CN114935508A - 基于损伤分析的煤岩环向膨胀特征参数确定方法 - Google Patents

基于损伤分析的煤岩环向膨胀特征参数确定方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114935508A
CN114935508A CN202210879814.1A CN202210879814A CN114935508A CN 114935508 A CN114935508 A CN 114935508A CN 202210879814 A CN202210879814 A CN 202210879814A CN 114935508 A CN114935508 A CN 114935508A
Authority
CN
China
Prior art keywords
coal rock
unloading
determining
expansion
axial
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202210879814.1A
Other languages
English (en)
Inventor
周天白
程健
张晓雨
王广福
孙闯
田文龙
骆意
石林松
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Coal Research Institute Co Ltd
Original Assignee
General Coal Research Institute Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by General Coal Research Institute Co Ltd filed Critical General Coal Research Institute Co Ltd
Priority to CN202210879814.1A priority Critical patent/CN114935508A/zh
Publication of CN114935508A publication Critical patent/CN114935508A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/08—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying steady tensile or compressive forces
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/32—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying repeated or pulsating forces
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/0001—Type of application of the stress
    • G01N2203/0003—Steady
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/0001—Type of application of the stress
    • G01N2203/0005—Repeated or cyclic
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/0014—Type of force applied
    • G01N2203/0016—Tensile or compressive
    • G01N2203/0019—Compressive
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/0058—Kind of property studied
    • G01N2203/0069—Fatigue, creep, strain-stress relations or elastic constants
    • G01N2203/0075—Strain-stress relations or elastic constants
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/14—Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)

Abstract

本申请提出了一种基于损伤分析的煤岩环向膨胀特征参数确定方法，涉及煤岩检测技术领域，该方法包括：获取待检测煤岩的第一样本和第二样本；对第一样本进行轴向压缩实验，获取应力峰值；基于应力峰值确定多个循环加卸载轴向应力测试值，并基于多个循环加卸载轴向应力测试值对第二样本进行循环加卸载实验，获取轴向应变值和煤岩损伤；基于煤岩损伤确定每个循环加卸载轴向应力测试值对应的环向膨胀系数，并基于轴向应变值和环向膨胀系数确定环向膨胀特征参数。通过轴向实验计算待测煤岩环向膨胀系数，并以此确定环向膨胀特征参数，相较于传统方法对煤岩环向膨胀的定性分析，本申请为煤岩环向膨胀效应的定量描述提供了参数标准和计算方法。

Description

基于损伤分析的煤岩环向膨胀特征参数确定方法
技术领域
本申请涉及煤岩检测技术领域，尤其涉及一种基于损伤分析的煤岩环向膨胀特征参数确定方法。
背景技术
