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Vol. 31 No. 3Mny 2001第31卷第3期2021年05月黑龙江科技大学学报Journal of Heilongjiang University of Science & Technology煤样循环加卸载的滞回环及其力学特性张国华1李子波1 周文俊1 王 磊1 秦 涛1 邹军鹏3(1.黑龙江科技大学，哈尔滨150022； 2.黑龙江科技大学矿业工程学院，哈尔滨150022； 3.辽宁工程技术大学矿业学院，辽宁阜新153000)摘要：为研究煤样循环加卸载中滞回曲线的演化规律，利用RMT-150型岩石伺服试验机 对煤样进行循环加卸载实验，分析循环加卸载实验获得的应力-应变曲线、循环次数与滞回环面 积、残余变形、阻尼比、动态弹性模量。
研究结果表明：循环加卸载轴向应力-应变曲线在荷载卸载 处弹性变形较快，塑性变形较小；加载曲线勺 随着-变化趋势不明显，卸载曲线勺 随着-变化 趋势较为平缓；x 着循环次数增加，单个循环的能量起散在增加，累计耗散也在逐渐增加;煤的阻尼 比与循环次数呈负相关关系，动态弹性模量与循环次数呈正相关关系，且两者前期变化速率较快， 推测前期煤样损伤速度较快；单个循环残余变形先减小后增大，增大起始值可作为判断煤样发生损 伤破坏的损伤阈值。
关键词：煤循环加卸载；滞回环；耗散能；阻尼比；残余变形doi ：15. 3969/j. issn. 3290 -7262. 3221.33.301中图分类号:TD315文章编号：2095- 7262 (2021) 03 - 0250-09 文献标志码:AHysteresis loop and mechanical characteristics ofcoal oamplo during cyclic loading and unloadingZhang Guohua 5, Li Zibo 2 , Zhou Wenjuri 2 , Wang Lei 2 , Qin. Tao 2 , Zou Junpeng 3(1. Heilonyiana University of Science & Technology, Harbin 150022, Chinn ； 2. School of Minina Enaineerina ,Heilounjiany University of Science & Techn(Uony, Harbin 150022, Chinn ； 3. School of MininnEnaineerina , Liaonina Technical University , Frxin 123000 , Chma)Abstract : Thin panes descrinen an mvestiaation into the evolution law of hystentie carve dunny ca che loanina i C unloanina of coal samplec by ninnina cyclic loanina i C unloanina 驱卩命111£口0 cm coal samplec usina RMT-150 roch serve testina mnchine anC analyzina the stress-strain curve , ncmben of cy- clec , aree of hysyntic loop , asinul defonnatioa , dampina ratie anC dyzdmih elastle monuluc oataicee from cycUc loanina anC unloanina tests. The resalic show thnt thsv is n fasten eldstic deformdtioc of the dxidl stress-strain curve unCen cyclic loanina di unloanina , anC n smallen pldstih defonnation s S loal uc loanina- The loanina chve 鬥 has no treeC witli — , while tlie unloanina chve 鬥 stows atreeC wii —. The dissipdan eeervc increeses wii tie incrensa of tie