带来的应力集中的研究变得尤为重要。
采场在高地应力采掘中,煤岩体在其开挖的轴向上表现出应力增加,而在其径向上则表现出应力的卸荷释放。同时大量的实验和工程实测的结果表明煤岩体损伤可划分为煤岩体的变形、裂隙的萌发和破裂演化,直至煤岩体宏观裂缝扩展破坏的全过程。而煤岩体的破裂力学表征则是关于能量积聚、损散等复杂岩石力学问题。国内众多学者就针对煤岩体损伤破坏进行了大量的基础性研究,通过研究表明:从细观角度分析大部分针对煤岩体的裂隙发育损伤、能量耗散与煤岩体的本构关系进行考量论证,以及从煤岩体内部能量释放所造成的破损来进行煤岩体的力学损伤分析,但是针对煤岩体有关应力集中区域不同孔径声发射波形时频特征分析的实验手段对损伤至破坏演化规律的分析研究尚不多见。
发明内容
本发明针对现有技术的不足,从而提供一种不同孔径煤岩体在单轴加载下特征时频损伤演化分析方法,具体方案如下:
一种不同孔径煤岩体在单轴加载下特征时频损伤演化分析方法,包括以下步骤:
步骤一、选取N个煤岩体待测试块,在其中N-1个所述待测试块上设置不同孔径的通孔;
步骤二、对N个所述待测试块分别进行应力加载破坏试验,在所述应力加载破坏试验过程中采集所述待测试块的声发射信号;
步骤三、每个所述待测试块采集到的n个声发射信号,计算每个声发射信号的能量与其对应频率的乘积,从而得到n个声发射信号的能量贡献率并对所述n个声发射信号的能量贡献率按照大小降序排列,然后计算每个声发射信号的累计能量贡献率;
Figure BDA0002256751050000021
其中,βi为第i个声发射信号的累计能量贡献率,ek为第k个声发射信号的能量,fk为第k个声发射信号对应的频率;i=1,2,3,···,n;
步骤四、计算累计能量贡献率在设定阈值范围内的声发射信号的能量平均值,根据所述能量平均值计算能量遴选阈值;
Figure BDA0002256751050000022
QS=maxE·R2+Q
其中Q为所述能量平均值,E为声发射信号的能量集合,QS为所述能量遴选阈值,maxE为声发射信号中的最大能量值,R为能量大于所述能量平均值的声发射信号数量与声发射信号总数量的比值;
步骤五、将能量大于所述能量遴选阈值的声发射信号作为对应待测试块的特征能量信号;在所述应力加载破坏试验过程中还采集所述待测试块的应力和振铃计数,从而得到每个待测试块的应力、振铃计数、累计能量和特征能量信号的时间变化图,根据所述时间变化图中应力的大小确定待测试块在进行所述应力加载破坏试验时的煤岩体迅速破裂阶段,对所述煤岩体迅速破裂阶段进行时域分析和频域分析。
基于上述,从所述应力加载破坏试验过程中得到的时域波形中将所述煤岩体迅速破裂阶段对应的波形提取出来,绘制提取出来波形的时域波形图,结合所述煤岩体迅速破裂阶段的振铃计数和特征能量信号,对待测试块进行内部损伤破裂形态时域分析。
基于上述,对所述煤岩体迅速破裂阶段对应的时域波形进行傅里叶变换,得到反应频率和幅值的频谱图,根据所述频谱图对待测试块在应力加载破坏试验过程中内部损伤破裂形态进行频域分析。
基于上述,根据所述时域分析和所述频域分析确定所述煤岩体迅速破裂阶段的特征信号损伤劣化时序,然后利用RA-AF关联分析法分析不同孔径下待测试块的损伤演化关系。
基于上述,所述时域分析的结果包括:
无孔的待测试块损伤破坏为间断式,有孔的待测试块损伤破坏为连续式;
待测试块在所述煤岩体迅速破裂阶段内应力集中使得待测试块最终发生整体剧烈破裂;