煤岩检测中的环向应变演化过程存在膨胀效应，加载开始后，环向应变逐渐增大；随着进一步加载，环向应变增长速率逐渐增大；在残余阶段，环向应变随着轴向应变增大近似线性增大。围压对煤岩的环向膨胀具有约束作用，围压越小，环向应变膨胀效应越明显。煤岩环向膨胀效应研究，是构建煤岩本构模型的基础，对于研究岩爆、滑坡、巷道变形等现场工程问题具有重要意义。
目前，尚无相关方法对煤岩环向膨胀效应进行描述与表征。为了直观划分煤岩的环向膨胀过程，评估环向膨胀特征参数，有必要提出一种煤岩材料环向膨胀特征参数确定方法。实际上，煤岩环向应变的膨胀过程与煤岩内部损伤的演化过程密切相关，两者均反映出煤岩材料力学性质由弹性主导转向塑性主导的演化过程。
发明内容
本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本申请的一个目的在于提出一种基于损伤分析的煤岩环向膨胀特征参数确定方法。
本申请的第二个目的在于提出一种基于损伤分析的煤岩环向膨胀特征参数确定装置。
本申请的第三个目的在于提出一种电子设备。
本申请的第四个目的在于提出一种非瞬时计算机可读存储介质。
为达上述目的，本申请第一方面实施方式提出了一种基于损伤分析的煤岩环向膨胀特征参数确定方法，包括：获取待检测煤岩的第一样本和第二样本；对第一样本进行轴向压缩实验，以获取第一样本的应力峰值；基于应力峰值确定多个循环加卸载轴向应力测试值，并基于多个循环加卸载轴向应力测试值对第二样本进行循环加卸载实验，以获取每个循环加卸载轴向应力测试值对应的轴向应变值，同时获取每个循环加卸载轴向应力测试值对应的煤岩损伤；基于煤岩损伤确定每个循环加卸载轴向应力测试值对应的环向膨胀系数，并基于轴向应变值和环向膨胀系数确定待检测煤岩的环向膨胀特征参数。
根据本申请的一个实施方式，基于轴向应变值和环向膨胀系数确定待检测煤岩的环向膨胀特征参数，包括：基于环向膨胀系数和轴向应变值生成环向膨胀系数-轴向应变曲线；基于环向膨胀系数-轴向应变曲线确定待测煤岩的初始膨胀系数、极限膨胀系数、初始膨胀应变和残余膨胀应变。
根据本申请的一个实施方式，基于环向膨胀系数-轴向应变曲线确定初始膨胀系数、极限膨胀系数、初始膨胀应变和残余膨胀应变，包括：确定环向膨胀系数-轴向应变曲线的初始阶段、加速膨胀阶段和残余阶段；确定初始阶段和加速膨胀阶段临界点的环向膨胀系数为初始膨胀系数，确定初始阶段和加速膨胀阶段临界点的轴向应变为初始膨胀应变，确定加速膨胀阶段和残余阶段临界点的环向膨胀系数为极限膨胀系数，确定加速膨胀阶段和残余阶段临界点的轴向应变为极限膨胀应变。
根据本申请的一个实施方式，获取每个循环加卸载轴向应力测试值对应的煤岩损伤，包括：获取每个循环加卸载轴向应力测试值对应的第二样本的损伤弹性模量；基于损伤弹性模量确定每个循环加卸载轴向应力测试值对应的煤岩损伤。
根据本申请的一个实施方式，基于损伤弹性模量确定每个循环加卸载轴向应力测试值对应的煤岩损伤，包括：获取第二样本的初始弹性模量和弹性模量损失系数；基于初始弹性模量、损伤弹性模量和弹性模量损失系数确定煤岩损伤；计算煤岩损伤的公式为：D=(1-E/E0)/α，其中，D为煤岩损伤，α为弹性模量损失系数，E为损伤弹性模量，E0为初始弹性模量。
根据本申请的一个实施方式，弹性模量损失系数的获取方法，包括：获取第二样本基于循环加卸载实验的在残余阶段下的残余弹性模量；基于残余弹性模量和初始弹性模量确定弹性模量损失系数；基于残余弹性模量和初始弹性模量确定弹性模量损失系数；α=(E0-Er)/E0其中E0为初始弹性模量，Er为残余弹性模量，α为弹性模量损失系数。
根据本申请的一个实施方式，基于煤岩损伤确定每个循环加卸载轴向应力测试值对应的环向膨胀系数，包括：获取待检测煤岩的标准泊松比和材料参数，以及获取循环加卸载实验的设定围压值；基于标准泊松比、材料参数、煤岩损伤、围压值影响系数和设定围压值确定每个循环加卸载轴向应力测试值对应的环向膨胀系数；计算环向膨胀系数的公式为：μ=μ0+(h-g*σ3)*D其中，μ0为标准泊松比，h为材料参数，g为围压影响系数，D为煤岩损伤，μ为环向膨胀系数，σ3为循环加卸载实验的设定围压值。
为达上述目的，本申请第二方面实施例提出了一种基于损伤分析的煤岩环向膨胀特征参数确定装置，包括：获取模块，用于获取待检测煤岩的第一样本和第二样本；第一实验模块，用于对第一样本进行轴向压缩实验，以获取第一样本的应力峰值；第二实验模块，用于基于应力峰值确定多个循环加卸载轴向应力测试值，基于多个循环加卸载轴向应力测试值对第二样本进行循环加卸载实验，以获取每个循环加卸载轴向应力测试值对应的轴向应变值，同时获取每个循环加卸载轴向应力测试值对应的煤岩损伤；处理模块，用于基于煤岩损伤确定每个循环加卸载轴向应力测试值对应的环向膨胀系数，并基于轴向应变值和环向膨胀系数确定待检测煤岩的环向膨胀特征参数。
为达上述目的，本申请第三方面实施例提出了一种电子设备，包括：至少一个处理器；以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以实现如本申请第一方面实施例所述的基于损伤分析的煤岩环向膨胀特征参数确定方法。
为达上述目的，本申请第四方面实施例提出了一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，其中，所述计算机指令用于实现如本申请第一方面实施例所述的基于损伤分析的煤岩环向膨胀特征参数确定方法。
基于循环加卸载实验获取待测煤岩环向膨胀系数，并以此确定环向膨胀特征参数，相较于传统方法对煤岩环向膨胀的定性分析，本申请为煤岩环向膨胀效应的定量描述提供了参数标准和计算方法。
附图说明
图1是本申请一个实施方式的一种基于损伤分析的煤岩环向膨胀特征参数确定方法的示意图；
