مدلسازی عددی فرآیند انتشار ترک در نمونه زغال‌سنگ ترد حاوی ترک تحت بار فشاری

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی معدن و متالورژی دانشگاه یزد

2 دانشگاه یزد- دانشکده مهندسی معدن و متالورژی

3 عضو هیات علمی دانشکده مهندس معدن و متالورژی دانشگاه یزد

4 مدیر نظارت، بازرسی و ایمنی سازمان نظام مهندسی معدن ایران

چکیده

در نمونه زغال‌سنگ ترد حاوی ترک تحت بار فشاری، اولین ترک ایجاد شده ترک باله‌ای است که تحت نیروی کششی به وجود می‌آید. پس از آن به ترتیب ترک صفحه‌ای و مورب شکل گرفته که حاصل از نیروی برشی است. در این پژوهش جهت بررسی مسیر رشد انواع ترک و مقدار نیروی لازم جهت ایجاد آن از یک روش المان گسسته مبتنی بر مدل پیوند موازی خطی (LPBM) استفاده شده است. نتایج مدل های عددی با بررسی بار وارد بر نمونه زغال‌سنگ حاوی ترک از پیش موجود نشان داده است که میانگین مقدار نیروهای نرمال برای شکستن پیوند در ترک باله‌ای حدود 11 و 30 درصد در ترک مورب و هم‌صفحه است و همین مقدار پایین نیروهای نرمال دلیلی بر رشد ترک باله‌ای کششی در نمونه است. مقدار نیروی‌ برشی لازم برای غلبه بر پیوند موازی ذره‌ها در ترک مورب و هم‌صفحه به ترتیب حدود 5/7 و 5/3 برابر ترک باله‌ای است و برای رشد ترک لازم است پیوند برشی بین ذره‌ها در مسیر ترک مورب و هم صفحه‌ شکسته شود. میانگین نیروی برشی لازم برای شکستن پیوند در مسیر ترک هم‌صفحه حدود 47 درصد در مسیر ترک مورب است، و این موضوع باعث می‌شود ترک هم‌صفحه سریع‌تر از ترک مورب شکل بگیرد. تا قبل از مقاومت اوج نمونه ترک باله‌ای نسبت به بقیه ترک‌های ثانویه بیشترین طول را دارد و این موضوع سبب به هم پیوستن ترک‌های از پیش موجود در لایه‌های زغال‌سنگ با استفاده از ترک باله‌ای می‌شود.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Numerical modeling of crack propagation process in brittle coal sample containing pre-existing crack under compressive load

نویسندگان [English]

  • Mohammadreza Shahbazi 1
  • Mehdi Najafi 2
  • Mohammad Fatehi Marji 3
  • Soroush Godazgary 4
1 Department of Mining and Metallurgical Engineering
2 Department of Mining and Metallurgical Engineering, Yazd University
3 Department of Mining and Metallurgical Engineering, Yazd University, Yazd, Iran
4 Iranian Mining Engineering Organization (IMEO)
چکیده [English]

