張小樓礦2.4Mta新井設(shè)計【含CAD圖紙+文檔】

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第一次全面研究巖石的疲勞周期是在伯丁的調(diào)查研究中，他對伯利亞砂巖在單軸壓縮強度下進行了研究。在三種堅硬巖石在單軸壓縮測試中哈利和丘格發(fā)現(xiàn)影響疲勞周期的因素。他們采用的三角形應(yīng)力加載路徑被認為是最有優(yōu)勢的正弦曲線路徑。艾特威爾集中精力研究巖石在單軸循環(huán)壓縮下的變形情況。在四種主要立體基陣荷載：循環(huán)應(yīng)力控制、三角形狀和頻率為每1秒一個循環(huán)周期下，赫姆森等人對四種巖石不斷施加應(yīng)力后的強度、變形和結(jié)構(gòu)的分析研究。他們的研究結(jié)果表明，堅硬的巖石在循環(huán)荷載情況下其硬度大大地被削弱。振宇和海宏使用兩種波形來研究巖石的運行狀況：正弦和三角形研究結(jié)果是，正弦波加載引起的變形比三角波加載引起的變形要大。在他們最近的出版物中，李等人。研究了力學(xué)性能和疲勞損壞模型并提出了節(jié)理巖體和有間歇裂隙的干燥，冷凍和飽和砂巖樣品在受到動態(tài)周期性加載應(yīng)力控制模式下使用斜坡波形的模型。巴蒂和羅斯通過對砂巖使用正弦波形來研究加載頻率和振幅的影響，并發(fā)現(xiàn)對巖石的運行狀況影響很大。除了對巖石的研究外，龔和史密斯調(diào)查研究波形和加載順序?qū)υ粕寄静牡牡椭芷谄趬勖挠绊憽? 2巖石樣品和測試裝備 巖石樣本來源于捷克共和國盆地的達爾科夫煤礦煤的爆破巖石。本實驗對山脊層的砂石巖進行了巖心磚孔，在深度范圍從588到607米以下。宏觀描述這砂巖為：有條紋的中細顆粒、淺灰色砂巖（積累了大量有機質(zhì)）。這條紋是零星收斂的，與軸核心成一定傾斜（圓角25°）。對樣品進行了1 : 1直徑長度比，平均直徑為47.5毫米，盡可能結(jié)束，大小和其他測試的影響被忽視了。樣品的準備和測試是根據(jù)國際巖石力學(xué)學(xué)會的測試程序和準備進行的。普通物理特性和聲波測試結(jié)果見表1。 表1. 物理性質(zhì)，化學(xué)性質(zhì)和實驗測試砂巖聲波結(jié)果 物理性質(zhì) 干燥聲波樣本 飽和聲波樣本 干燥密度（kg/m3） 飽和密度（kg/m3） Vp Vs vd Ed(GPa) Vp Vs vd Ed(GPa) 2540 2578 3256 2268 0.02 27 3875 2222 0.17 33 這個測試設(shè)備是MTS—816巖石測試系統(tǒng)。MTS系統(tǒng)控制器由硬件設(shè)備和軟件應(yīng)用程序組成，并提供伺服液壓閉環(huán)控制的實驗設(shè)備。更詳細的檢測設(shè)備說明請參閱作者的論文。 分別在給定的一組測試條件下，試驗進行了軸向位移控制加載系統(tǒng)和動態(tài)負載被指定為是正弦波，斜坡波和正方形波循環(huán)壓縮（圖1）。在實驗開始時，軸向位移目標設(shè)置點等于一個模擬的振幅。軸向位移的目標在不斷增加，直到樣品失效，如果可能會直到殘余應(yīng)力達到獲得完整的前后彎曲失效。振幅是一個絕對值（±值），相當于總范圍的一半。比如，輸入一個0.1毫米的振幅意味著+ 0.1毫米和-0.1毫米，總共為0.2毫米。 圖1.波形形狀 波形的形狀取決于加載速度和卸載速度，速度的改變在于加載和卸載率以及持續(xù)停留在應(yīng)力的峰值點。圖1顯示了三種5Hz的負載頻率和應(yīng)力峰值在σ0時的波形。線段AB反應(yīng)了加載頻率，BC反應(yīng)了停留時段，B和C點反應(yīng)了負荷率的變化率。很明顯，在三角和正弦波形中，B點和C點重合在一起，表明這停留段為零。圖1（c）所示的是理想狀態(tài)下的正方形波；然而，在測試中使用的實際狀態(tài)的波形可能接近于圖1（d）所示。這些波形的詳細信息見表2。龔和史密斯，報告說在測試中使用的實際正方形波形狀態(tài)為圖1（d）中所示以及圖中的k值代表的意義是在負載頻率為0.5Hz時的應(yīng)力為20. 龔和史密斯認為方波是最嚴重的波，因為他們的高負荷率和高加載速率變化并且有一長段停留時期。根據(jù)這些圖表發(fā)現(xiàn)三角波形損壞能力比正弦波形小，盡管他們有一個很大的峰值變化負載率（表2）。