图2是本申请一个实施方式的一种循环加卸载轴向应力-轴向应变曲线；
图3是本申请一个实施方式的领一种基于损伤分析的煤岩环向膨胀特征参数确定方法的示意图；
图4是本申请一个实施方式的一种环向膨胀系数-轴向应变曲线；
图5是本申请一个实施方式的领一种基于损伤分析的煤岩环向膨胀特征参数确定方法的示意图；
图6是本申请一个实施方式的领一种基于损伤分析的煤岩环向膨胀特征参数确定方法的示意图；
图7是本申请一个实施方式的一种基于损伤分析的煤岩环向膨胀特征参数确定装置的结构框图；
图8是本申请一个实施方式的一种电子设备的结构框图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
图1为本申请提出的一种基于损伤分析的煤岩环向膨胀特征参数确定方法的一种示例性实施方式的示意图，如图1所示，该基于损伤分析的煤岩环向膨胀特征参数确定方法包括以下步骤：
S101，获取待检测煤岩的第一样本和第二样本。
煤由植物遗体转变而成的层状固体可燃矿产，为含煤岩系的重要组成部分，位于顶、底板岩石之间。煤层的厚度、层数、煤质和埋藏深度等是确定煤田经济价值及煤矿建设的重要依据。煤岩按照结构、性质成因等可分为镜煤、丝煤、亮煤和暗煤等，按照埋藏深度可分为深层煤、浅层煤等。
在本申请实施例中，待检测煤岩可以是实地采集的，也可为加工合成的，此处不作任何限定。可以理解的是，不同埋藏深度不同种类的煤岩制备方法可为不同，具体需要根据实际情况进行设定。
在获取到待检测煤岩后，可对待检测煤岩进行加工处理。该加工处理方法可为多种，举例来说，可对待检测煤岩进行切割、打磨等处理。
需要说明的是，第一样本和第二样本为性质相同的样本，该性质可包括大小、形状、构成、密度等。
本申请实施例的第一样本和第二样本可为多组，以便获取多种场景和数据下的实验结果，提高准确度。
举例来说，可根据中国规范标准《工程煤岩标准实验方法》（GB/T 50266-2013），将工程现场采集的岩芯加工成尺寸为 50×100mm的标准圆柱试样，制备第一样本和第二样本两组煤岩试样。
以此，通过制备相同的第一样本和第二样本，，以此，对第一样本和第二样本进行实验产生的结果才具有参考性和借鉴性，提升实验的准确性。
需要说明的是，第一样本、第二样本为待测煤岩采取制成，它们的特征参数与待测煤岩的特征参数为同一值。
S102，对第一样本进行轴向压缩实验，以获取第一样本的应力峰值。
需要说明的是，应力峰值是指在轴向压缩实验中，不断地对样本施加轴向应力，样本的轴向应变不再变化的临界值。应力峰值与煤岩的结构相关，同时与煤岩周围的围压存在关联。
围压是指煤岩的周围岩体对它施加的压力。在地下深处煤岩的围压，主要是由上覆煤岩的重量所致，常称为静岩压力。地壳煤岩的围压随埋深的增加而增高，两者大体呈线性关系，非均匀的各向压缩能增强煤岩的弹、韧性，并提髙煤岩的强度。本申请实施例中是通过实验来模拟不同场景下的围压值，并进行轴向压缩实验。
需要说明的是，本申请实施例中的轴向压缩实验可为多种，举例来说，可为单轴压缩实验，也可为分别进行单轴压缩实验和三轴压缩实验，具体需要根据实际的测试需求进行设定，可选地，不同的煤岩种类选择的轴向压缩实验可为不同，可选地不同的煤岩环境需要选择的轴向压缩实验可为不同，此处不作任何限定。
其中，三轴压缩实验可以对第一样本的空间三个坐标方向上施加压力。实验时先通过压力室内的有压液体，使第一样本在三个轴向受到相同的围压，并维持整个实验过程不变。然后通过活塞向第一样本施加垂直轴向压力，直到第一样本剪坏，以获取应力峰值。单双轴压缩实验是一种测定单轴或双轴岩体变形指标的原位实验方法。在第一样本上切四个相互垂直的狭槽，在两两相对的狭槽内分别或同时埋入钢枕，通过钢枕对岩体加压，测定岩体变形值，并按弹性力学单向或双向受压公式计算出变形模量和应力峰值。
S103，基于应力峰值确定多个循环加卸载轴向应力测试值，并基于多个循环加卸载轴向应力测试值对第二样本进行循环加卸载实验，以获取每个循环加卸载轴向应力测试值对应的轴向应变值，同时获取每个循环加卸载轴向应力测试值对应的煤岩损伤。
需要说明的是，循环加卸载实验设定的围压值和轴向压缩实验设定的围压值为同一值，以此，在轴向压缩实验中获取的应力峰值可以应用到循环加卸载实验中，可以确保实验的准确性。
轴向应力达到应力峰值后，轴向应变不再变化，此时可认为煤岩的形变也不再发生变化，可以推断出环向应变也不再变化，由此，通过以应力峰值为临界点，观察加载轴向应力和卸载轴向应力环向应变的变化规律，以此，可以分析出环向应变和轴向应力的关系，以及环向应变基于轴向应力的变化规律。
在获取到应力峰值后，可基于应力峰值对第二样本进行循环加卸载实验，根据第一样本实验得到的峰值应力，设置多个循环加卸载轴向应力测试值，并测试第二样本在循环加卸载实验中到达设定的循环加卸载轴向应力测试值时的轴向应变值。
其中，多个循环加卸载轴向应力测试值均小于应力峰值，然后基于多个循环加卸载轴向应力测试值进行循环加卸载实验，以获取多个轴向应变值。需要说明的是，多个循环加卸载轴向应力测试值可针对不同的实验阶段进行。举例来说，对第二样本进行循环加卸载实验，可根据第一样本实验得到的峰值应力，在应力峰值前进行7次左右加卸载，载荷水平从0.2倍峰值强度逐渐递增至0.9倍峰值强度，在峰后软化阶段进行不少于2次加卸载，在残余阶段进行2次加卸载，保证全过程至少进行11次加卸载循环。
需要说明的是，基于多个循环加卸载轴向应力测试值的第二样本的循环加卸载实验是在同一围压的情形下，不同围压下产生的最终数据可为不同。如图2中的循环加卸载轴向应力-轴向应变曲线所示，其中，x轴为第二样本的轴向应变值，y轴为第二样本的应力测试值。围压值为30Mpa、10Mpa和5Mpa的应力峰值各不相同，同时在卸载阶段，即在应力峰值后的阶段，轴向应变并未恢复成初始的阶段，此时，煤岩的内部结构已经发生变化。