numbev of cycles , wii tie eeervc dissipdtion of a smaO cycle increasina anC tie cymulative dissipdnoc yranuanc increasina- The dampina rativ of cyal has a neeative cocelation wii tie ncmbev of cycles , while tie elastih moPulus has a positive correlation wii ie ncmbev of cycles- The chance vie of boi is fastev in ie enric staye , so it is spnhUin iat ie Uamace vie of coaO sampOe is fastev in ie eeVy staye • The sinaie cyclih resiUuai Uefonnatiop sees an initiaa s U a suUsequect iccrense , anC ie iccrense of ie initil value con be usS as ie damaye thresnolU velue te juUye ie damaye of coal supO.Key wordt : coaO cyclio loalina anC unloanina ; hysteresis loop ; dissipdtie eeervc ； dampina rativ ; residuai defomiatiop收稿日期：ZU -03-11基金项目：国家自然科学基金项目(51774122)第一作者简介：张国华(1574 -),男，黑龙江省讷河人，教授,博士，博士生导师,研究方向：煤矿瓦斯灾害防治、矿山压力及其控制,Emaii ：zgh71(328131@ 193. com 。
实验目的1.不同围压下泥岩、砂质泥岩、砂岩在循环加卸载作用下的力学性质及变形破坏特征。
2.试样在循环加卸载条件下的蠕变变形特性，建立煤层顶板岩石循环加卸载条件下的蠕变本构模型。
3．对煤层顶板在水力压裂作用下，裂缝起裂压力及扩展几何形态做出分析预测。
试样制备：1.试样取自告成煤矿煤层顶板，采用钻孔取样，取样过程中无人为裂缝2.试样制备采用干法制样3.试样制备精度（1）两个端面不平整度，最大不超过0.05mm（2）端面垂直于试样轴线，最大偏差不超过0.25（3）试样高度误差，不超过0.3mm。
试样描述：泥岩：砂质泥岩：粉砂质泥岩：主要仪器设备：1.钻石机、切石机、磨石机等2.测量平台、角尺、游标卡尺等3.TAW-2000微机控制电液伺服岩石三轴试验机试验步骤：1.单轴压缩试验结果如下2.三轴循环加卸载试验试验前对试样进行常规三轴压缩试验，获得三轴压缩瞬时强度，根据该瞬时强度，确定出每级围压下试样分级加卸载蠕变试验的轴向偏应力水平。
在加卸载试验开始时，首先采用0.5 MPa/s 的加载速率给试样施加预定的围压值，此时试样处于静水压力状态，而后采用0.15 MPa/s 的恒定加载速率加载轴向偏应力至试验设定值。
待试样轴向应变稳定后卸载轴向偏应力至预定值，重复加载过程直至试样破坏。
轴向加载应力水平分五级，前四级加载轴向偏应力分为三轴瞬时强度的30%，50%，70%，90%。
围压5MPa作用下的泥岩三轴循环加卸载试验围压5MPa作用下的砂质泥岩三轴循环加卸载试验围压5MPa作用下的粉砂质泥岩三轴循环加卸载试验(根据实验情况调整后续实验荷载的施加)。
真三轴卸载下深部岩体破裂特性及诱发型岩爆机理研究一、本文概述本文旨在深入研究真三轴卸载条件下深部岩体的破裂特性及其诱发的岩爆机理。
随着地下工程向深部发展，深部岩体的力学行为及其稳定性问题日益突出。
岩爆作为一种常见的深部岩体动力灾害，对地下工程的安全性和稳定性构成了严重威胁。
因此，揭示真三轴卸载条件下深部岩体的破裂特性和岩爆机理，对于预防和控制岩爆灾害具有重要的理论意义和实践价值。
本文首先回顾了国内外关于深部岩体破裂特性和岩爆机理的研究现状，指出了现有研究的不足和需要进一步深入探索的问题。
在此基础上，通过理论分析、实验室试验和数值模拟等多种方法，系统地研究了真三轴卸载条件下深部岩体的应力-应变关系、破裂模式、能量演化规律等关键科学问题。