孔径的增大使得待测试块在所述煤岩体迅速破裂阶段内集中的应力快速释放导致待测试块快速损伤破坏。
基于上述,所述频域分析的结果包括:
傅里叶变换后随着孔径的增大主频减少,幅值表现出先减小后增大的趋势,有孔待测试块比无孔待测试块的振幅大;
无孔的待测试块在所述煤岩体迅速破裂阶段频谱图频率变化单一,主频表现为高频振动的疲劳损伤,大破裂面贯通造成破坏,有孔待测试块在所述煤岩体迅速破裂阶段频域构成表现为台阶状多级连续降低;
孔径的增加不会减缓待测试块在所述煤岩体迅速破裂阶段的破坏,反而会使有孔的待测试块在最终毁坏前出现一次大的损伤破裂引发幅值异变。
基于上述,所述RA-AF关联分析的结果包括:
随着孔径的增大待测试块最终破坏时呈现多种劣损形式纠缠并发;
孔径的增大使所述煤岩体迅速破裂阶段内待测试块破裂数量明显下降,通过应力变化情况得出裂纹发育的减少避免了应力的积聚;
随着孔径的变大从特征能量信号分布确定待测试块关键破坏由单一破坏转变为分级多模式加载破坏,使待测试块在所述煤岩体迅速破裂阶段积聚的应力得到疏导;
孔径大的待测试块出现局部应力快速释放,不足以产生新的关键损伤破坏。
与最接近的现有技术相比,本发明提供的技术方案具有如下优异效果:
本发明通过对不同孔径的煤岩体待测试块进行应力加载破坏试验,采集煤岩体待测试块在试验过程中的声发射信号,并根据声发射信号的能量贡献率对声发射信号进行筛选,然后根据筛选后的信号在应力应变曲线中选取煤岩体迅速破裂阶段,并对其进行时频分析,可以确定煤岩体上通孔的孔径大小对煤岩体破裂程度的影响情况,能够确定单轴加载作用下不同孔径煤岩体内部迅速破裂阶段损伤破坏模式的规律,为煤炭开采过程提供数据支撑,从而实现对应力集中部分进行有效的疏导卸压。
附图说明
图1为本发明实例的方法流程图;
图2为本发明实例中待测试块示意图;
图3为本发明实例中C0的应力-应变-振铃计数-累计能量-特征信号响应曲线图;
图4为本发明实例中C1的应力-应变-振铃计数-累计能量-特征信号响应曲线图;
图5为本发明实例中C2的应力-应变-振铃计数-累计能量-特征信号响应曲线图;
图6为本发明实例中C0煤岩体迅速破裂阶段波形图;
图7为本发明实例中C1煤岩体迅速破裂阶段波形图;
图8为本发明实例中C2煤岩体迅速破裂阶段波形图;
图9为本发明实例中C0煤岩体迅速破裂阶段频谱图;
图10为本发明实例中C1煤岩体迅速破裂阶段频谱图;
图11为本发明实例中C2煤岩体迅速破裂阶段频谱图;
图12为本发明实例中C0煤岩体RA-AF损伤分析图;
图13为本发明实例中C1煤岩体RA-AF损伤分析图;
图14为本发明实例中C2煤岩体RA-AF损伤分析图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中,术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接;可以是直接相连,也可以通过中间部件间接相连,对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
如图1所示为本发明的方法流程图,本发明利用声发射在煤岩体损伤至破坏所产生的事件数来表征不同卸压孔径下的内部演化过程,声发射(AE)是煤岩体损伤破坏过程中伴随发生的一种物理现象,是指煤岩体受到外部荷载或者在其内力作用下出现细微裂纹或裂隙至整体破坏的瞬间时,应变能将以弹性波的形式极速对外进行释放的现象。