In this study, a discrete element method based on linear parallel bond model (LPBM) has been used to investigate the growth path of cracks and the amount of force required to create it. The formation of cracks in this method is due to the breaking of the bond between the particles, which forms macro cracks by joining the microcracks. It was found that the average normal forces for breaking the bond in wing crack are about 11 and 30% in oblique and coplanar cracks by investigate the load on the coal sample containing pre-existing cracks, therefore, the growth of wing tensile cracks in the sample is due to the low value of normal forces. The value of shear force required to overcome the parallel bond of particles in oblique and coplanar cracks is about 7.5 and 3.5 times in wing crack, respectively, in order for crack propagation, it is necessary to break the shear bond between the particles in the oblique and coplanar crack path. The average shear force required to break a bond in the coplanar crack path is about 47% in the oblique crack path, which makes the coplanar crack faster than the oblique crack. The wing crack has the highest value in terms of length compared to other secondary (induced) cracks before the peak point (in stress-strain curve), and this causes the pre-existing cracks in the coal seams to be joined using wing cracks.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Brittle coal
  • Secondary (induced) cracks
  • Crack growth
  • Linear Parallel Bond Model (LPBM)
نجفی، م.، 1393. مدل­سازی ترمومکانیکی برای تعیین ابعاد پهنه­های استخراجی در روش گازکردن زیرزمینی زغال­سنگ، رساله­ی دکتری، دانشگاه صنعتی شاهرود.
شهبازی، م.، 1395. تحلیل ترمومکانیکی پایداری چاه­های تزریق و تولید در روش تبدیل به گازکردن زغال­سنگ در زیرزمین، پایان نامه کارشناسی ارشد، دانشگاه یزد.
Bobet, A., and Einstein H.H., 1998. Fracture Coalescence in Rock-type Materials under Uniaxial and Biaxial Compression, Int. J. Rock Mech. Min. Sci. Vol. 35, No. 7, pp. 863±888, PII: S0148-9062(98)00005-9.
Fatehi, M.M., 2014. Numerical analysis of quasi-static crack branching in brittle solids by a modified displacement discontinuity method, International Journal of Solids and Structures 51,1716–1736, http://dx.doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2014.01.022.
Huang, Q.X., and Gao, S.N., 2001. Mechanical model of fracture and damage of coal bump in the entry, China Coal Soc, 26 156–9.
Itasca consulting group, Inc. PFC 2D Version 6.00, 2019, (www.itascacg.com).
Li, L., Yan. S., Liu, Q., Yu, L., 2018. Micro- and macroscopic study of crack propagation in coal: theoretical and experimental results and engineering practice, Journal of Geophysics and Engineering, https://doi.org/10.1088/1742-2140/aabb34.
Li, X.C., Wang, C., Zhao, C.H., Yang, H., 2012. The propagation speed of the cracks in coal body containing gas, Safety Sci, 50, 914–917.
Lin, Q., Cao, P., Wen, G., Meng, J., Cao, R., Zhao, Z., 2021. Crack coalescence in rock-like specimens with two dissimilar layers and pre-existing double parallel joints under uniaxial compression, International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 139, 104621, https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2021.104621.
Wang, C., Zhang, C., Li, T., Zheng, C., 2019. Numerical investigation of the mechanical properties of coal masses with T-junctions cleat networks under uniaxial compression, International Journal of Coal Geology, https://doi.org/10.1016/j.coal.2018.12.005.
Wu, P.F., Liang, W.G., Li, Z.G., Cao, M.T., Yang, J.F., 2016. Investigations on mechanical properties and crack propagation characteristics of coal and sandy mudstone using three experimental methods, Rock Mech. Rock Eng., 50, 1–9.
Xie, Y., Cao, P., Liu, J., Dong, L., 2016. Influence of crack surface friction on crack initiation and propagation: A numerical investigation based on extended finite element method, Computers and Geotechnics 74 (1–14), http://dx.doi.org/10.1016/j.compgeo.2015.12.013.
Yang, S.Q., and Huang, Y.H., 2017. Failure behaviour of rock-like materials containing two pre-existing unparallel flaws: an insight from particle flow modeling, European Journal of Environmental and Civil Engineering, Volume 22(sup1):s57–78.
Yao, Q.L., Chen, T., Ju, M.H., Liang, S., Liu, Y.P., Li, X.H., 2016. Effects of water intrusion on mechanical properties of and crack propagation in coal, Rock Mechanics and Rock Engineering, Volume 49, Issue 12, pp.4699-4709, https://doi.org/10.1007/s00603-016-1079-9.
Yin, G.Z., Gao, D.F., Pi, W.L., 2003. CT real-time analysis of damage evolution of coal under uniaxial compression, J. Chongqing Univ. 26, 96–100 (in Chinese).
Yue, Z., Peng, L., Yue, X., Wang, J., Lu, C., 2020. Experimental study on the dynamic coalescence of two-crack granite specimens under high loading rate, Engineering Fracture Mechanics, 237 (2020) 107254, https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2020.107254.
Zhang, J.Z., and Zhou, X.P., 2020. AE event rate characteristics of flawed granite: from damage stress to ultimate failure, Geophys J Int 2020, 222(2),795-814.
Zhang, X.P., and Wong, L.N.Y., 2012. Cracking Processes in Rock-Like Material Containing a Single Flaw Under Uniaxial Compression: A Numerical Study Based on Parallel Bonded-Particle Model Approach, Rock Mech Rock Eng, 45:711–737, Published online: 13 November 2011, Springer-Verlag 2011, DOI 10.1007/s00603-011-0176-z.
Zhang, X.P., and Wong, L.N.Y., 2013. Crack Initiation, Propagation and Coalescence in Rock-Like Material Containing Two Flaws: a Numerical Study Based on Bonded-Particle Model Approach, Rock Mech Rock Eng, 46:1001–1021, http://dx.doi.org/10.1007/s00603-012-0323-1.
Zhao, C., Zhou, Y.M., Zhao, C.F., Bao, C., 2018. Cracking Processes and Coalescence Modes in Rock-Like Specimens with Two Parallel Pre-existing Cracks, Rock Mechanics and Rock Engineering, vol. 51, no. 11, pp. 3377-3393.