根據(jù)這些圖表，負載率占據(jù)了主要的作用而不是高峰負荷率變化。負載率是不為正弦波的一個常數(shù)。這平均負載率(dσ/dt)av為正弦波形± 10σ0 。這等于三角波形頻率相同的負載率。正弦波的最大負荷率是±5πσ0,,即 ±15.7σ0 ，比三角波形的負載率大57%。眾所周知，在單軸循環(huán)動態(tài)加載條件下負荷率強烈影響疲勞巖石的運行狀況。 表2. 圖1的波形特征 波形 加載功能 加載速率（MPa） B點負荷率的變化 停留時段（s） 三角/ 鋸齒 AB段：σ=10σ0t BD段：σ=10σ0（0.2-t） AB段： 10σ0 BD段：- 10σ0 20σ0 0 正弦 σ=(σ0/2)(1-sin(10πt+π/2)) -5σ0cos(10πt+π/2)) 0 0 方形（理想） AB段:t=0 BC段：σ=σ0 AB段：∞ BC段：0 ∞ 0.1 方形（實際） AB段: σ=kσ0t BC段：σ=σ0 AB段: σ=kσ0 BC段：0 kσ0 ≈0.1 3巖石性質(zhì)的評價 從單軸循環(huán)荷載試驗數(shù)據(jù)分析得到疲勞強度的峰值為(σfp),疲勞強度峰谷只為(σfp)，平均疲勞強度值為(σfd)，疲勞壽命(Tfl)，峰值疲勞剩余強度為(σfr)，毫無預(yù)測的快速邊坡失效(Spf),平均彈性模量(Eavd),割線模量(Esd),軸向剛度(Asd)為最大應(yīng)力的50%，快速失效模量(Epf)為最大應(yīng)力的50%，動態(tài)能(De)和應(yīng)力能量(Se)由巖石釋放出來。 使用MATLAB開發(fā)的計算機程序來分析應(yīng)力應(yīng)變曲線的強度和變形情況。使用計算機程序從波峰波谷數(shù)據(jù)中計算得出的壓力和模量如圖2.波峰疲勞強度(σfp)和波谷疲勞強度(σfv)是從波峰和波谷特性曲線中獲得的最大應(yīng)力。然而，疲勞強度(σfd)是上述兩項的平均值。疲勞壽命的時間對應(yīng)著峰值疲勞強度。峰值疲勞剩余強度對應(yīng)著峰值特性曲線中的剩余強度。這失效后的負斜率取決于失效后的波峰和波谷特性曲線以及平均數(shù)值。根據(jù)在國際巖石力學(xué)學(xué)會上程序概述提供的方法來分析研究應(yīng)力應(yīng)變曲線變形比例就像平均模量和割線模量一樣。平均模量或多或少的取決于應(yīng)力應(yīng)變曲線的直線部分的平均斜度。割線模量從零增加到巖石持續(xù)受到最大荷載的50%。從失效模量可以知道平均彈性模量取決于失效特性曲線最大應(yīng)力的50%。此后，在循環(huán)荷載下記錄了波峰和波谷的數(shù)據(jù)，使用MATLAB開發(fā)的計算機程序來分別獲得和獨立分析波峰和波谷特性曲線來預(yù)測模量數(shù)值，如圖2所示。然后模量值從峰谷曲線中的平均值獲得。 圖2.典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在單軸循環(huán)加載下的各種大量參數(shù)評價說明 加載巖石的平均軸向剛度的計算公式為：Asd=△應(yīng)力/△應(yīng)變 （1） 其中，Asd是平均軸向剛度（即變形模量或永′模量超過彈性間隔或可逆模量），△應(yīng)力是應(yīng)力差（或雙應(yīng)力幅值）和△應(yīng)變是應(yīng)變差（或雙應(yīng)變振幅）獲得相應(yīng)的風(fēng)骨數(shù)據(jù)。使用公式（1）對軸向應(yīng)力峰值計算的軸向剛度如圖3所示。據(jù)顯示軸向剛度的的數(shù)值被估計在巖石持續(xù)受到峰值軸向應(yīng)力時的50%。 圖3. 軸向剛度和軸向應(yīng)力的平均軸向剛度在峰值疲勞強度的50%時的圖表計算說明 巖石釋放的動態(tài)能量計算公式： De=(△應(yīng)力 x △應(yīng)變 x f)/2， （2） 其中，De代表巖石持續(xù)動能，單位為MW/m3,f 代表頻率，單位為Hz，動態(tài)能量的確定通過使用峰谷數(shù)據(jù)在整個負荷對時間作圖，如圖4所示。據(jù)顯示得出動能的數(shù)值是在曲線峰值處的漸近線平均值。 圖4. 時間與動態(tài)能量在動能接近峰值疲勞強度時的計算繪制圖。 