煤岩对非均匀载荷作用的力学响应与作用机理

本书针对不均匀载荷作用中的典型代表——局部偏心载荷作用和局部冲击载荷作用，并以煤矿开采的主要环境介质煤岩为主要研究对象，结合作者及其所带领的科研团队多年研究经验和研究成果的总结，系统介绍煤岩的特性、载荷的类型、受载后的力学响应，重点阐述研究所得的受非均匀载荷作用后煤岩产生的力学响应。研究内容主要包括局部偏心载荷作用下煤岩表面裂纹演化规律及煤岩损伤演化规律、声发射参数演化规律；局部冲击载荷作用下煤岩表面裂纹演化规律及煤岩损伤演化规律、超声波传播演化规律、红外热成像演化特征规律；根据试验研究获得的受两种典型的非均匀载荷作用后煤岩产生的力学响应特征，并根据试验和理论分析建立起的非均匀载荷作用与常规力学作用的等效理论模型；同时，将非均匀载荷作用下煤岩产生力学响应的等效理论模型成功应用到边坡稳定性的研究中。
本书不仅可为广大从事采矿工程、岩土工程和边坡工程的科学研究人员和工程技术人员提供借鉴，也可为广大相关专业在校博士生、硕士生提供研究思路上的指导。

第1章 岩石与煤的特征与区别 1
1.1 岩石及特征 2
1.1.1 岩石的构成特征 2
1.1.2 岩体的构成特征 5
1.2 煤及其特征 8
1.2.1 煤的形成 8
1.2.2 煤的分类 11
1.2.3 煤的内部结构 14
1.3 岩石与煤的区别 18
1.4 本章小结 19
第2章 载荷作用与煤体的基本力学响应 20
2.1 载荷及分类 20
2.1.1 外力、内力和应力 20
2.1.2 外力的分类 21
2.2 矿山载荷及分类 23
2.2.1 自重应力 23
2.2.2 构造应力 25
2.2.3 原岩应力的分布规律 26
2.2.4 原岩应力测定方法 27
2.2.5 矿山压力 30
2.3 煤体的基本力学响应 35
2.3.1 主要力学参数变化 35
2.3.2 变形特性与破坏特征 36
2.4 本章小结 40
第3章 煤岩类材料的力学特性研究动态与进展 41
3.1 引言 41
3.2 煤岩类材料的静力学特性研究 43
3.2.1 煤岩类材料的基本力学特性研究 43
3.2.2 煤岩类材料的变形局部化研究 45
3.2.3 煤岩类材料的损伤测试与表征方法研究 47
3.2.4 煤岩类材料的损伤模型研究 48
3.3 煤岩类材料的动力学特性研究 49
3.3.1 煤岩类材料的动力学特性研究方法 50
3.3.2 动载荷作用下煤岩类材料的变形与损伤 54
3.4 动静组合载荷作用下煤岩微结构演化及作用机理 58
3.4.1 动静载荷作用下煤岩微结构演化规律与作用机理 58
3.4.2 动载荷作用下煤岩动态损伤模型研究 59
3.5 尚需解决的科学问题 60
3.6 本章小结 62
第4章 单向约束条件下煤体对动力冲击作用的力学响应 63
4.1 煤岩损伤量的统计描述 63
4.2 煤岩微裂隙破坏模型 64
4.2.1 垂直微裂隙破坏模型 64
4.2.2 水平微裂隙破坏模型 65
4.2.3 微裂隙综合破坏模型 65
4.3 实验研究的准备与方案 65
4.3.1 主要试验设备 65
4.3.2 试验用样 68
4.3.3 试验方案 69
4.4 递增冲量与煤岩损伤演化的关系 70
4.4.1 循环冲击次数对煤岩损伤破坏的影响 70
4.4.2 累计冲量对煤岩损伤演化的影响 73
4.5 单向约束静载与煤岩损伤演化的关系 74
4.5.1 不同约束静载下循环冲击次数对煤岩损伤破坏的影响 74
4.5.2 不同约束静载下累计冲量对煤岩损伤破坏的影响 76
4.6 基于高清数码摄像机的煤岩损伤破坏表面裂纹扩展规律 77
4.7 恒定式冲量与煤岩损伤演化的关系 80
4.7.1 循环冲击次数对煤岩损伤量的影响 80
4.7.2 不同水平冲量加载下累计冲量对煤岩损伤量的影响 82