煤岩损伤是指岩体中微裂隙的发生、扩展和汇合、贯通，对岩体的力学性能都有明显的影响，尤其在岩体破裂前后，其行为十分复杂。在本申请实施例中，可基于煤岩的弹性模量变化来表征煤岩的损伤程度。基于循环加卸载实验可获取第二样本的弹性模量变化，以此可以确定第二样本在循环加卸载实验后的煤岩损伤。
其中，弹性模量是工程材料重要的性能参数，从宏观角度来说，弹性模量是衡量物体抵抗弹性变形能力大小的尺度，从微观角度来说，则是原子、离子或分子之间键合强度的反映。凡影响键合强度的因素均能影响材料的弹性模量，如键合方式、晶体结构、化学成分、微观组织、温度等。由于不同种类的煤岩成分不同，其热处理状态不同、冷塑性变形不同等，对应的弹性模量的波动也可具有一定的差别。
S104，基于煤岩损伤确定每个循环加卸载轴向应力测试值对应的环向膨胀系数，并基于轴向应变值和环向膨胀系数确定待检测煤岩的环向膨胀特征参数。
在获取到煤岩损伤后，可基于煤岩损伤确定环向膨胀系数，其中，环向膨胀系数用来描述煤岩环向的膨胀效应。
可基于环向膨胀系数计算模型来确定待测煤岩的环向膨胀系数。该计算模型可为提前设定好的，并存储在电子设备的存储空间中，以方便在需要时调取使用。
需要说明的是，环向膨胀特征参数为待测煤岩的特性，第二样本的环向膨胀特征参数即可表征待测煤岩的环向膨胀特征参数。
通过生成环向膨胀特征参数，相较于当前技术中传统对煤岩环向膨胀的定性分析，可以对煤炭损伤提供更加全面的数据支撑，避免人为主观影响分析结果。
在本申请实施例中，首先获取待检测煤岩的第一样本和第二样本，其中第一样本和第二样本大小形状完全相同，然后对第一样本进行轴向压缩实验，以获取第一样本的应力峰值，而后基于应力峰值对第二样本进行循环加卸载实验，以获取第二样本的轴向应变值，并获取第二样本上煤岩损伤，最后基于煤岩损伤确定第二样本的环向膨胀系数，并基于轴向应变值和环向膨胀系数确定待检测煤岩的环向膨胀特征参数。基于循环加卸载实验获取待测煤岩环向膨胀系数，并以此确定环向膨胀特征参数，相较于传统方法对煤岩环向膨胀的定性分析，本申请为煤岩环向膨胀效应的定量描述提供了参数标准和计算方法。
上述实施例中，基于轴向应变值和环向膨胀系数确定待检测煤岩的环向膨胀特征参数，还可通过图3进一步解释，该方法包括：
S301，基于环向膨胀系数和轴向应变值生成环向膨胀系数-轴向应变曲线。
在本申请实施例中，在获取到所有循环加卸载轴向应力测试值环向膨胀系数和轴向应变值后，可基于循环加卸载轴向应力测试值的环向膨胀系数和轴向应变值作为横纵坐标来绘制环向膨胀系数-轴向应变曲线，以此可以更加清晰的分析出环向膨胀系数和轴向应变值的变化趋势。
通过大量的实验数据分析，环向膨胀系数和轴向应变值的变化趋势通常分为三个阶段，即初始阶段、加速膨胀阶段和残余阶段。
举例来说，如图4所示，可将环向膨胀系数-轴向应变曲线分为初始阶段、加速膨胀阶段和残余阶段三个阶段。由图可以看出，在初始阶段，环向膨胀系数演化缓慢，环向膨胀系数-轴向应变曲线近似水平；在加速膨胀阶段，环向膨胀系数迅速增大，环向膨胀系数增长速率先增大后减小；在残余阶段，环向膨胀系数趋近于定值，环向膨胀系数-轴向应变曲线近似水平。
需要说明的是，可基于环向膨胀系数-轴向应变曲线的整体走势来确定初始阶段、加速膨胀阶段和残余阶段三个阶段，还可基于相邻两个坐标点的斜率来确定突变点，以此确定初始阶段、加速膨胀阶段和残余阶段三个阶段。
S302，基于环向膨胀系数-轴向应变曲线确定待测煤岩的初始膨胀系数、极限膨胀系数、初始膨胀应变和残余膨胀应变。
在本申请实施例中，首先确定环向膨胀系数-轴向应变曲线的初始阶段、加速膨胀阶段和残余阶段，然后确定初始阶段和加速膨胀阶段临界点的环向膨胀系数为初始膨胀系数，确定初始阶段和加速膨胀阶段临界点的轴向应变为初始膨胀应变，确定加速膨胀阶段和残余阶段临界点的环向膨胀系数为极限膨胀系数，确定加速膨胀阶段和残余阶段临界点的轴向应变为极限膨胀应变。
在本申请实施例中，首先基于环向膨胀系数和轴向应变值生成环向膨胀系数-轴向应变曲线，然后基于环向膨胀系数-轴向应变曲线确定初始膨胀系数、极限膨胀系数、初始膨胀应变和残余膨胀应变。由此，通过生成环向膨胀系数-轴向应变曲线，可以直观划分待测煤岩的环向膨胀过程，计算环向膨胀特征参数，评估待测煤岩材料的环向膨胀属性，可操作性强，人为主观性影响较小。
上述实施例中，获取每个循环加卸载轴向应力测试值对应的煤岩损伤，还可通过图5进一步解释，该方法包括：
S501，获取每个循环加卸载轴向应力测试值对应的第二样本的损伤弹性模量。
损伤弹性模量为煤岩损伤后的弹性模量，本申请实施例中的损伤弹性模量为第二样本在基于循环加卸载轴向应力测试值设置的加卸载实验后的弹性模量，基于损伤弹性模量可以分析出煤岩的形变程度。
在本申请实施例中，损伤弹性模量可基于循环加卸载实验进行获取，可通过获取每个加卸载循环卸载点处的弹性模量来获取第二样本整体的损伤弹性模量。举例来说，根据循环加卸载实验结果，计算每条卸载曲线的割线模量，割线模量是指在单向受力条件下，煤岩应力-轴向应变曲线上相应于50%抗压强度的点与原点连线的斜率，然后基于割线模量确定损伤弹性模量。
S502，基于损伤弹性模量确定每个循环加卸载轴向应力测试值对应的煤岩损伤。
在本申请实施例中，可基于第二样本的初始弹性模量、损伤弹性模量和弹性模量损失系数确定煤岩损伤，可通过如下公式进行计算：
D=(1-E/E0)/α
其中，D为煤岩损伤，α为弹性模量损失系数，E为损伤弹性模量，E0为初始弹性模量。
其中，弹性模量损失系数的获取方法，包括：获取第二样本基于循环加卸载实验的在残余阶段下的残余弹性模量，然后基于残余弹性模量和初始弹性模量确定弹性模量损失系数，计算弹性模量损失系数的公式为：