一、试验准备
本实施例以新疆乌鲁木齐市煤矿为研究区域进行煤样钻取,乌鲁木齐位于天山山脉北部,常年降水稀少,气候干燥,煤层赋存条件复杂构造应力集中。所以乌鲁木齐煤田煤岩体含水性低,持水性极强,表现为脆性煤岩体。因此在采掘扰动和高应力集中作用下煤岩体极易发生动力灾害。乌鲁木齐宽沟煤矿煤层总厚度为9.0m,平均夹角约为14°。
本实施例中试块为方形立方体,尺寸为50mm×50mm×50mm,包括C0、C1和C2共3块,并采用水刀切割钻孔对其中的C1和C2两个试块进行贯通钻孔,半径分别为r=5mm和r=10mm。
采用KJ743型煤矿地应力监测系统同步采集地应力数据,地应力监测传感器分别位于45#煤层回采工作面南巷180、220、250、290、330、360、400、430m处,每组传感器均包括深、浅基点传感器各1个。其中,深、浅基点传感器的埋设深度分别为10.0m和5.0m。深、浅基点传感器的地应力数值变化基本保持一致,并在监测时段内出现垂直地应力的小幅度波动,均可视为工作面开采扰动应力的影响。
实测垂直地应力数值为6.8~7.0MPa,最小水平主应力数值约为7.6~8.4MPa,340~400m内小范围最小水平主应力出现应力数值的小幅度增大,可判定为开采扰动影响所致。最大水平主应力分布较均匀,基本维持在10.0MPa左右,400~480m靠近南巷处,最大水平主应力增大,约为13.0MPa。此外,工作面220~290m范围内最大水平主应力出现局部性突增,250m处数值最大,达到28.8MP。
本实施例采用RMT-150B岩石力学试验系统,使用RMT-150B岩石力学试验系统对钻孔煤岩体进行垂交孔洞轴向施加0.2kN/s的应力控制加载,该装置可以自行设置试验步骤,由计算机控制完成;同时,也可进行人为操控进行试验参数设置。声发射监测使用DS5全信息声发射信号分析仪,声发射监测参数:信号门槛为40dB,前置放大器和主放大器增益均为40dB,滤波器带宽选为0kHz~400kHz,采样频率3MHz,峰值鉴别时间50us,撞击锁闭时间300us,使用RMT-150B岩石力学试验系统对试块使用0.2kN/s的应力控制进行加载破坏,同时,在加载过程中使用相机对试块裂纹实时拍摄,DS5全信息声发射信号分析仪在试块的左右两侧各布置一个声发射探头对试块进行监测,如图2所示,图2中1为待测试块,2和3为AE探头,4为待测试块上的通孔。在试块进行声发射监测前对其进行声速标定,同时还需进行断铅实验确认数据采集前各个仪器连接和介绍状态良好。
二、煤岩体损伤划分
声发射在煤岩体损伤破裂过程中监测到大量的信号,其中大量的低能信号对应着岩石损伤破裂各个阶段内岩体裂隙压密压实、裂纹萌生扩展、损伤面相对位移产生的摩擦滑移等细观损伤事件。而这些低能信号由于数量庞大因此常常将一些煤岩体在压缩破坏过程中关键的信号数据淹没从而无法进行快速分析得出特征规律。所以针对不同孔径煤岩体损伤分析,构建关于信号能量贡献率的方式对声发射监测到的煤岩体损伤破裂的特征信号进行遴选,并且这些能量特征信号能很好的对应关键力学特征。将收集到的信号si(1≤i≤n)看成一个整体S,则S=[s1,s2,s3,...sn-1,sn],岩石损伤破裂中所监测到信号si携带能量ei,那么破坏全过程监测到的能量E=[e1,e2,e3,...en-1,en]。