本文的主要研究内容包括：1）建立真三轴卸载条件下深部岩体破裂特性的理论分析框架；2）开展真三轴卸载试验，揭示深部岩体在不同卸载路径下的破裂模式和能量演化规律；3）利用数值模拟方法，分析深部岩体在真三轴卸载过程中的应力分布、位移场和能量场的变化特征；4）结合理论分析和数值模拟结果，探讨真三轴卸载条件下诱发岩爆的机理和影响因素。
本文的研究成果不仅有助于深化对深部岩体破裂特性和岩爆机理的认识，也为地下工程的安全设计和灾害防控提供了重要的理论依据和技术支持。
二、真三轴卸载条件下深部岩体破裂特性研究在真三轴卸载条件下，深部岩体的破裂特性是一个复杂且关键的问题。
为了深入了解这一过程，本研究采用了一系列先进的实验方法和数值模拟技术，对岩体的应力-应变行为、破裂模式以及能量演化等方面进行了详细的分析。
通过真三轴实验设备对深部岩体进行卸载模拟。
实验过程中，我们精确控制了卸载速率和卸载路径，以模拟实际工程中的卸载过程。
同时，利用高分辨率的摄像头和位移传感器，实时记录了岩体表面的裂缝扩展和变形情况。
实验结果表明，在真三轴卸载条件下，深部岩体的破裂特性呈现出明显的非线性特征。
随着卸载的进行，岩体内的应力场和应变场发生重分布，导致岩体逐渐产生裂缝。
循环加卸载下岩石浆体力学特性试验研究XIAO Jiaping;PENG Qiufan【摘要】To study the mechanical properties of grouting material under cyclic loading and unloading, rock mechanics tests of constant confining pressure, cyclic loading and unloading axial pressure were carried out on rock slurry using RMT-150B rock mechanics testing machine, and the strength and deformation characteristics of grouting material were analyzed. The results show that: the area of plastic hysteresis loop increases with the increase of axial pressure of rock slurry; the circulation under low stress state will make the rock slurry denser, and the strength of the grouting material under loading and unloading is higher than that the conventional tri-axial compression test, failure occurs when the critical strength is exceeded, and the strength decreases with the increase of rock particle size; under cyclic loading and unloading, the grouting material is mainly shear failure, and the low confining pressure and coarse particle size are more likely to form obvious shear bands. Based on the research results, the key techniques of soft rock grouting reinforcement for increasing bolt pre-stress and reinforcing grouting effect are proposed.%为研究循环加卸载下岩石浆体力学特性,利用RMT-150B岩石力学试验机对岩石浆体进行恒定围压下的循环加卸载轴压的岩石力学试验,对岩石浆体的强度和变形特征进行了分析.结果表明:岩石浆体随着下一级加载轴压的提高,塑性滞回环面积增加;低应力状态下的循环会使岩石浆体更加致密,岩石浆体在加卸载下的强度高于常规三轴,超过临界强度时就会发生破坏,强度随岩石粒径增加而降低;在循环加卸载下,岩石浆体以剪切破坏为主,低围压和粗粒径更易形成明显的剪切带.基于研究成果,提出了增高锚杆预应力和增强注浆效果的软岩注浆加固关键技术.