α= (E0- Er)/ E0
其中E0为初始弹性模量，Er为残余弹性模量，α为弹性模量损失系数。需要说明的是，本实施例中的残余阶段与上述实施例中的环向膨胀系数-轴向应变曲线的残余阶段为同一阶段。
上述实施例中，基于煤岩损伤确定每个循环加卸载轴向应力测试值对应的环向膨胀系数，还可通过图6进一步解释，该方法包括：
S601，获取待检测煤岩的标准泊松比、材料参数和围压值影响系数，以及获取循环加卸载实验的设定围压值。
需要说明的是，泊松比是指材料在单向受拉或受压时，横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值，也叫横向变形系数，它是反映材料横向变形的弹性常数。设定围压值为循环加载实验的设计参数，可根据实际的设计需求进行变更，此处不作任何限定。
本申请实施中的煤岩的标准泊松比可通过查表的形式进行获取，需要说明的是，不同种类煤岩对应的泊松比可为不同，此处不作任何限定。
需要说明的是，本申请实施例中的材料参数是指用于表征材料形态的数值，该材料参数可通过实验获取。
具体地，材料参数可通过在煤岩在单轴压缩下最终完全丧失承载能力而破坏临界点，此时煤岩损伤可认为为1，此时的膨胀系数可通过实验获取，从而确定材料参数的取值，可通过如下公式进行获取：
h =μ-μ0+ g*σ3
其中，μ0为标准泊松比，h为材料参数，g为围压影响系数，μ为环向膨胀系数，σ3为当前施加在第二样本上的围压值。
需要说明的是，在实验过程中发现，围压影响系数在不同围压下的变化波动较小，可认为为一常值，通过实验进行获取。
S602，基于标准泊松比、材料参数、煤岩损伤、围压值影响系数和设定围压值确定每个循环加卸载轴向应力测试值对应的环向膨胀系数。
在本申请实施例中，可基于如下公式计算计算环向膨胀系数：
μ=μ0+(h-g*σ3) *D
其中，μ0为标准泊松比，h为材料参数，g为围压影响系数，D为煤岩损伤，μ为环向膨胀系数，σ3为循环加卸载实验的设定围压值。
在本申请实施例中，首先获取待检测煤岩的标准泊松比和材料参数，然后基于标准泊松比、材料参数、煤岩损伤、围压值影响系数和循环加卸载实验的设定围压值确定每个循环加载轴向应力测试值对应的环向膨胀系数。由此，通过待测煤岩的属性和加卸载实验的设置参数和输出数据，可以准确的计算出环向膨胀系数，适用于不同种类的煤岩的数据分析，实用性强。
与上述几种实施例提供的基于损伤分析的煤岩环向膨胀特征参数确定方法相对应，本申请的一个实施例还提供了一种基于损伤分析的煤岩环向膨胀特征参数确定装置，由于本申请实施例提供的基于损伤分析的煤岩环向膨胀特征参数确定装置与上述几种实施例提供的煤岩环向膨胀特征参数确定方法相对应，因此上述基于损伤分析的煤岩环向膨胀特征参数确定方法的实施方式也适用于本申请实施例提供的基于损伤分析的煤岩环向膨胀特征参数确定装置，在下述实施例中不再详细描述。
图7为本申请提出的一种基于损伤分析的煤岩环向膨胀特征参数确定装置的示意图，如图 7所示，该基于损伤分析的煤岩环向膨胀特征参数确定装置700，包括：获取模块710、第一实验模块720、第二实验模块730和处理模块740。
其中，获取模块710，用于获取待检测煤岩的第一样本和第二样本。
第一实验模块720，用于对第一样本进行轴向压缩实验，以获取第一样本的应力峰值。
第二实验模块730，用于基于应力峰值确定多个循环加卸载轴向应力测试值，并基于多个循环加卸载轴向应力测试值对第二样本进行循环加卸载实验，以获取每个循环加卸载轴向应力测试值对应的轴向应变值，同时获取每个循环加卸载轴向应力测试值对应的煤岩损伤。
处理模块740，用于基于煤岩损伤确定每个循环加卸载轴向应力测试值对应的环向膨胀系数，并基于轴向应变值和环向膨胀系数确定待检测煤岩的环向膨胀特征参数。
在本申请的一个实施例中，处理模块740，还用于：基于环向膨胀系数和轴向应变值生成环向膨胀系数-轴向应变曲线；基于环向膨胀系数-轴向应变曲线确定待测煤岩的初始膨胀系数、极限膨胀系数、初始膨胀应变和残余膨胀应变。
在本申请的一个实施例中，处理模块740，还用于：确定环向膨胀系数-轴向应变曲线的初始阶段、加速膨胀阶段和残余阶段；确定初始阶段和加速膨胀阶段临界点的环向膨胀系数为初始膨胀系数，确定初始阶段和加速膨胀阶段临界点的轴向应变为初始膨胀应变，确定加速膨胀阶段和残余阶段临界点的环向膨胀系数为极限膨胀系数，确定加速膨胀阶段和残余阶段临界点的轴向应变为极限膨胀应变。
在本申请的一个实施例中，第二实验模块730，还用于：获取每个循环加卸载轴向应力测试值对应的第二样本的损伤弹性模量；基于损伤弹性模量确定每个循环加卸载轴向应力测试值对应的煤岩损伤。
在本申请的一个实施例中，第二实验模块730，还用于：获取第二样本的初始弹性模量和弹性模量损失系数；基于初始弹性模量、损伤弹性模量和弹性模量损失系数确定煤岩损伤；计算煤岩损伤的公式为：D=(1-E/E0)/α其中，D为煤岩损伤，α为弹性模量损失系数，E为损伤弹性模量，E0为初始弹性模量。
在本申请的一个实施例中，第二实验模块730，还用于：获取第二样本基于循环加卸载实验的在残余阶段下的残余弹性模量；基于残余弹性模量和初始弹性模量确定弹性模量损失系数；计算弹性模量损失系数的公式为：α= (E0- Er)/ E0，其中E0为初始弹性模量，Er为残余弹性模量，α为弹性模量损失系数。
在本申请的一个实施例中，处理模块740，还用于：获取待检测煤岩的标准泊松比、材料参数和围压值影响系数，以及获取循环加卸载实验的设定围压值；基于标准泊松比、材料参数、煤岩损伤、围压值影响系数和循环加卸载实验的设定围压值确定每个循环加卸载轴向应力测试值对应的环向膨胀系数；计算环向膨胀系数的公式为：μ=μ0+(h-g*σ3) *D其中，μ0为标准泊松比，h为材料参数，g为围压影响系数，D为煤岩损伤，μ为环向膨胀系数，σ3为循环加卸载实验的设定围压值。
