《动静荷载作用下裂隙煤体的损伤演化及破坏机理》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。《动静荷载作用下裂隙煤体的损伤演化及破坏机理》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。

目录
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*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*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*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*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

第1章绪论
　　1.1研究背景与意义
　　在当前国内经济持续稳定发展，环境压力和煤矿安全生产的严峻形势下，煤层气作为一种清洁的非常规天然气能源，对于补齐能源缺口起着十分重要的作用[1，2]。我国煤层气资源量达万，居于世界第三位，煤层气的有效勘探和合理开采工作显得更加迫切。煤储层普遍存在低压、低渗、低饱和及高非均质性的特性，使得煤层瓦斯的大规模开采存在许多理论和技术问题[3]。煤层气以吸附在煤基质颗粒表面为主，部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中，其开采方式一般有地面钻井开采和井下瓦斯抽放两种，通过地面开采和抽放可以大大减少风排瓦斯的数量，提高瓦斯抽采的利用率。
　　煤层中天然存在的许多裂隙是瓦斯渗流、运移及抽采的主要通道，通过压裂储层煤体形成的裂隙网络管道是目前煤层气资源开采的主要手段。煤层在采动荷载的作用下出现裂隙的萌生、扩展和贯通过程，有利于煤层瓦斯的抽采，且在原生裂隙发育的位置附近设置钻孔抽采效果往往更好。开展对煤层中孔隙、裂隙等物理性质的研究工作，探索随应力增大煤体中裂纹演化的静力学和动力学规律，可为煤层气开采和瓦斯治理提供科学理论指导。
　　在采矿工程中，许多工程灾害与煤体在荷载作用下的失稳和变形关系密切。施加采动应力后，煤层中原始裂隙难以承受外荷载，会进一步延伸和扩展，导致巷道围岩的失稳破坏和顶板垮落等问题。煤层中的大量裂隙是制约煤矿生产的安全因素之一，探索裂隙稳定扩展的规律可以为煤柱失稳等灾害的防治提供理论基础。随着地表浅层煤矿资源的日益减少，煤矿开采工作开始向深部发展，不同开采深度下的煤体所受的围压不同，开采过程的加载条件也不同，往往使得力学性能和裂纹扩展规律发生变化。因此，研究煤体在动静荷载作用下的裂纹演化规律和破坏行为具有实际工程价值。
　　由于煤体内部结构复杂，在室内试验前应尽可能准确地保持原生裂隙完整性的前提下完成对裂隙位置和形态的提取工作。目前研究煤体裂隙结构的无损检测方法（仪器）主要有计算机断层扫描（CT）[4，5]、核磁共振[6-8]以及聚焦离子束显微镜[9]等。CT扫描是一种无损的检测方法，它利用X射线的穿透能力来分析物体的内部。自20世纪90年代以来，CT扫描被广泛用于研究煤层中瓦斯等气体的吸附和迁移[10，11]，进行裂隙的定量描述和三维重建[12-14]，揭示荷载作用下煤岩体的变形特征和机理[15]，研究多孔介质中渗透性和裂缝的变化[16]，进而识别和评价煤质，本书借助的是工业CT扫描设备获取初始分布的裂隙。
　　以往的研究多是对岩石材料的力学性能和裂纹扩展进行试验和理论方面的探讨，而对于含原生裂隙的煤体材料在准静态和动态加载下抗压强度变化以及裂纹演化方式的研究较少。以计算机技术为基础的数值模拟方法被广泛用于力学试验的仿真中，相比于现场试验和室内物理试验过程中各种力学参量的烦琐控制，数值模拟有其得天*厚的优势，可以*大限度地节省人力和物力资源，避免试验过程中人为因素和环境因素的干扰，在保证模型参数合理、符合真实物理试验的前提下，数值模拟的结果得到越来越多学者的认可。在有限元方法中需要将研究的材料选定为连续介质模型，然而煤体、岩石等大多数自然界中的材料都属于非连续介质，在模拟裂隙的扩展和破坏行为方面与实际试样相差较大。后续发展起来的离散元法在非连续介质的仿真上取得了较好的效果，能够得到较为逼真的裂纹扩展模式，在预制裂隙岩石单轴/三轴试验、声发射、分离式霍普金森压杆（SHPB）冲击等方面发挥重要作用。