【期刊名称】《煤矿安全》【年(卷),期】2019(050)006【总页数】4页(P54-57)【关键词】循环加卸载;岩石浆体;塑性滞回环;剪切破坏;岩石粒径【作者】XIAO Jiaping;PENG Qiufan【作者单位】Huainan Vocational Technical College, Huainan 232001, China;Shanghai Jianke Engineering Consulting Co., Ltd., Shanghai 200032, China【正文语种】中文【中图分类】TD315注浆是对软弱岩层巷道围岩治理的1个常用手段，通过注浆，能够使巷道围岩浅部岩层的内摩擦角和黏聚力等力学参数提高，增加围岩的承载能力。
第63卷 第5期 有 色 金 属(矿山部分) 2011年9月DOI:10 3969/j.issn.1671-4172 2011 05 011循环加卸载下岩石变形破坏的损伤、能量分析张向阳1,2,成建1,康永红1,吴东1,武尚荣1(1 昆明冶金研究院,昆明650031;2 中南大学,长沙410083)摘 要:利用金川二矿区深部采集的含辉橄榄岩、花岗岩和混合岩进行了常规单轴压缩试验和循环加卸载试验,结果表明循环加卸载条件下的弹性模量值较常规单轴压缩试验小。
运用损伤力学分析了循环加卸载条件下弹性模量降低的现象,结果表明应力 损伤呈线性关系,损伤 应变也呈线性变化,含辉橄榄岩的累积损伤最大,花岗岩次之,混合岩最小;基于损伤力学的 应变等效假说 算出了加卸载条件下弹性模量的理论值,与实测值比较发现偏差较大。
对循环加卸载应力 应变曲线中的塑性滞环进行了能量分析,研究表明含辉橄榄岩的能量耗散值最大,花岗岩次之,混合岩能耗最小;能量耗散值与应力呈线性关系,后次循环加卸载所耗散的能量不等于前几次能耗值的累加,主要是由于岩石材料的缺陷和非线性的特征所致。
关键词:循环加卸载;弹性模量;损伤;能量耗散中图分类号:T D 313 文献标识码: 文章编号:1671-4172(2011)05-0041-05A nalysis on damag e and energ y during rock deform ationunder cyclic loading and unloading condit ionsZH ANG Xiangy ang 1,2,CH ENG Jian 1,KANG Yonghong 1,WU Do ng 1,WU Shangrong 1(1 K unming M etallur g y Research Institut e,K unming 650031,China;2 Centr al South U niver sity,Chang sha 410083,China)Abstract:U niax ial compressio n ex periment and cyclic loading and unlo ading experiments ar e car ried o ut by using perido tite specimen,g ranite specimen and mig matite specimen co llect ed in deep mining of Jinchuan N o.2min -ing dist rict.Experimental r esults show t hat the elastic modulus under cyclic loading and unlo ading co ndit ions ar e smaller than that under uniax ial co mpr ession.T his pheno meno n has been analyzed using damage mechanics and the results sho w that the relatio nship between str ess and damage is linear as well as that betw een damag e and strain.T he cumulating damag e of peridot ite is the highest one among the three ro cks,follo wed by g ranite and mig matite.T heo retica l elastic mo dulus has been calculated using the Equiv alent Str ain