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摘要
煤样裂纹尖端存在着微裂纹聚集的非线性过程区,其影响着试样强度及结构稳定性,并使得煤样断裂过程无法用经典线弹性断裂力学模型来描述。为了更好地认识煤样裂纹扩展非线性力学行为,本文开展以含中心切口煤样为测试对象的三点弯曲实验,实现煤样I型张拉裂纹缓慢扩展控制,综合采用声发射和数字图像匹配技术追踪可视化了煤样裂纹扩展全过程,基于等效线弹性断裂力学模型计算煤样断裂力学参数,分析煤样裂纹扩展准则及扩展速度,并与实验测试结果进行对比验证。结果表明:峰前阶段煤样裂纹尖端过程区不断发育,完全发育的过程区长度为7.5 mm,临界张开量为38.4μm;而峰后裂纹扩展阶段过程区长度和临界张开量值保持不变,无应力约束裂纹长度逐渐增大,导致有效裂纹长度也随之变大。整个加载过程中绝大多数声发射事件定位于过程区内,表明声发射主要来源为过程区内的微裂纹活动。根据等效线弹性断裂力学模型计算得出煤样断裂韧度KIC均值为0.316 MPa·■,临界能量释放率Gc值为39.6～40.4 N/m,这与由RILEM标准计算的煤样断裂能Gf=36.2～39.6 N/m较接近。煤样峰后裂纹扩展满足考虑过程区影响的KI=KIC断裂准则,根据该准则得到理论CMOD–载荷曲线与实验结果吻合较好;且理论和实验结果均表明裂纹扩展速度是非线性的:随着裂纹长度的增大,裂纹扩展速度逐渐降低。
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单位中国矿业大学; 中国矿业大学（北京）; 煤炭资源与安全开采国家重点实验室; 煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室
