基于能量耗散与声发射特征的煤-泥岩损伤模型构建方法与流程

本发明属于岩石力学、煤-泥岩损伤监测及本构模型构建，具体涉及一种基于单轴压缩能量耗散与声发射特征的煤-泥岩组合体损伤本构模型构建方法。

背景技术：

1、煤系地层中煤层与其顶、底板泥岩层共同构成典型的煤-泥岩组合承载结构。由于煤岩与泥岩在弹性模量、强度、脆塑性、裂隙发育程度以及变形协调能力方面存在明显差异，煤-泥岩组合体在单轴压缩受载过程中往往表现出显著的非均质变形和局部损伤集中现象。裂纹可能首先在软弱煤层、煤-泥岩界面或应力集中区萌生，随后发生稳定扩展、非稳定扩展、穿层贯通，最终诱发整体失稳破坏。

2、目前，煤-泥岩组合体力学研究通常以峰值强度、弹性模量、峰值应变、破坏模式及应力-应变曲线阶段划分为主要依据。上述方法能够表征组合体宏观承载能力，但难以揭示受载全过程中内部微裂纹活动与宏观损伤演化之间的定量关系。声发射技术能够实时捕捉煤-泥岩内部裂纹萌生、扩展和贯通过程中的弹性波信号，但若仅以声发射计数、振铃计数或声发射能量进行描述，往往缺少与损伤本构模型之间的直接联系。

3、能量耗散理论认为，煤-泥岩材料受载破坏过程中输入能量的一部分以弹性应变能形式储存，另一部分以裂纹扩展、界面摩擦滑移、塑性变形和局部破坏等形式耗散。耗散能与损伤演化具有直接关系，能够作为表征煤-泥岩组合体不可逆损伤过程的重要变量。然而，单独采用能量耗散指标时，仍难以准确识别裂纹起裂、穿层贯通和失稳破坏等关键阶段。

4、煤储层与其顶底板泥岩构成天然的层问力学系统，两者煤岩组成及本构关系差异显著。现有研究对煤储层非均质发育特征及其开发动态效应认识不足，组合体中不同组分的强度分布、层理倾角等因素对损伤演化的控制作用尚未在本构关系中得到有效刻画。多数模型将煤-泥岩组合体简化为均质体，忽略了界面处的损伤局部化特征和能量耗散集中效应，导致对组合体全应力-应变过程的预测存在偏差。

5、亟需提出一种面向单轴压缩试验条件的煤-泥岩组合体损伤本构模型构建方法，将应力-应变响应、能量耗散和声发射特征参数统一到同一损伤分析框架中，从而提高煤-泥岩组合体损伤演化定量表征和失稳破坏阶段判别的可靠性。

技术实现思路

1、本发明是为了解决现有技术中存在的煤-泥岩组合体损伤分析中宏观力学曲线、能量演化和声发射活动相互割裂，损伤变量缺乏明确物理来源，裂纹起裂、扩展、穿层贯通及失稳破坏阶段难以定量识别等问题而提出的，其目的是提供一种基于单轴压缩能量耗散与声发射特征的煤-泥岩组合体损伤本构模型构建方法。