每个待测试块采集到n个声发射信号,计算每个声发射信号的能量与其对应频率的乘积,从而得到n个声发射信号的能量贡献率并对n个声发射信号的能量贡献率按照大小降序排列,然后计算每个声发射信号的累计能量贡献率;
Figure BDA0002256751050000071
其中,βi为第i个声发射信号的累计能量贡献率,ek为第k个声发射信号的能量,fk为第k个声发射信号对应的频率;i=1,2,3,···,n。
计算累计能量贡献率在设定阈值范围内的声发射信号的能量平均值,根据所述能量平均值计算能量遴选阈值,本实施例中由于考虑到煤岩本身存在各向异性,因此岩石损伤破裂会出现差异,这就造成所监测到信号携带的能量就会出现差异,因此设定阈值范围选择85%~95%;
Figure BDA0002256751050000072
QS=maxE·R2+Q (3)
其中Q为所述能量平均值,E为声发射信号的能量集合,QS为所述能量遴选阈值,maxE为声发射信号中的最大能量值,R为能量大于所述能量平均值的声发射信号数量与声发射信号总数量的比值;
最终遴选后所得到的破坏前兆AE特征能量信号集合SF为:
SF={si|E(i)≥QS,i=1,2,...,n} (4)
根据特征能量信号遴选方法所得AE特征能量阈值QS、特征能量信号情况及数量占比结果见表1。
表1 AE特征能量信遴选结果
Figure BDA0002256751050000073
遴选后信号剔除了大量低能信号,使分析的信号明显的减少,仅占全部信号的0.004755‰~1.75‰。随着孔径增加煤岩体垂交受载全过程特征能量信号数量由1个增加到8个。由此可以看出无孔煤岩体受载全过程受载一直处于应力中集中状态。钻孔煤岩体C1和C2随着孔径的增大,特征能量信号所占比例减少了约29.88%。表明大孔径煤岩体C2受载过程中出现局部应力的集中产生了损伤破坏,因此产生大量声发射信号。
通过大量现场监测和实验分析结果表明煤岩体加载过程中可划分为原生裂隙压密、弹性阶段、快速破裂阶段以及峰后阶段。所以将煤岩体垂交受载全过程应力-应变划分为四个阶段。煤岩体在垂交受载过程中在快速破裂阶段弹性模量快速变化,使其裂纹剧烈扩展破裂,与煤层采掘发生动力灾害显现相似。因此为探究煤岩体快速破裂机理,选择煤岩体垂向受载应力—应变曲线快速破裂阶段分析。煤岩体加载过程中应力、应变、振铃计数、特征能量信号及能量累计随时间变化关系如图3至图5所示。从图中可以看出煤岩体在原岩和不同压孔的作用下其内部损伤破裂演化共经历了4个阶段。
(1)内部裂隙压密阶段Ⅰ(应力水平0~40%):该阶段煤岩体内部微裂纹及裂隙压实闭合,应力-应变曲线下凹。该阶段声发射表现出振铃计数和累计能量呈现出随着钻孔孔径的增加而变大的趋势;
(2)沉寂储能阶段Ⅱ(应力水平40%~90%):该阶段原有裂纹继续压实同时新裂隙萌发,煤岩体应力-应变关系近似为线性正相关。声发射振铃计数相对稳定,累计能量曲线逐步快速上升,随着孔径半径的增加该阶段内的振铃计数增加和累计能量呈增大的趋势;
(3)快速破裂阶段Ⅲ(应力水平90%~100%):该阶段裂纹快速交叉贯通扩展形成破裂,整个试块宏观形成破裂破坏。应力快速上升,弹性模量快速增大,振铃计数和累计能量极速增加,随着钻孔孔径的变大累计能量表现出变大的趋势;
(4)峰后阶段Ⅳ:试块内部形成贯通主破坏面,使得承载能力迅速下降,但仍具有一定的承载力,因此在该阶段声发射振铃计数也极速减少并保持在一个极低的水平并且累计能量基本保持不变。
表2不同孔径试块抗压强度及声发射能量