4.8 单向约束静载与煤岩损伤演化的关系 84
4.8.1 不同约束静载下循环冲击次数对煤岩损伤量的影响 84
4.8.2 相同冲量作用下约束静载对煤岩损伤量的影响 86
4.9 基于红外热成像的循环冲击作用对煤岩损伤的影响 88
4.10 单向约束作用下煤岩损伤演化的数值分析 90
4.10.1 数值模型的建立 90
4.10.2 模型参数与生成网格 91
4.10.3 计算结果与分析 92
4.10.4 冲量大小对煤岩模型损伤的影响 93
4.10.5 约束静载大小对煤岩模型损伤的影响 96
4.11 本章小结 100
第5章 双向约束作用下煤体对动力冲击作用的力学响应 102
5.1 双向约束条件下冲击载荷对煤样结构损伤量化表征 102
5.1.1 实验准备与研究方案 102
5.1.2 煤样破坏过程及模式与其内部微结构演化的关系 103
5.1.3 不同约束条件下循环冲击作用对煤样内部结构的影响 104
5.1.4 单次冲击能量大小对煤样内部结构的影响 107
5.1.5 冲击方式对煤样内部结构的影响 109
5.2 基于红外热成像的煤岩表面裂纹扩展行为的量化表征 110
5.2.1 熵的基本理论 110
5.2.2 煤样表面温度场分布特征 111
5.2.3 冲击试验中的红外辐射量化表征 115
5.3 双向约束下冲击载荷作用对煤体力学特性的影响数值模拟 117
5.3.1 数值模型及模拟方案 117
5.3.2 数值模拟模型的参数 118
5.3.3 冲击能量大小对煤样内部结构的影响 119
5.3.4 约束条件对煤体内部结构的影响 123
5.4 双向约束冲击载荷作用下煤岩内部结构损伤机制 125
5.5 本章小结 126
第6章 非均匀载荷作用下煤岩体的裂纹演化规律 128
6.1 实验设备与试验方案 128
6.1.1 局部偏心载荷试验设备与方案 128
6.1.2 局部冲击载荷试验设备与方案 131
6.2 局部偏心载荷作用下煤样应力 - 应变特征 135
6.3 局部偏心载荷作用下原煤与型煤试样表面裂纹演化规律 137
6.3.1 常规单轴压缩下煤样表面裂纹演化规律 137
6.3.2 局部偏心载荷作用下煤样表面裂纹演化规律 139
6.4 局部偏心载荷作用下煤岩损伤分形特征 142
6.4.1 分形理论概念 142
6.4.2 分形理论在煤岩损伤中的应用 144
6.5 基于超声波的煤岩内微结构演化规律 152
6.5.1 单轴压缩下煤岩内超声波波速变化规律 153
6.5.2 局部偏心载荷作用下煤岩损伤演化规律 154
6.6 局部偏心载荷作用下煤岩破坏模型 155
6.7 煤岩对局部循环冲击载荷作用的力学响应 156
6.7.1 局部循环冲击次数对煤岩内微结构演化影响 156
6.7.2 局部循环冲击载荷作用下煤岩内微结构演化规律 158
6.8 煤岩对局部递增冲击载荷作用的力学响应 161
6.8.1 局部递增循环冲击次数对煤岩内微结构演化影响 161
6.8.2 局部递增冲击载荷作用下煤岩内微结构演化规律 163
6.9 煤岩对局部递减冲击载荷作用的力学响应 165
6.9.1 局部递减循环冲击次数对煤岩内微结构演化影响 165
6.9.2 局部递减冲击载荷作用下煤岩内微结构演化规律 167
6.10 局部冲量对煤岩内微结构演化影响 168
6.10.1 单次冲量大小对煤岩内微结构演化影响 169
6.10.2 累计冲量对煤岩内微结构演化影响 170
6.10.3 冲量加载顺序对煤岩内微结构演化影响 172
6.11 冲击加载面积与煤岩内微结构演化的耦合关系 173
6.12 局部冲击载荷作用下型 / 原煤试样内微结构演化对比 176
6.12.1 循环冲击次数对型煤和原煤试样内微结构演化差异分析 176
6.12.2 冲击加载面积对型煤和原煤试样内微结构演化差异 178