2、本发明是通过以下技术方案实现的：

3、一种基于能量耗散与声发射特征的煤-泥岩损伤模型构建方法，包括以下步骤：

4、s1、制备含煤、泥岩和煤-泥岩接触界面的煤-泥岩组合体试样，并记录煤-泥岩组合体试样的几何参数、煤-泥岩层位参数和试样编号；

5、s2、对步骤s1制备的煤-泥岩组合体试样进行单轴压缩声发射同步监测试验，并同步采集数据；

6、s3、对步骤s2采集的数据进行时序同步和预处理，获得煤-泥岩组合体试样时序同步后的轴向载荷-轴向位移数据和声发射演化曲线；

7、s4、根据步骤s2采集数据构建第i个采样点的单轴压缩力学响应参数；

8、s5、计算单轴压缩全过程能量演化参数；

9、s6、建立耗散能与声发射特征参数之间的定量关联关系；

10、s7、构建煤-泥岩组合体的损伤变量：

11、s8、确定weibull分布参数：

12、s9、建立煤-泥岩组合体单轴压缩损伤本构模型。

13、在上述技术方案中，所述煤-泥岩组合体为泥岩-煤组合体、煤-泥岩组合体、泥岩-煤-泥岩组合体或煤-泥岩-煤组合体中的任意一种；

14、所述煤-泥岩接触界面为天然界面、切割贴合界面或胶结模拟界面中的任意一种；

15、所述几何参数包括试样高度、截面面积，其中试样高度的单位为mm，截面面积的单位为mm2；

16、所述煤-泥岩层位参数包括煤岩层高度、泥岩层高度和煤-泥岩界面位置，单位均为mm。

17、在上述技术方案中，所述步骤s2中采集的数据包括轴向载荷f、轴向位移δh、和声发射原始信号；

18、所述单轴压缩声发射同步监测试验通过将煤-泥岩组合体试样置于单轴压缩试验机中进行；

19、所述单轴压缩声发射同步监测试验采用位移控制或应变控制方式进行连续加载，加载过程中通过声发射传感器捕捉裂纹起裂、扩展、界面滑移和局部破坏过程中的瞬态弹性波信号；

20、声发射传感器布置于煤岩层、泥岩层或煤-泥岩界面邻近位置；

21、声发射传感器与煤-泥岩组合体试样表面之间采用耦合剂耦合。

22、在上述技术方案中，所述单轴压缩力学响应参数包括轴向应力、轴向应变、初始弹性模量、峰值强度、峰值应变和残余承载应力；

23、所述轴向应力的计算公式为：

24、

25、式中：为第i个采样点的轴向应力，单位为mpa；为第i个采样点的轴向载荷，单位为n；为第i个采样点的试样截面面积，单位为mm2；

26、所述轴向应变的计算公式为：

27、

28、式中：为第i个采样点的轴向应变，无量纲；为第i个采样点的轴向变形量，单位为mm；为第i个采样点的试样初始高度，单位为mm；

29、所述初始弹性模量通过线弹性阶段的应力-应变曲线的斜率确定，初始弹性模量的计算公式为：

30、

31、式中：为第i个采样点的初始弹性模量，单位为mpa；为第i个采样点的线弹性阶段应力-应变曲线的起点轴向应力，单位为mpa；为第i个采样点的线弹性阶段应力-应变曲线的终点轴向应力，单位为mpa；为第i个采样点的线弹性阶段应力-应变曲线的起点轴向应变，无量纲；为第i个采样点的线弹性阶段应力-应变曲线的终点轴向应变，无量纲；

32、所述峰值强度取单轴压缩应力-应变曲线中的最大轴向应力，峰值应变取峰值强度对应的轴向应变；所述残余承载应力取峰后稳定残余承载阶段轴向应力的平均值；当峰后无明显稳定残余承载阶段时，取预设峰后应变区间内轴向应力的平均值作为残余承载应力；

33、所述残余承载应力的计算公式为：

34、

35、式中：为残余承载应力，单位为mpa；为峰值强度，单位为mpa；为残余强度系数，无量纲，。

36、在上述技术方案中，所述单轴压缩全过程能量演化参数包括总输入能、弹性应变能、耗散能、耗散能增量和耗散能占比；

37、所述总输入能基于应力-应变曲线采用梯形积分方式计算得到，具体计算公式为：

38、

39、式中：为累计至第i个采样点的总输入能，单位为mj/m3；为第j个采样点的轴向应力，单位为mpa；为第j-1个采样点的轴向应力，单位为mpa；为第j个采样点的轴向应变，无量纲；为第j-1个采样点的轴向应变，无量纲；