H y pot hesis which is the theor y of damag e mechanics,and relativ e larg e deviation has been fo und w hen co mpar ed w ith ex per imental values.A naly sis on ener gy co nta ining in plastic -loo p has been preceded,and the results indicat e that ener gy dissipation of per idotit e specimen is the larg est one of all,fo llow ed by gr anite specimen and migmatite specimen,under loading and unlo ading co nd-i tions.T he relatio nship betw een energ y dissipatio n and str ess is linear and the ener gy dissipat ion of later one is no t equa l to pr ev io us accumulat ion.It is mainly caused by the defects and nonlinear char acters of r ocks.Key wo rds:cyclic loading and unloading;elastic modulus;damag e;energ y dissipatio n基金项目:国家自然科学基金资助项目(50774093);中南大学研究生学位论文创新选题资助项目(2009ssx t227)作者简介:张向阳(1984-),男,硕士,助理工程师,采矿工程专业。
岩石循环加卸载作用下能量的演化规律詹可亮;薛俊华;刘之喜【摘要】基于循环加卸载试验,使用数据处理软件计算得出滞回环的面积,对滞回环与循环次数的相关性进行分析,得到了关于循环次数与滞回环的拟合公式.利用拟合公式计算得到了第1次加卸载的耗散能,进而对耗散能、弹性能、塑性能之间的关系进行了分析和研究.结果表明:随着循环次数的增加,滞回环位置逐渐右移,考虑为第1次加卸载产生耗散能后,岩石的弹性能、耗散能随着循环次数的增多逐渐递增;岩石的强度呈随机分布,故塑性能随循环次数增多并无固定变化趋势;随着循环次数的增多,卸载后可恢复的裂隙之间的摩擦力逐渐减小,其弹性应变需要的能量也随之减小.【期刊名称】《煤矿安全》【年(卷),期】2019(050)003【总页数】4页(P49-52)【关键词】分等级加卸载;滞回环;弹性能;耗散能;塑性能;岩石加载【作者】詹可亮;薛俊华;刘之喜【作者单位】安徽理工大学土木建筑学院,安徽淮南 232001;安徽理工大学土木建筑学院,安徽淮南 232001;安徽理工大学土木建筑学院,安徽淮南 232001【正文语种】中文【中图分类】TD315地下岩土工程中周期性荷载普遍存在[1-3]，如巷道在掘进过程中产生的加卸载对巷道或隧道围岩的作用是巷道或隧道支撑需要考虑的一个重要因素[4]。
故加卸载作用下岩石的力学及物理性质一直是岩土工程的一个重要课题。
很多专家学者对于岩石循环加卸载作用下的本构模型、耗散能、滞回环特性以及损伤变量的变化规律进行了研究[5-9]。
张媛[10]等通过对高围压下的岩石循环加卸载曲线进行分析发现岩石在加卸载过程中加载与卸载的曲线并不重合，会形成1个塑性滞回环，并且通过对曲线分析发现滞回环并非通常认为的是1个密闭的，其往往是并不闭合的。
王鸿等[11]对于循环加卸载下的岩石塑性滞回环的变化进行了研究，其研究表明，从第2循环起，滞回环的面积变化不大，其面积大小常常趋近于某一常数。
岩石声发射特性研究综述声发射试验主要在岩石力学试验中应用较广，国内外开展了大量的研究。
主要包括：单轴压缩，常规三轴试验下岩石、混凝土以及煤的声发射特征；探讨和研究了应力作用下，岩石的应力应变与声发射特征的关系，分析了岩石破坏工程中的声发射频率和振幅的分布规律；利用岩石声发射对矿山、隧道、大坝以及边坡进行检测，对建筑结构、桥梁和铁塔进行动态检测和完整性评价，并取得了丰硕的成果：陶纪南等对岩石声发射的试验研究表明，岩石临近破坏前声发射相对平静，甚至会多次出现，它是岩石逐次破坏、能量逐次释放过程中暂时平衡反映。
岩石声发射信号的事件频度历时累计曲线和岩石对应的位移历时曲线都具有指数函数规律。