Figure BDA0002256751050000081
Figure BDA0002256751050000091
从图3至图5可以看出钻后煤岩体抗压强度降低51.65%,钻孔对抗压强度有明显降低效果,达到对煤岩体减弱应力积聚效果。完全破裂处特征能量信号事件数呈现出先减少后增大的趋势,煤岩体在该处整体事件数下降约为99.67%,大孔径煤岩体事件数同比小孔径煤岩体增长17.61%。表明煤岩体利用钻孔的方式将完全破裂时破裂事件降低对煤岩积聚的应力疏导。但钻孔后煤岩体累计能量整体下降约为99%呈现减少的趋势,孔径的增大使得在该阶段贯通处关键位置能量增长46.36%。表明增大钻孔孔径会出现能量积聚,在煤岩体最终破坏时会出现能量快速释放,造成孔壁处岩爆现象。
三、煤岩体迅速破裂阶段时域分析
根据损伤演化划分结果,截选出快速破裂阶段的时间。利用所截选的时间使用自编程序从加载损伤全过程时域波形中挑选出快速破裂阶段的波形,绘制该阶段时域波形图,如图6至8所示。声发射接收到的信号在时域上表现为波形离散和波形连续的特性,结合该阶段振铃计数、特征能量信号等特征对内部损伤破裂形态进行推演分析。
如图6至8所示,通过截选出的波形,煤岩体损伤的连续性可以看出:无钻孔煤岩体C0损伤破坏为间断式发生;随着钻孔孔径增大煤岩体损伤破坏转变为连续。表明在快速破裂阶段并非是煤岩体裂纹贯通导致破裂,而是应力集中使得煤岩体最终发生整体剧烈破裂。对比煤岩体C1时域特性,钻孔煤岩体C1和C2整个阶段煤岩体的破裂是由连续的裂隙的萌发、裂纹扩展最终使得煤岩体最终破坏。但是随着孔径的增加波形开始区域集中,表明此时小孔径煤岩体C1稳定持续破坏而大孔径煤岩体C2则在该阶段快速集中损伤破裂。通过对不同孔径煤岩体特征能量信号对比,孔径增大后破裂关键位置集中并且由3个关键破裂减少为2个。表明孔径的增大使得煤岩在快速破裂阶段集中的应力快速释放导致煤岩体快速损伤破坏。
四、煤岩体迅速破裂阶段频域分析
声发射监测到的损伤应力波是不同时刻煤岩体破裂引发的应力波叠加后的连续非周期性波形。对于任何波函数都可以拆解成不同幅值频率的正弦函数。因此,每个损伤破裂能量事件都可以表征为一个正弦函数。所以将损伤波形进行傅里叶变换后频谱图表征为煤岩体每个损伤破裂的频率和幅值,从而达到快速破裂阶段损伤破裂推演。
傅里叶变换后主频随着孔径的增大主频减少了65.22%,幅值表现出先减小后增大的趋势(如图9至11所示),钻孔煤岩体C2同比钻孔煤岩体振幅C0增加244.98%。可以看出孔径的过度增大,导致微裂纹急速扩展、张开。无孔煤岩体C0在该阶段频谱图频率变化单一,主频突出表现为高频振动的疲劳损伤,大破裂面贯通造成破坏。钻孔煤岩体C1和C2在该阶段频域构成丰富表现为台阶状多级连续降低。表明在该阶段煤岩体存在多级分层次裂纹扩展贯通,最终致使试块破裂。对比孔径变化后的频谱图幅值台阶状降低减弱,表明煤岩体在进行孔径增大后的C2破坏并没有出现减缓破坏。反观与煤岩体C1幅值逐步缓慢减小对比可以看出煤岩体C2在主频后方出现一次大的幅值突增,表明煤岩体C2最终毁坏前出现一次大的损伤破裂引发幅值异变。
五、煤岩体迅速破裂阶段损伤演化分析
煤岩体在快速破裂阶段破裂方式为拉张破坏和剪切破坏。煤岩体该阶段破坏过程中试块发生拉张破坏引发裂纹侧向拉伸扩张,表现出信号高频低幅值;试块剪切破坏时,剪切面上下摩擦错动,信号表现出低频高幅值特性。利用RA Value-Average Frequency(RA-AF)关联分析法根据波形和频谱分析得出的特征信号损伤劣化的时序性,建立起煤岩体损伤演化关系。