40、所述弹性应变能的计算公式为：

41、

42、式中：为第i个采样点的弹性应变能，单位为mj/m3；为第i个采样点的轴向应力，单位为mpa；为第i个采样点的初始弹性模量，单位为mpa；

43、所述耗散能的计算公式为：

44、

45、式中：为第i个采样点的耗散能，单位为mj/m3；为第i个采样点的总输入能，单位为mj/m3；为第i个采样点的弹性应变能，单位为mj/m3；

46、所述耗散能增量的计算公式为：

47、

48、式中：为第i个采样点的耗散能，单位为mj/m3；为第i-1个采样点的耗散能，单位为mj/m3；为耗散能增量，单位为mj/m3；

49、所述耗散能占比的计算公式为：

50、

51、式中：为第i个采样点的耗散能，单位为mj/m3；为第i个采样点的总输入能，单位为mj/m3；为第i个采样点的耗散能占比，无量纲。

52、在上述技术方案中，所述声发射特征参数采用振铃计数、累计振铃计数或声发射能量中的至少一种，且在同一模型构建过程中所选的声发射特征参数类型保持一致；

53、耗散能与声发射特征参数之间的定量关联关系采用幂函数、指数函数或归一化函数中的至少一种进行表征；

54、定量关联关系的幂函数的表征形式为：

55、

56、定量关联关系指数函数的表征形式为：

57、

58、定量关联关系归一化函数的表征形式为：

59、

60、式中：为归一化声发射指标，无量纲，用于消除不同试样之间的幅值差异；为第i个采样点的加载全过程耗散能最大值，单位为mj/m3；g为比例系数，无量纲。

61、归一化声发射指标的计算公式为：

62、

63、式中：为第i个采样点的归一化声发射指标，无量纲；为第i个采样点的声发射特征参数；为第i个采样点的声发射特征参数的最小值；为第i个采样点的声发射特征参数的最大值；、和为拟合参数，其量纲根据所选声发射特征参数及拟合函数形式确定；nae,i、nae,min和nae,max的单位均随所选声发射特征参数类型确定。

64、在上述技术方案中，所述损伤变量包括基于耗散能的损伤变量、基于归一化声发射指标的损伤变量以及综合损伤变量；

65、所述基于耗散能的损伤变量的计算公式为：

66、

67、式中：为第i个采样点的基于耗散能的损伤变量，无量纲；为第i个采样点的耗散能，单位为mj/m3；为weibull形状参数，无量纲，用于反映煤-泥岩组合体微单元强度离散程度和损伤曲线形态；为weibull尺度参数，单位为mj/m3，用于反映损伤演化过程中的特征能量尺度；

68、所述基于归一化声发射指标的损伤变量的计算公式为：

69、

70、式中：为峰值应力对应的归一化声发射指标，无量纲；dae,i为基于归一化声发射指标的损伤变量，无量纲；当大于1时取；

71、所述综合损伤变量的计算公式为：

72、

73、式中：为能量损伤权重，无量纲，。

74、在上述技术方案中，所述weibull分布参数包括形状参数和尺度参数；所述weibull分布参数通过基于耗散能的损伤变量与耗散能的线性化关系确定，线性拟合的直线斜率为m，截距为-m·ln()。

75、在上述技术方案中，所述煤-泥岩组合体单轴压缩损伤本构模型表示为：

76、

77、或者表示为：

78、

79、式中：为第i个采样点的综合损伤变量，无量纲；为第i个采样点的轴向应力，单位为mpa；为第i个采样点的初始弹性模量，单位为mpa；为第i个采样点的轴向应变，无量纲；为第i个采样点的残余承载应力，单位为mpa。

80、在上述技术方案中，所述方法还包括损伤破裂阶段判别：

81、所述损伤破裂阶段判别包括裂纹起裂阶段判别、裂纹稳定扩展阶段判别、裂纹非稳定扩展阶段判别和穿层贯通或失稳破坏阶段判别；

82、所述裂纹起裂阶段的判据包括：应力-应变曲线偏离线弹性段、连续大于预设耗散能增量阈值，以及连续大于声发射背景阈值中的至少两项同时满足；

83、所述裂纹稳定扩展阶段的判据包括：随持续增加且保持缓慢增长，声发射事件呈连续但非突增分布；

84、所述裂纹非稳定扩展阶段判据为：、和中的至少两项出现显著增大；

85、所述穿层贯通或失稳破坏阶段的判据包括：应力达到或接近峰值强度，耗散能占比快速升高，声发射累计能量或累计振铃计数出现突增，且综合损伤变量达到预设临界综合损伤阈值，无量纲。

86、本发明的有益效果是：

87、本发明提供了一种基于单轴压缩能量耗散与声发射特征的煤-泥岩组合体损伤本构模型构建方法，以单轴压缩试验为基础，参数来源明确，避免了模型参数脱离试验数据的问题，适用于煤-泥岩组合体单轴压缩损伤演化分析；将应力-应变响应、能量耗散、声发射特征和weibull统计损伤理论统一到同一方法框架中，使损伤变量既具有能量物理含义，又能够反映裂纹活动的声发射响应。

88、本发明不仅能够给出煤-泥岩组合体峰值强度、峰值应变和弹性模量等常规力学参数，还能够输出耗散能、耗散能占比、损伤变量、weibull参数和残余强度系数等损伤本构参数。

89、本发明能够对裂纹起裂、稳定扩展、非稳定扩展、穿层贯通和失稳破坏阶段进行联合判别，为煤矿顶底板稳定性评价、煤-泥岩界面破坏识别和煤-泥岩组合结构承载能力评价提供定量依据。

90、本发明的公式均基于单轴压缩试验数据、能量演化数据和声发射监测数据构建，方法流程清晰，便于在实验室测试数据处理中推广应用。