提出岩石声发射特征参数应根据声发射脉冲和按频率展开的振幅谱都不连续的特点定义事件额度和声发射能率。
陈忠辉等采用统计损伤力学观点推导出在围压作用下岩石应力应变本构关系理论表达式, 并探求了岩样在快速增、卸围压时的本构特性, 在此基础上, 得到了岩样在快速增、卸围压时的声发射变化特征, 结果表明: 围压作用下的岩样快速卸围压, 促使声发射突增,而在一定范围内快速增围压, 声发射并不发生, 只有增加一定的轴压后, 才会有声发射。
唐春安根据统计细观损伤力学原理和岩石声发射原理，提出了岩石的声发射与岩石的损伤具有一致性假设，即N ∝D（N为岩石的声发射数，D为岩石损伤参量），并在解析解简单模拟岩石声发射规律的基础上，提出用有限元方法研究岩石声发射规律的基本思路：首先考虑岩石单元体参数的非均匀性，假定其服从某种统计分布特征，然后采用上述基本假设，在计算过程中对每个时刻的单元破坏数进行统计，并将它作为岩石声发射数的度量，最后借助数值计算方法来研究岩石的声发射规律。
赵洪宝等研究了含瓦斯煤的声发射特征，对含瓦斯煤岩的进行常规三轴试验，发现含瓦斯煤样破坏过程中没有特别明显的声发射事件密集区和稀疏区；而声发射事件振幅比较均一，且维持在一个较小的振幅水平附近，大振幅事件的出现呈现“三峰”特性；含瓦斯煤样破坏过程中的声发射事件能量随变形的增加而逐渐变大；屈服阶段至峰值强度处之间，声发射事件能量达到最大；之后含瓦斯煤岩破坏点；含瓦斯煤样破坏过程中的声发射事件的声发射计数、事件振幅和能量变化趋势与三轴压缩曲线呈滞后对应关系。
基于三剪能量屈服准则的岩石弹塑性耦合模型刘振洋;王爱文;刘晓林【期刊名称】《长江科学院院报》【年(卷),期】2024(41)5【摘要】为建立能够准确描述岩石变形过程中能量演化规律的力学模型,提出利用三剪能量屈服准则和弹性剪应变能获取岩石黏聚力与内摩擦角,以及基于三剪能量塑性势函数获取剪胀角的方法,依据所提方法和岩石循环加卸载试验数据,得到了各级围压下不同塑性累积阶段岩石的弹性模量、黏聚力、内摩擦角及剪胀角等参数,发现随着塑性变形的增大,弹性模量呈负指数关系减小,黏聚力峰前线性增大而峰后呈负指数减小,内摩擦角满足比例参数为1、形状参数为1.5的Weibull函数,剪胀角线性减小;随着围压的增大,弹性模量和黏聚力均呈线性关系增大而剪胀角呈线性减小。
建立岩石三剪能量弹塑性耦合力学模型,实现了模型在有限差分软件中的二次开发并编写了能量演化监测程序。
模拟岩石室内试验,结果表明所建模型能较准确地描述岩石后继屈服过程中的硬化软化、剪胀、围压效应以及能量演化等力学行为。
研究成果可为从能量角度研究岩体失稳提供理论支撑和现实手段。
【总页数】10页(P139-148)【作者】刘振洋;王爱文;刘晓林【作者单位】辽宁工程技术大学力学与工程学院;辽宁大学灾害岩体力学研究所;赤峰学院资源环境与建筑工程学院【正文语种】中文【中图分类】TU452【相关文献】1.钢筋砼轴对称扁壳基于双剪屈服准则的极限分析的塑性屈服线方法2.基于三剪统一屈服准则受内压弯管塑性极限载荷分析3.基于三剪屈服准则的材料弹塑性统一本构方程4.基于三剪能量屈服准则的应变软化岩石统计损伤本构模型研究5.基于三剪能量屈服准则的地下水平盐岩储库腔壁稳定性分析因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
三轴循环加卸载下煤岩损伤的能量机制分析彭瑞东;鞠杨;高峰;谢和平;王鹏【摘要】由于煤岩的变形破坏是一个十分复杂的损伤演化过程,因此有必要深入研究各种加载模式下煤岩损伤演化过程的能量转化机制.通过岩石三轴循环加卸载试验,分析了不同围压作用下煤岩的损伤演化行为.实验研究表明,在循环加卸载情况下,煤岩表现出明显的循环滞后环,且随应力的增大煤岩的损伤耗散能增大.在低围压下及单轴压缩下,煤岩的弹性模量随循环应力增大而下降,但在高围压下煤岩的弹性模量没有随循环应力增大而下降.这表明围压的作用引起了煤岩损伤机制的变化.为此给出了基于能量分析的损伤变量定义及其演化规律,克服了传统的基于弹性模量定义的损伤变量的不足,可以较好地描述不同围压作用下的煤岩损伤演化程度.