处理后的RA-AF关系如图12至14所示,随着孔径的增大煤岩体最终破坏时多种劣损形式纠缠并发。同时孔径的增大该阶段内煤岩体破裂数量明显下降,而通过应力变化情况可以看出裂纹发育的减少能有效避免应力的积聚。并且在加载过程中随着钻孔变化从特征能量信号分布可以看出煤岩体关键破坏由单一破坏转变为分级多模式加载破坏,使煤岩体在快速破裂阶段积聚的应力有效的疏导。对比不同孔径煤岩体C1和C2特征能量信号减少和损伤破坏形式发生改变,表明大孔径钻孔煤岩体出现局部应力快速释放,不足以产生新的关键损伤破坏。
通过RA-AF分析判定煤岩体在快速破裂阶段后的损伤破裂形式,无孔煤岩体C0在该阶段加载破坏初期破坏对煤岩体并不起主导作用。此时的煤岩体一直处于应力集中状态,未能对积蓄应力进行有效疏导,最终中部拉张破坏导致试块崩解应力释放。反观钻孔煤岩体在该阶段加载破坏时,裂纹的萌发扩展破坏与之无孔煤岩体C0相比有很大程度降低,只由关键破裂导致煤岩体破坏。从边界关键剪切破坏逐步过渡到孔洞周边进行拉张与剪切混合破坏,但是孔径的增大使得关键拉张破坏裂纹减少。因此通过减少拉张关键裂纹和多级破裂的方式,钻孔煤岩体有效避免了应力积蓄使应力及时疏导。但是孔径的增大使得关键破坏减少,并且在孔洞内部出现岩爆现象,说明此时的煤岩体破坏出现孔洞周边区域应力集中,使得应力快速释放。
六、总结
(1)本发明中钻孔后煤岩体在快速破裂阶段弹性模量变化速率快速增快,抗压强度和累计能量整体呈现下降趋势。但在孔径增大后声发射在特征能量信号位置处表现出煤岩体完全破裂时能量和事件数有着明显增高。
(2)煤岩体孔径的增大导致在时域上关键损伤破裂开始集中出现,煤岩体在快速破裂阶段关键破裂位置数目减少。孔径的增大煤岩体导致孔壁周边出现应力集中,极易发生岩爆。
(3)无孔煤岩体在快速破裂阶段为高频振动间歇微裂纹导致煤岩体损伤破裂。在应力积聚作用下,煤岩体由一个关键拉张裂纹导致破坏。钻孔煤岩体该阶段为低频连续振动,裂纹萌发扩展并最终贯通导致试块整体拉张破坏。在快速破裂阶段煤岩体由多处关键破坏,使其在该阶段形成阶梯式破坏,避免了应力集中让煤岩体将应力有效地疏导。
以上所述仅为本发明的优选实施例,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种不同孔径煤岩体在单轴加载下特征时频损伤演化分析方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一、选取N个煤岩体待测试块,在其中N-1个所述待测试块上设置不同孔径的通孔;
步骤二、对N个所述待测试块分别进行应力加载破坏试验,在所述应力加载破坏试验过程中采集所述待测试块的声发射信号;
步骤三、每个所述待测试块采集到n个声发射信号,计算每个声发射信号的能量与其对应频率的乘积,从而得到n个声发射信号的能量贡献率并对所述n个声发射信号的能量贡献率按照大小降序排列,然后计算每个声发射信号的累计能量贡献率;
Figure FDA0002256751040000011
其中,βi为第i个声发射信号的累计能量贡献率,ek为第k个声发射信号的能量,fk为第k个声发射信号对应的频率;i=1,2,3,···,n;
步骤四、计算累计能量贡献率在设定阈值范围内的声发射信号的能量平均值,根据所述能量平均值计算能量遴选阈值;
