关于《microcracking evolution and clustering fractal characteristics in coal failure under multi-step and cyclic loading》研究的学术报告

1. 研究作者、机构与发表信息

本文的主要作者包括 Xiaoran Wang, Jinhua Wang, Xiaofei Liu, Xin Zhou, Nan Li, Junjun Feng 和 Hengze Yang。他们分别隶属于中国矿业大学安全工程学院、中国矿业大学煤资源精细勘探与智能开发国家重点实验室以及安徽工业大学土木建筑工程学院等机构。这项研究发表在学术期刊《Engineering Fracture Mechanics》2024年第310期，DOI为10.1016/j.engfracmech.2024.110511，在线发布时间为2024年9月19日。

2. 研究的学术背景

这项研究聚焦于煤矿深部开采中的抗压破坏问题，属于岩土力学和地球物理领域。在深部采矿过程中，煤体会受到周期性超载、卸载循环和复杂地应力环境的影响，这些因素会削弱煤体的力学完整性，并潜在引发煤岩动力灾害（如冲击地压）。在现有研究中，学者们已经建立了基于声发射（Acoustic Emission, AE）技术的监测体系，但这些研究主要集中在单一加载环境下的煤破裂行为，缺乏对多阶段加载（multi-step loading）及循环加载（cyclic loading）情况下微裂纹演化与分形聚类特征的系统性研究。因此，研究者试图通过本研究填补这一领域的空白。

本研究旨在：(1) 探讨煤体在多步骤和循环加载条件下的微裂纹损伤机制；(2) 确定可以预测煤体破坏的指标；(3) 量化微裂纹在时域、空间及能量维度上的分形结构；(4) 提供关于煤岩动力灾害预警的新见解。

3. 详细研究流程

样本准备与实验设计

研究中选用陕西大柳塔煤矿采样的硬质煤作为实验材料。煤样切割为规格为100mm×100mm×100mm的立方体，确保内部结构均匀且表面光滑（粗糙度<0.2mm）。最终制备了8个煤样，基本物理参数（如密度、弹性模量、泊松比等）通过实验测定。

实验采用电液伺服加载系统及配套的声发射实时采集系统。加载系统的最大加载力为3000 KN，误差约为±1%；声发射系统基于“Rock Test for Express-8”平台，包括8个纳米级传感器（Nano-30），信号采样率为1 MHz。研究设计了两种加载路径：
1. 多步骤加载：应力以500 N/s的速率逐级增加，并在各极限载荷（如20 KN、40 KN等）维持60秒，直到样本完全破坏。
2. 循环加载：设定应力上下限，每轮加载以500 N/s增加到特定上限后再以相同速率卸载到下限（保持接触力），应力上限以每20 KN递增，直到样本破坏。

数据采集与分析

通过声发射技术，获取微裂纹相关的时域、空间位置、能量分布等数据。在信号处理与分析过程中，引入了多种方法：
- 利用经 Akaike 信息准则（AIC）选择的算法精确定定位AE信号源，结合Simplex算法对微裂纹的三维定位进行优化； - 结合声发射特征值，如RA值（相对幅度）和AF值（平均频率），区分微裂纹的剪切模式与拉伸模式； - 借助时间-关联积分与空间-关联积分的方法计算时域分形维数（dt）和空间分形维数（dr），量化微裂纹在时空尺度的聚集特性； - 通过能量与幅度关系（Gutenberg-Richter关系）计算AE事件的b值，揭示微裂纹的能量分布特征。

4. 主要研究结果

煤样力学响应与破坏行为

在多步骤和循环加载条件下，煤样均经历以下阶段：压实阶段、线弹性阶段、弹塑性阶段、峰值应力及后峰阶段。随着施加应力的增加，煤样不可逆变形逐渐加剧，表现出AE计数率、累积能量和振幅的显著增加，且在破坏点达到峰值。

微裂纹的时域特征

AE发生频率f(τ)显示出随应力增加逐步上升的趋势，并在破坏前急剧上升。f(τ)与剩余破坏时间(tf-t)之间呈现出幂律关系，拟合指数k约为0.8。这表明微裂纹在破坏前的快速增长服从于加速变形规律。此外，基于RA-AF的分析表明，拉伸裂纹占总数的80%左右，但在破坏临近时，剪切裂纹比例显著上升。

微裂纹的空间分布

通过AE定位发现，微裂纹最初分布零散，但随着加载进展，逐渐在煤样两侧边缘聚集，并向内部扩展，最终形成“X”形主裂面。相应的能量分布也显示，沿样本上下边界的能量集中区与裂纹累积点高度吻合。

分形特征

• 时域分形维数（dt）：随着加载增加，dt从初始的0.94下降至最终的0.76，表明事件间时序相关性增强。
• 空间分形维数（dr）：dr从初始的2.47下降至1.75，反映微裂纹源通过从随机分布转变为平面聚集，最终形成破裂面。
• b值：初期b值为1.3-1.4，随着加载进展下降至1.05，表明高能量微裂纹事件显著增加。

5. 研究结论与意义

本研究深入揭示了煤在多步骤和循环加载条件下的微裂纹损伤演化机制，以及破坏前微裂纹的时空能量聚集分形特征。研究结果为早期预测煤岩动力灾害提供了重要的理论支撑及应用价值，强调了在监测中需同时关注微裂纹从弥散性破坏向局部化破裂的转变过程。具体结论包括： 1. 煤体变形及微裂纹扩展与声发射特征相关性显著，为岩土工程灾害预警提供了量化依据； 2. 幂律关系和分形特征的同步下降可作为煤岩破坏临界状态的前兆指标，有助于提高监测系统的准确性。

6. 研究亮点

• 提出了以时域分形维数、空间分形维数及b值的三重指标联合预测煤样临界破坏的模型。
• 采用多样化的实验技术及信号分析手段，为煤体破坏过程的精确刻画提供了数据支持。
• 研究揭示了微裂纹从初期随机分布向宏观裂面集聚的转变过程，具有潜在的普适性。

7. 潜在拓展与启示

尽管研究揭示了一系列重要结论，但实验加载过程与实际开采中的地压环境仍存在一定差异。未来研究需进一步扩展实验条件、调整煤样类型，以提升应用场景的适配性。此外，结合更多物理监测信号（如电磁辐射、氡浓度变化），有望全面揭示煤岩及其他岩体的跨尺度破坏机制，从而为地震等更大尺度灾害的预测提供理论依据。