　　1.2裂隙煤体数值方法研究现状与进展
　　岩石材料在静态和动态加载下的力学响应有很大差异，静态加载是物体由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程，而动态加载指的是物体所受外力或者速度不断变化的过程。静态加载与动态加载的区分在于应变速率，不同加载方式下试样的应变速率变化范围也不同。在岩石工程领域的力学试验中，单轴压缩和三轴压缩室内试验是典型的准静态加载过程，分离式霍普金森压杆是研究中高应变速率下试样动力学性能常用的试验装置。本书主要采用上述所提的三类试验来研究煤体在动静荷载下的裂纹演化和破坏特征。
　　早期的研究多是对制备的岩石试样进行室内力学加载试验，对完整或者预制裂隙的岩石进行单轴、三轴和巴西劈裂等静态加载试验以及利用分离式霍普金森压杆进行动力学冲击试验，由于室内试验的操作具有局限性，不易预制含裂隙岩石试样，并且预制的裂隙在数量、位置和形态上大多形式较为单一，难以反映岩石材料内部自然存在裂隙的影响。室内力学试验在不借助各种精密仪器的情况下只能对试样破坏后的宏观裂隙进行分析，这种表观现象不能够准确揭示裂纹扩展的微观机理。因此，需要借助数值模拟方法，结合室内物理试验来揭示裂纹扩展、抗压强度和破坏形态等研究内容的微观变化规律。
　　目前，数值模拟方法主要有有限元和离散元两大类。有限元理论用于对连续介质的分析，离散元理论用于对非连续介质的分析，两者还可以相互结合形成连续-非连续耦合方法。从查阅的相关文献可以总结出岩石中裂隙多是采用在数值模型中预制的方法进行研究，并且取得一系列丰硕的成果，而离散元方法（DEM）在岩石预制各种裂隙的研究方面得到充分的发掘，不断用于煤岩体裂纹演化的模拟中，同时也逐渐应用于冲击动力学领域中。本节的研究现状主要以有限元方法和离散元方法为载体，对多数学者在岩石中预制裂隙进行单轴和三轴数值模拟以及分离式霍普金森压杆的冲击模拟进行相关工作的介绍，并总结了其中的一些不足之处。
　　1.2.1预制裂隙煤岩体的单轴压缩数值模拟研究
　　在岩石中预制特定数量分布的裂隙，研究在单轴压缩下试样的裂纹扩展问题，数值模拟方法在其中发挥着不可替代的作用。有限元法在模拟的过程中需要将研究的模型划分成各种类型的网格，考虑材料的本构关系、平衡方程和变形协调关系等，在基于连续介质力学理论的基础上对数值模型施加不同的边界条件和荷载，进行力学加载试验，来研究某一特定断裂现象或者预测材料将要发生何种形式的破坏。基于离散元理论的主流软件颗粒流程序（PFC）相较于有限元软件则不需要考虑复杂的本构关系，它是以牛顿第二定律和力-位移方程为基础理论进行求解计算，一旦在外力的作用下颗粒之间的黏结产生破坏，就会生成裂纹，在模拟岩石裂纹扩展方面更为直观和便利。
　　马建华和徐芳超[17]、Wong等[18]、Tang等[19]采用基于弹性损伤本构关系和刚度退化来反映细观单元损伤情况下破裂过程的分析软件RFPA分别对二维和三维状态下单裂纹、三裂纹、多裂纹演化进行单轴压缩数值模拟，阐明了岩样内部累积损伤、成核、宏观裂纹出现直至失稳破坏的过程，分析了不同数量下的裂隙倾角和长度、模型宽度和裂纹位置等因素对试样裂纹萌生、扩展和贯通行为的影响。
　　汪子华和熊良宵[20]、郝宪杰等[21]、高洋等[22]基于有限差分法，使用FLAC3D建立线弹性数值模型来研究单一裂隙、节理面的倾角、节理面的厚度、节理面的长度等因素对单轴抗压强度的影响。采用正交理论分析了弹性模量、泊松比、黏聚力、内摩擦角等因素对变形及破坏形态的影响，揭示了完整岩石的破坏*先出现在应力集中区域，逐渐形成倾斜的应力面，导致模型沿着倾斜面破坏，而对于含有裂隙的岩石会在裂隙端部形成应力集中，随着外荷载的增加，逐渐产生垂直于裂隙方向的裂纹，*终贯通整个试样。
　　李强等[23]基于ABAQUS有限元方法在初始裂纹周围区域进行了局部加密，裂尖处布置奇异单元，应用*大拉应力准则和复合应力强度因子对闭合翼形裂纹面进行模拟，研究发现在单轴压缩下岩体裂纹的破坏几乎都是由于翼形裂纹的失稳扩展引起的。Bobet和Einstein[24]在有限元边界法的基础上对两条裂纹的起裂机制进行研究，使用FROCK程序建立数值模型，详细地讨论了单轴压缩下裂纹的细观演化机制。