Figure FDA0002256751040000012
QS=max E·R2+Q
其中Q为所述能量平均值,E为声发射信号的能量集合,QS为所述能量遴选阈值,max E为声发射信号中的最大能量值,R为能量大于所述能量平均值的声发射信号数量与声发射信号总数量的比值;
步骤五、将能量大于所述能量遴选阈值的声发射信号作为对应待测试块的特征能量信号;在所述应力加载破坏试验过程中还采集所述待测试块的应力和振铃计数,从而得到每个待测试块的应力、振铃计数、累计能量和特征能量信号的时间变化图,根据所述时间变化图中应力的大小确定待测试块在进行所述应力加载破坏试验时的煤岩体迅速破裂阶段,对所述煤岩体迅速破裂阶段进行时域分析和频域分析。
2.根据权利要求1所述的不同孔径煤岩体在单轴加载下特征时频损伤演化分析方法,其特征在于:从所述应力加载破坏试验过程中得到的时域波形中将所述煤岩体迅速破裂阶段对应的波形提取出来,绘制提取出来波形的时域波形图,结合所述煤岩体迅速破裂阶段的振铃计数和特征能量信号,对待测试块进行内部损伤破裂形态时域分析。
3.根据权利要求1或2所述的不同孔径煤岩体在单轴加载下特征时频损伤演化分析方法,其特征在于:对所述煤岩体迅速破裂阶段对应的时域波形进行傅里叶变换,得到反应频率和幅值的频谱图,根据所述频谱图对待测试块在应力加载破坏试验过程中内部损伤破裂形态进行频域分析。
4.根据权利要求3所述的不同孔径煤岩体在单轴加载下特征时频损伤演化分析方法,其特征在于:根据所述时域分析和所述频域分析确定所述煤岩体迅速破裂阶段的特征信号损伤劣化时序,然后利用RA-AF关联分析法分析不同孔径下待测试块的损伤演化关系。
5.根据权利要求2所述的不同孔径煤岩体在单轴加载下特征时频损伤演化分析方法,其特征在于:所述时域分析的结果包括:
无孔的待测试块损伤破坏为间断式,有孔的待测试块损伤破坏为连续式;
待测试块在所述煤岩体迅速破裂阶段内应力集中使得待测试块最终发生整体剧烈破裂;
孔径的增大使得待测试块在所述煤岩体迅速破裂阶段内集中的应力快速释放导致待测试块快速损伤破坏。
6.根据权利要求3所述的不同孔径煤岩体在单轴加载下特征时频损伤演化分析方法,其特征在于:所述频域分析的结果包括:
傅里叶变换后随着孔径的增大主频减少,幅值表现出先减小后增大的趋势,有孔待测试块比无孔待测试块的振幅大;
无孔的待测试块在所述煤岩体迅速破裂阶段频谱图频率变化单一,主频表现为高频振动的疲劳损伤,大破裂面贯通造成破坏,有孔待测试块在所述煤岩体迅速破裂阶段频域构成表现为台阶状多级连续降低;
孔径的增加不会减缓待测试块在所述煤岩体迅速破裂阶段的破坏,反而会使有孔的待测试块在最终毁坏前出现一次大的损伤破裂引发幅值异变。
7.根据权利要求4所述的不同孔径煤岩体在单轴加载下特征时频损伤演化分析方法,其特征在于:所述RA-AF关联分析的结果包括:
随着孔径的增大待测试块最终破坏时呈现多种劣损形式纠缠并发;
孔径的增大使所述煤岩体迅速破裂阶段内待测试块破裂数量明显下降,通过应力变化情况得出裂纹发育的减少避免了应力的积聚;
随着孔径的变大从特征能量信号分布确定待测试块关键破坏由单一破坏转变为分级多模式加载破坏,使待测试块在所述煤岩体迅速破裂阶段积聚的应力得到疏导;
孔径大的待测试块出现局部应力快速释放,不足以产生新的关键损伤破坏。
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