6.13 局部冲击载荷作用下煤岩内微结构演化的局部化效应 179
6.13.1 局部冲击载荷作用对试样不同区域微结构演化影响 179
6.13.2 局部冲击载荷作用下煤岩内微结构演化局部化范围 182
6.14 不同冲击模式下煤岩表面裂纹的时空演化特征 183
6.14.1 循环冲击载荷作用下煤岩表面裂纹的时空演化特征 184
6.14.2 递增冲击载荷作用下煤岩表面裂纹的时空演化特征 193
6.14.3 递减冲击载荷作用下煤岩表面裂纹的时空演化特征 196
6.14.4 不同冲击模式作用下煤岩表面裂纹演化的差异 198
6.15 局部冲击载荷与煤岩表面裂纹时空演化的耦合关系 199
6.15.1 冲量大小与煤岩表面裂隙时空演化的耦合关系 199
6.15.2 不同冲击加载面积下煤岩表面裂纹的时空演化特征 200
6.16 局部冲击载荷作用下型煤与原煤表面裂纹演化对比 202
6.17 局部冲击载荷作用下煤岩表面裂纹演化的局部化效应 205
6.18 本章小结 206
第7章 非均匀载荷作用下煤体的变形场演化特征 211
7.1 数字图像相关方法 211
7.1.1 数字图像相关方法基本原理 211
7.1.2 相关函数 212
7.1.3 数字图像相关方法研究发展 214
7.2 局部偏心载荷模式煤岩变形场演化特征 215
7.2.1 常规单轴压缩条件下原煤与型煤变形场演化特征 215
7.2.2 局部偏心载荷作用下原煤与型煤变形场演化特征 217
7.2.3 统计指标修正与局部化分析 223
7.2.4 局部化带位移演化规律 226
7.2.5 煤岩变形能的演化特征 229
7.3 局部冲击煤岩表面裂纹扩展的分形特征 231
7.3.1 基于MATLAB的煤岩裂纹扩展分形计算 231
7.3.2 基于MATLAB的盒维数法分形维数计算 232
7.4 局部循环冲击次数与煤岩表面裂纹分形维数的关系 233
7.4.1 常规全冲击时试样表面裂纹分形维数演化特征 233
7.4.2 局部冲击时试样表面裂纹分形维数演化特征 235
7.4.3 冲量与煤岩表面裂纹分形维数的耦合关系 237
7.4.4 冲击加载面积与煤岩表面裂纹分形维数的耦合关系 238
7.4.5 型煤与原煤试样表面裂纹分形维数对比 239
7.5 局部冲击载荷作用下煤岩破断面形貌的三维重构 241
7.5.1 破断面形貌的三维重构方法 241
7.5.2 局部冲击载荷作用下煤岩破断面特征 242
7.6 局部冲击载荷作用下煤岩破断面分形特征 243
7.6.1 破断面三维分形维数计算方法概述 243
7.6.2 粗糙表面分形维数计算的二次改进立方体覆盖法 243
7.6.3 基于RGB图像的粗糙表面分形维数等效计算方法 246
7.6.4 冲击加载面积与煤岩破断面分形维数的关系 250
7.7 本章小结 251
第8章 非均匀载荷作用下煤体的声发射特征与损伤演化规律 254
8.1 声发射参数与影响因素 254
8.1.1 声发射参数 254
8.1.2 声发射参数的影响因素 255
8.2 试验系统与方案 255
8.2.1 试验系统介绍 255
8.2.2 试验方案 257
8.3 局部偏心载荷作用下煤岩损伤过程声发射特征 257
8.3.1 局部偏心载荷作用下声发射参数经历分析 257
8.3.2 局部偏心载荷作用下声发射参数分布分析 262
8.3.3 局部偏心载荷作用下声发射参数关联分析 268
8.3.4 局部偏心载荷对b值影响分析 271
8.4 局部偏心载荷作用下煤岩损伤时空演化规律 275
8.4.1 声发射定位原理 275
8.4.2 煤岩声发射定位与裂纹演化规律 276
8.5 局部冲击载荷作用下煤岩损伤变形特性 289
8.5.1 试验概况 289
8.5.2 局部冲击载荷作用下煤岩的动力响应特征 291
……