根據(jù)這個損壞原理，巖石釋放出的應(yīng)力能可以被描述為： Se=σ2fp/2Eavd, （3） 其中，Se代表釋放的應(yīng)力能，單位為MJ/m3，σfp代表巖石持續(xù)峰值疲勞強度，單位是MPa，Eavd代表平均模量，單位是MPa。通過使用方程確定巖石釋放的應(yīng)力能。 4實驗結(jié)果和討論 在單軸循環(huán)荷載下，實驗進行了波形對砂巖的疲勞行為影響的研究。正弦波、斜坡波和方波形被用的是負載5赫茲的頻率和振幅為0.05毫米。 4.1 巖石疲勞強度 在斜坡波加載的情況下產(chǎn)生的疲勞強度比正弦波和方形波要高（如圖5）。因此，可以得出結(jié)論，斜坡加載波形在加載和卸載時比正弦波和方波更均勻。眾所周知波形影響疲勞壽命以及根據(jù)龔和斯密斯，在給定的加載頻率下方形波是最嚴重的最短疲勞壽命測試條件和結(jié)果。然而，研究發(fā)現(xiàn)正弦波的疲勞壽命最短和方形波的剩余強度最高以及其他例外。這可能是由于樣品的干擾。方形波的負斜率失效后表明在如此條件下巖石很可能是脆性斷裂方式失效，由于比起其他波形來方形波有長停留時段和高荷載率。 圖5.加載波形的強度 圖6.加載波形的疲勞壽命 圖7.加載波形的傾斜失效 4.2 巖石的變性特征 永的平均模量高于鋸齒波形相對于其他波形來說（如圖8）。在正弦波形中，它是最低的。在方形波中割線模量是最低的但是高于正弦波形?？赡婺Ａ吭阡忼X波形中最高，其次是正弦波最少的是方波波形。失效模量在方形波中是最少的。比起其他波來方形波似乎損傷累積最快。波形的最大負荷率強烈影響巖石的損害積累。根據(jù)埃伯哈特，在永的模量和割線模量之間的數(shù)值差距較大，更大的原始裂紋密度。 圖8.加載波形模量 4.3巖石能量反應(yīng) 利用動態(tài)能造成的巖石失效破壞是最低的在鋸齒波形中比起其他正弦和方形波形來說（圖9）。在方形波的情況下，發(fā)現(xiàn)動能需求更容易引起巖石失效。因此，可以得出結(jié)論，在那些因素中鋸齒波的損壞能力最小。在高動能需求下方形波順壞積累最迅速，接下來是正弦波和鋸齒波。這一調(diào)查結(jié)果表明，荷載率和加載波形是促進巖石破壞的主要因素，而不是已經(jīng)完成。這個觀察支持了龔和斯密斯對木材的調(diào)查發(fā)現(xiàn)的觀點。據(jù)報道，在低循環(huán)疲勞測試中每周期完成的工作越高，失效的次數(shù)就越少。盡管方形波具有較高動態(tài)能，但是它也有更短暫的疲勞壽命和更低的疲勞強度，除了正弦波疲勞壽命例子外。這可能是由于材料的性質(zhì)，各向異性或異質(zhì)性或樣品的干擾以及加載模式的程度性等。鋸齒形波中巖石釋放的應(yīng)力能是最高的，其次是正弦波最小的是方形波（如圖10）。如前面所討論的，方波形是最嚴重的試驗條件及有最短的疲勞壽命以及正弦波比三角波更嚴重。Henc推測在循環(huán)壓縮荷載下應(yīng)力釋放的能量已完成以及波形的形狀確定。 圖9.加載波形的動態(tài)能 圖10.加載波形的應(yīng)力能 5總結(jié) 本研究重點對波形和振幅對完整的砂巖巖石疲勞行為的動態(tài)循環(huán)影響的調(diào)查研究。在工作的基礎(chǔ)上，得出以下結(jié)論： 在單軸循環(huán)壓縮下巖石的疲勞行為是波形形狀和已完成的負載的一個應(yīng)變量。在方形波高動能需求下?lián)p壞積累最迅速。跟方形波和正弦波相比起來鋸齒波損壞小些。在給定的頻率和振幅下認為鋸齒類型的波形在裝卸較少動態(tài)能量需求時導(dǎo)致樣本巖石失效更加均勻。在循環(huán)荷載條件下加載波形強烈影響巖石的損害積累。據(jù)發(fā)現(xiàn)一個波形的最大負荷率嚴重影響巖石的疲勞積累。在單軸循環(huán)加載條件下加載波形的類型影響各種各樣巖石的前后性質(zhì)。 從這討論結(jié)果可知，微壓裂隙過程被認為是破壞巖石的主要原因。研究表明強度弱化以微壓裂隙開始，被稱為裂紋萌生，以應(yīng)力遠低于材料的單軸抗壓強度而失敗告終。因此，在預(yù)測挖掘短期和長期的穩(wěn)定性時這些過程的認識和他們的相關(guān)機制是最關(guān)鍵的因素。根據(jù)許多研究人員，巖爆、地震預(yù)測仍然是一個謎，即使有很長的歷史研究。因此，著力改善巖爆控制措施。 致謝 在動態(tài)應(yīng)力下的巖石應(yīng)力變形行為的研究得到了捷克共和國授予機構(gòu)的支持，批號為105/01/0042。作者感謝你們的支持。