为了实现上述实施例，本申请实施例还提出一种电子设备800，如图8所示，该电子设备800包括：处理器801和处理器通信连接的存储器802，存储器802存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器801执行，以实现如本申请第一方面实施例的基于损伤分析的煤岩环向膨胀特征参数确定方法。
为了实现上述实施例，本申请实施例还提出一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，其中，计算机指令用于使计算机实现如本申请第一方面实施例的基于损伤分析的煤岩环向膨胀特征参数确定方法。
为了实现上述实施例，本申请实施例还提出一种计算机程序产品，包括计算机程序，计算机程序在被处理器执行时实现如本申请第一方面实施例的基于损伤分析的煤岩环向膨胀特征参数确定方法。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种基于损伤分析的煤岩环向膨胀特征参数确定方法，其特征在于，包括：
获取待检测煤岩的第一样本和第二样本；
对所述第一样本进行轴向压缩实验，以获取所述第一样本的应力峰值；
基于所述应力峰值确定多个循环加卸载轴向应力测试值，并基于多个所述循环加卸载轴向应力测试值对所述第二样本进行循环加卸载实验，以获取每个所述循环加卸载轴向应力测试值对应的轴向应变值，同时获取每个所述循环加卸载轴向应力测试值对应的煤岩损伤；
基于所述煤岩损伤确定每个所述循环加卸载轴向应力测试值对应的环向膨胀系数，并基于所述轴向应变值和所述环向膨胀系数确定所述待检测煤岩的环向膨胀特征参数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述轴向应变值和所述环向膨胀系数确定所述待检测煤岩的环向膨胀特征参数，包括：
基于所述环向膨胀系数和所述轴向应变值生成环向膨胀系数-轴向应变曲线；
基于所述环向膨胀系数-轴向应变曲线确定所述待测煤岩的初始膨胀系数、极限膨胀系数、初始膨胀应变和残余膨胀应变。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述基于所述环向膨胀系数-轴向应变曲线确定所述待测煤岩的初始膨胀系数、极限膨胀系数、初始膨胀应变和残余膨胀应变，包括：
确定所述环向膨胀系数-轴向应变曲线的初始阶段、加速膨胀阶段和残余阶段；
确定所述初始阶段和所述加速膨胀阶段临界点的环向膨胀系数为所述初始膨胀系数，确定所述初始阶段和所述加速膨胀阶段临界点的轴向应变为所述初始膨胀应变，确定所述加速膨胀阶段和所述残余阶段临界点的环向膨胀系数为所述极限膨胀系数，确定所述加速膨胀阶段和所述残余阶段临界点的轴向应变为所述极限膨胀应变。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取每个所述循环加卸载轴向应力测试值对应的煤岩损伤，包括：
获取每个所述循环加卸载轴向应力测试值对应的所述第二样本的损伤弹性模量；
基于所述损伤弹性模量确定每个所述循环加卸载轴向应力测试值对应的所述煤岩损伤。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述基于所述损伤弹性模量确定每个所述循环加卸载轴向应力测试值对应的所述煤岩损伤，包括：
获取所述第二样本的初始弹性模量和弹性模量损失系数；
基于所述初始弹性模量、所述损伤弹性模量和所述弹性模量损失系数确定煤岩损伤；
计算所述煤岩损伤的公式为：
D=(1-E/E0)/α
其中，所述D为所述煤岩损伤，所述α为所述弹性模量损失系数，所述E为所述损伤弹性模量，所述E0为所述初始弹性模量。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述弹性模量损失系数的获取方法，包括：
获取所述第二样本基于所述循环加卸载实验在残余阶段下的残余弹性模量；
基于所述残余弹性模量和所述初始弹性模量确定所述弹性模量损失系数；
计算所述弹性模量损失系数的公式为：
α= (E0- Er)/ E0
其中，所述E0为所述初始弹性模量，所述Er为所述残余弹性模量，所述α为所述弹性模量损失系数。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于，所述基于所述煤岩损伤确定每个所述循环加卸载轴向应力测试值对应的环向膨胀系数，包括：
获取所述待检测煤岩的标准泊松比、材料参数和围压值影响系数，以及获取所述循环加卸载实验的设定围压值；
基于所述标准泊松比、所述材料参数、所述煤岩损伤、所述围压值影响系数和所述设定围压值确定每个所述循环加卸载轴向应力测试值对应的所述环向膨胀系数；
计算所述环向膨胀系数的公式为：
μ=μ0+(h-g*σ3) *D
其中，所述μ0为所述标准泊松比，所述h为所述材料参数，所述g为所述围压影响系数，所述D为所述煤岩损伤，所述μ为所述环向膨胀系数，所述σ3为所述循环加卸载实验的设定围压值。
8.一种基于损伤分析的煤岩环向膨胀特征参数确定装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取待检测煤岩的第一样本和第二样本；
第一实验模块，用于对所述第一样本进行轴向压缩实验，以获取所述第一样本的应力峰值；
第二实验模块，用于基于所述应力峰值确定多个循环加卸载轴向应力测试值，并基于多个所述循环加卸载轴向应力测试值对所述第二样本进行循环加卸载实验，以获取每个所述循环加卸载轴向应力测试值对应的轴向应变值，同时获取每个所述循环加卸载轴向应力测试值对应的煤岩损伤；