　　颗粒流离散元方法在单轴压缩岩石裂隙模拟方面的研究工作较多，在预制裂隙的模拟上采用的多是删除部分颗粒形成非闭合裂隙，其中离散裂隙网络（DFN）常见于模拟闭合裂隙。预制裂隙在形态上有线形、圆孔和椭圆孔形或者是它们的组合形式，数量上有单条、两条和多条裂隙的差异，位置多处于模型的中心位置。本书基于颗粒流离散元建模方法，采用部分弱化颗粒来模拟裂隙的分布形态，进一步对这种闭合形式的单一裂隙进行单轴压缩模拟。
　　刘华伟和杨晨[25]模拟了含闭合裂隙和非闭合裂隙试样在单轴压缩下的破坏形态差异，研究发现裂隙的闭合与否对模型的破坏特征产生显著影响，闭合裂隙试样的峰值强度随摩擦系数的增大而增大。张拉破坏由翼形裂纹扩展引起，宏观剪切破坏由次生裂纹贯穿造成。明华军等[26]对不同裂隙张开度下的岩石材料进行离散元模拟，发现张开度的大小影响张拉裂纹在峰值强度出现的前后顺序，存在裂隙极限张开度干扰着模型的受力破坏。周喻等[27]研究了单侧限压缩条件下岩体中的裂纹演化规律，随着裂隙数量的增加，单侧限抗压强度近似呈线性规律降低，声发射数量和破裂强度均近似服从高斯函数分布关系。
　　黄达等[28]对不同倾角下的非贯通单裂隙进行单轴压缩数值模拟，研究了岩体损伤演化的中等应变速率效应，得出裂纹尖端的破坏应力随应变速率的增加有所提高，试样的端部出现的裂纹变多，有明显的端部效应。翼形裂纹的扩展长度与预制裂隙倾角和加载速率均有联系。姜兆华和林山泉[29]、于利强等[30]、赵桐德等[31]、王煜等[32]对不同倾角下单一裂隙的应力-应变、应变能、应变速率以及裂纹扩展机制的规律研究，发现裂隙模型的破坏以剪切破坏为主，45°裂隙倾角下的试样裂纹数量*多，模型对角线方向的微裂纹较多，在此方向上容易产生破坏。岩样的破坏由裂隙倾角控制，主要分为拉伸破坏、剪切破坏以及拉伸/剪切混合破坏模式。随着加载速率的增加，翼形裂纹向反抗拉裂纹类型转化，破坏模式也由剪切破坏过渡为拉伸破坏。
　　陈秀云[33]分析了单一闭合中心裂隙宽度、长度、摩擦系数和倾角对岩石破坏特征的影响，结果表明在裂隙倾角为0°或90°时，长度和摩擦系数越小的裂隙越接近完整岩石的强度。Jin等[34]对含单一非闭合裂隙的类岩石材料对失效过程和能量变化的影响进行相关试验和离散元模拟，离散元可以较为真实地反映压缩过程中出现的拉伸裂纹和剪切裂纹，裂隙倾角为0°、15°和30°时，试样的破坏特征相似，90°倾角下的裂隙试样破坏特征与完整试样相似，75°和90°时裂隙应变场的影响较小，裂隙倾角越接近水平，其对变形场的影响越大。黄达和岑夺丰[35]对单一裂隙岩石在单轴静-动压缩荷载作用下的能量耗散和损伤演化规律进行研究，得出相继动态压缩与抗压强度的增加直接相关，随着初始损伤的增加，小倾角裂隙对强度减少的影响较大。
　　邓清海等[36]、Lei等[37]、李勇等[38]对含有两条平行预制裂隙的岩样的变形破坏、裂纹扩展和合并方式进行单轴压缩数值模拟，研究发现裂隙的存在降低了峰值破坏强度，模型中出现的裂纹以拉伸裂纹为主，剪切裂纹在峰后出现。弹性模量和峰值强度随岩样的增大呈现先减小后增大再减小的趋势。在裂纹萌生初期的次生裂纹抑制裂隙端部的压应力集中效应，加载过程中的*大剪应力随轴向应变的增加而增加。
　　Zhang和Wong[39]、Lee和Jeon[40]研究了位于中心位置的单一裂隙和双裂隙的裂纹扩展行为，结果表明，随着加载速率的增加，抗压强度也显著增加，裂纹的离散分布数量越多，裂纹合并的方式以拉伸破坏为主转变为剪切带方式。平行黏结接触模型在静态加载下的速率上限为0.08m/s，可观察到新几何形状的裂纹起始和贯通方式。
　　唐礼忠和宋徉霖[41]对非共面重叠型裂隙试样进行单轴压缩颗粒流模拟，研究了试样轴向应力、应变能和应变场的变化规律，结果表明抗压强度随裂隙倾角的增加而增大，小倾角裂隙下的试样塑性变形明显，大倾角裂隙下的试样弹脆性显著，储能较多。倪红梅等[42]对不同加载速率下的断续非共面双裂隙岩石进行单轴压缩数值模拟，加载速率主要影响应力-应变*线的峰值强度和峰后阶段，对峰前阶段影响很小，裂纹损伤和峰值