动静荷载作用下裂隙煤体的损伤演化及破坏机理

本书系统开展了以颗粒流离散元方法为核心、室内试验为验证的裂隙煤体力学行为研究。内容涵盖动静荷载作用下裂隙煤体的离散元建模理论、参数智能标定技术与接触参数敏感性分析，集成单轴/三轴静压试验、SHPB冲击试验、工业CT三维重构、连续-非连续耦合算法及人工智能参数反演等先进方法，全面揭示了不同应力状态下裂隙煤体的强度特征、变形规律与裂纹扩展机制。全书共7章：第1章综述研究现状；第2、3章分别探讨静荷载单轴与三轴条件下裂隙煤体的破坏规律与离散元模拟技术；第4、5章聚焦冲击荷载作用下不同裂隙形态煤体的动态响应；第6、7章深入分析冲击荷载对煤体微观孔隙结构的演化机制。

前言
第1章 绪论 1
1.1 研究背景与意义 1
1.2 裂隙煤体数值方法研究现状与进展 2
1.2.1 预制裂隙煤岩体的单轴压缩数值模拟研究 3
1.2.2 裂隙煤岩体的三轴压缩数值模拟研究 8
1.2.3 霍普金森压杆冲击模拟研究 9
1.3 主要研究内容 12
第2章 煤体单轴压缩试验与数值模拟 13
2.1 煤体制备及单轴压缩试验 13
2.1.1 煤体试样的制备过程 13
2.1.2 工业CT扫描 13
2.1.3 煤体的单轴压缩试验 17
2.2 颗粒流离散元理论简介 19
2.2.1 颗粒流离散元原理和基本假设 19
2.2.2 内置接触模型介绍 21
2.3 煤体单轴压缩数值模拟 29
2.3.1 单轴压缩模型的建立与参数选取 29
2.3.2 试验和模拟结果分析 33
2.3.3 接触参数变化对含原生裂隙模型的影响分析 34
2.4 单一裂隙煤样的单轴压缩模拟 44
2.4.1 闭合单一裂隙扩展的断裂力学理论 45
2.4.2 含不同倾角单一直裂隙试样的模拟 47
2.4.3 含不同长度单一直裂隙试样的模拟 49
2.4.4 不同接触参数对含单一裂隙数值模拟结果的影响分析 52
2.5 基于优化BP 神经网络的PFC 参数标定方法 60
2.5.1 优化BP 神经网络的基本理论 61
2.5.2 基于优化BP 神经网络的PFC 参数识别过程 72
2.6 本章小结 81
第3章 煤体三轴压缩试验与数值模拟 83
3.1 煤样制备及三轴压缩试验 83
3.1.1 煤样制备过程 83
3.1.2 三轴压缩试验设备与试验方案 84
3.1.3 三轴压缩试验结果分析 84
3.2 三轴压缩数值模拟 86
3.2.1 三轴压缩模型的建立 86
3.2.2 试验与模拟结果分析 87
3.2.3 模型参数变化对三轴压缩模拟结果的影响 92
3.3 不同条件下煤体的力学性能和裂纹演化 100
3.3.1 围压变化的影响 100
3.3.2 加载速率的影响 104
3.4 本章小结 107
第4章 煤体单轴冲击破坏特征 109
4.1 SHPB测试原理及试验装置 109
4.2 煤体试样的SHPB动态测试 111
4.2.1 煤样制备和试验方案 111
4.2.2 不同冲击气压下的波形验证 113
4.3 SHPB试验结果 114
4.3.1 单轴冲击压缩曲线 114
4.3.2 单轴冲击下煤体破坏形态分析 118
4.4 单轴SHPB冲击数值模拟 119
4.4.1 单轴SHPB模型的建立 119
4.4.2 煤体力学性能变化规律和裂纹演化特征 123
4.5 含裂隙煤体的单轴SHPB冲击试验 128
4.5.1 含原生裂隙煤体的SHPB冲击模拟 129
4.5.2 含单一裂隙煤体的SHPB冲击模拟 134
4.5.3 含随机分布裂隙煤体的SHPB冲击模拟 136
4.5.4 接触模型参数变化对冲击结果的影响分析 137
4.6 本章小结 143
第5章 煤体三轴冲击破坏特征 144
5.1 室内三轴冲击试验 144
5.1.1 三轴冲击曲线分析 144
5.1.2 三轴冲击下煤体破坏形态分析 147
5.2 非连续与连续耦合计算方法 149
5.3 三轴冲击模型的建立 151
5.3.1 不同三轴冲击速度下煤体的强度变化及破坏行为 153
5.3.2 不同围压下煤体的强度变化及破坏行为 159
5.4 不同形状缺陷煤体的三轴SHPB冲击模拟 161
5.4.1 含球形缺陷煤体的破坏特征研究 161
5.4.2 含线形缺陷煤体的破坏特征研究 164
5.5 模型接触参数变化对煤体三轴冲击结果的影响 167
5.5.1 线性部分的接触参数影响 168
5.5.2 平行黏结部分的接触参数影响 169
5.6 本章小结 175
第6章 冲击作用下煤体微观结构特征 177
6.1 各向异性煤体冲击动力学特征 177
6.1.1 冲击实验结果及分析 177
6.1.2 冲击过程的能量传递 187
6.1.3 煤样的冲击损伤规律 188
6.2 冲击前后低温液氮吸附测试结果分析 190
6.2.1 BET比表面积 191
6.2.2 BJH比表面积 193
6.2.3 BJH孔容 198
6.2.4 孔径分布 201
6.2.5 低温液氮吸附-脱附曲线 203
6.3 冲击前后压汞测试结果分析 211
6.3.1 孔容测试结果与分析 212
6.3.2 孔隙度及退汞效率 217
6.3.3 平均孔径 221
6.3.4 孔径分布 223
6.3.5 进、退汞曲线 227
6.4 本章小结 233
第7章 煤样冲击孔隙形貌变化与定量评价 235
7.1 扫描电子显微镜实验 235
7.2 高阶煤冲击前后扫描电子显微镜图像直观对比 236
7.3 高阶煤冲击前后孔隙结构特征定量评价 240
7.3.1 阈值划分与孔隙参量提取 241
7.3.2 孔隙基本参量分析 245
7.4 冲击荷载对高阶煤微纳观孔隙的分形研究 246
7.5 冲击荷载对高阶煤微纳观孔隙结构的作用机理 251
7.5.1 基于位错塞积效应的微观裂纹的形成与扩展 251
7.5.2 冲击荷载对高阶煤微观孔隙的破坏模式 252
7.6 本章小结 258
参考文献 260