处理模块，用于基于所述煤岩损伤确定每个所述循环加卸载轴向应力测试值对应的环向膨胀系数，并基于所述轴向应变值和所述环向膨胀系数确定所述待检测煤岩的环向膨胀特征参数。
9.一种电子设备，其特征在于，包括存储器、处理器；
其中，所述处理器通过读取所述存储器中存储的可执行程序代码来运行与所述可执行程序代码对应的程序，以用于实现如权利要求1-7中任一项所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-7中任一项所述的方法。
CN202210879814.1A 2022-07-25 2022-07-25 基于损伤分析的煤岩环向膨胀特征参数确定方法 Pending CN114935508A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210879814.1A CN114935508A (zh) 2022-07-25 2022-07-25 基于损伤分析的煤岩环向膨胀特征参数确定方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210879814.1A CN114935508A (zh) 2022-07-25 2022-07-25 基于损伤分析的煤岩环向膨胀特征参数确定方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN114935508A true CN114935508A (zh) 2022-08-23

Family

ID=82868476

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210879814.1A Pending CN114935508A (zh) 2022-07-25 2022-07-25 基于损伤分析的煤岩环向膨胀特征参数确定方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114935508A (zh)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020167988A1 (en) * 2001-03-16 2002-11-14 Arizona Board Of Regents Method for determining a coefficient of thermal expansion and apparatus therefor
JP2007285725A (ja) * 2006-04-12 2007-11-01 Nissan Arc Ltd 薄膜ポアソン比の測定方法及び測定装置
CN107271314A (zh) * 2017-05-24 2017-10-20 中国矿业大学 一种测量煤岩吸附膨胀系数的方法
CN107421838A (zh) * 2017-08-29 2017-12-01 重庆科技学院 层状陶瓷基复合材料热‑损伤耦合强度间接测量方法
CN114547908A (zh) * 2022-03-02 2022-05-27 大连海事大学 一种热力耦合石灰岩分数阶蠕变损伤本构模型构建方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020167988A1 (en) * 2001-03-16 2002-11-14 Arizona Board Of Regents Method for determining a coefficient of thermal expansion and apparatus therefor
JP2007285725A (ja) * 2006-04-12 2007-11-01 Nissan Arc Ltd 薄膜ポアソン比の測定方法及び測定装置
CN107271314A (zh) * 2017-05-24 2017-10-20 中国矿业大学 一种测量煤岩吸附膨胀系数的方法
CN107421838A (zh) * 2017-08-29 2017-12-01 重庆科技学院 层状陶瓷基复合材料热‑损伤耦合强度间接测量方法
CN114547908A (zh) * 2022-03-02 2022-05-27 大连海事大学 一种热力耦合石灰岩分数阶蠕变损伤本构模型构建方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
TIANBAI ZHOU 等: "A constitutive model for rock based on energy dissipation and transformation principles", 《ARABIAN JOURNAL OF GEOSCIENCES》 *
TIANBAI ZHOU 等: "Study on Damage Evolution Model of Sandstone under Triaxial Loading and Postpeak Unloading Considering Nonlinear Behaviors", 《GEOFLUIDS》 *
彭瑞东 等: "三轴循环加卸载下煤岩损伤的能量机制分析", 《煤炭学报》 *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Liu et al. Damage evolution of rock salt under cyclic loading in unixial tests
Sulem et al. Shear banding in drained and undrained triaxial tests on a saturated sandstone: Porosity and permeability evolution
Hackston et al. The Mohr–Coulomb criterion for intact rock strength and friction–a re-evaluation and consideration of failure under polyaxial stresses
Yang et al. Evaluation on strength and deformation behavior of red sandstone under simple and complex loading paths
Zhao et al. Study on the relation between damage and permeability of sandstone at depth under cyclic loading
CN111238931B (zh) 基于能量演化的页岩脆性指数评价方法
Das et al. Simulation of localized compaction in high-porosity calcarenite subjected to boundary constraints
Wang et al. A nonlinear creep damage model of layered rock under unloading condition
Pan et al. Modified isotropic compression relationship for cement-admixed marine clay at low confining stress
CN110926941A (zh) 一种页岩脆性指数评价方法、装置及系统
Song et al. Experimental study on the creep behavior of red sandstone under low temperatures
Liu et al. Sensitivity and uncertainty analysis of SHPB tests for concrete materials
Puttick et al. Stress fields round indentations in poly (methyl methacrylate)
Wang et al. Mechanical behavior and damage evolution for granite subjected to cyclic loading
Zhang et al. Microstructure variation and empirical fatigue model of salt rock under cyclic loading
Yu et al. Stress relaxation behavior of silty mudstone considering the effect of confining pressure
Xu et al. Mechanical and fatigue damage evolution properties of cracked sandstone under cyclic loading
CN114935508A (zh) 基于损伤分析的煤岩环向膨胀特征参数确定方法
Shen et al. Impact of cyclic wetting and drying on slate properties in the Miaowei Reservoir area, southwest China
Gray et al. The determination of anisotropic and nonlinear properties of rock through triaxial and hydrostatic testing
Ma et al. Experimental investigations of fractured rock deformation: A direct measurement method using strain gauges
Azeufack et al. Mechanical Characterization and Measurement of the Damage of Pericopsis elata (Assamela)
Zhang et al. Effects of axial cyclic loading at constant confining pressures on deformational characteristics of anisotropic argillite
Ahamed et al. Implementation of an elastoplastic constitutive model to study the proppant embedment in coal under different pore fluid saturation conditions: A numerical and experimental study
CN212692781U (zh) 岩石试样变形测量装置及设备

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20220823