【期刊名称】《煤炭学报》【年(卷),期】2014(039)002【总页数】8页(P245-252)【关键词】煤岩;三轴压缩;能量;弹性模量;滞后环;损伤变量【作者】彭瑞东;鞠杨;高峰;谢和平;王鹏【作者单位】中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京100083;中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京100083;中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京100083;中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏徐州221116;中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏徐州221116;四川大学,四川成都610065;中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京100083【正文语种】中文【中图分类】TD315在地质构造或工程扰动的影响作用下，煤岩的变形破坏过程是一个十分复杂的损伤演化过程。
煤岩损伤破坏行为的规律特点已成为岩石力学研究的重点、难点和热点问题。
研究表明，能量耗散及释放机制是煤岩损伤演化过程的控制因素[1-4]，因此有必要深入开展各种加载模式下煤岩损伤演化过程的能量转化机制研究。
循环载荷工程实践中是一种非常重要的载荷形式，而且通过循环加卸载可以揭示煤岩弹性势能与其它能量的转化机制，有助于对煤岩损伤机理的研究，因此越来越受到了极大关注。
许多学者研究了在单轴循环载荷作用下岩石的疲劳特性[5-13]，特别是借助声发射探测技术开展了大量研究[14-18]。
一些学者还通过预制裂纹，研究了岩石中的疲劳裂纹扩展规律[9,19]，或借助数字散斑相关方法观测了岩石在循环载荷作用下的变形场演化过程[20]。
也有学者研究了频率、应力水平、岩性等对岩石滞后环的影响[21-24]。
这些都为岩石疲劳特性的研究积累了大量经验。
随着损伤力学研究的深入，有望进一步从损伤的角度定量描述岩石的疲劳特性。
一些学者讨论比较了多种疲劳损伤变量的定义方法，分析了影响岩石损伤演化的各种因素[25]。
一些学者考虑了残余塑性变形的影响，计算得到了损伤变量的演化曲线[8]。
这些研究为解释岩石在循环载荷作用下的损伤演化规律提供了有意义的结果。
但迄今为止，大量研究还主要集中在单轴压缩循环载荷下，仅有少量研究涉及到了拉伸[26]、循环冲击[27]和三轴循环压缩[28]对岩石力学特性的影响。
因此有必要进一步研究不同围压下岩石的循环损伤特性。
本文将借助先进的岩石三轴试验系统，通过在不同围压下的循环加卸载试验，深入分析煤岩在围压作用下的损伤演化过程，给出基于能量分析的损伤变量定义及其演化规律。
1.1 试验样品采集与制备试验所用煤样取自龙煤集团鹤岗分公司南山矿，煤样埋深600 m。
采集得到的煤样经钻孔取芯，加工为直径25 mm、高50 mm的圆柱试样，并将两端磨平以保证其与试样轴线垂直。
1.2 试验设备本次加载实验采用的实验设备为中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室的岛津EHF-UG500KN型全数字液压伺服三轴实验系统(图1)。
该系统可以实现各种材料的伪三轴加卸载试验，环向载荷最大达80 MPa，轴向载荷最大达500 kN。
系统三轴腔采用双油缸连通设计，可以消除环向围压对轴向载荷的影响，实现轴向与环向分别独立加载。
通过岛津4890数字电液伺服控制器，可以实现复杂的程序加载模式及精确的加载控制。
系统载荷精度达到0.5%，最大频率达100 Hz，为试验过程中的应力应变精确测量提供了保证。
1.3 加载方式试验分别选取10，15和20 MPa围压下进行相应的三轴循环加卸载压缩直至试样破坏。
将包覆好TEFLON热缩护套的试样放置到三轴腔内(图1(b))，先施加初始轴向载荷5 kN以固定好试样，然后注油并施加围压到预定值。
当围压稳定后，采用轴向位移控制方式进行自动加卸载，加卸载速率0.002 mm/s。
岛津控制器可以实现监控加载模式。
加卸载速率按位移进行控制，加卸载目标值则按载荷监视控制。
每次加载到预定载荷之后开始卸载，卸载至5 kN后再进行下一次加载。
如下：5 kN→10 kN→5 kN→15 kN→5 kN→…→峰值载荷，如图2所示。
开始的几个循环采用最大载荷每次增加5 kN，接近峰值载荷的几个循环采用最大载荷每次增加2.5 kN，以保证能够实现5次以上的循环加卸载试验。
在最后一个循环，由于试样在达到预期最大载荷前已经破坏，因此不会卸载，将按位移控制方式继续加载，从而得到全过程曲线。
试验机可自动记录试验过程中的载荷-位移曲线，数据采样间隔为1 s。
2.1 煤岩循环压缩曲线为了准确测量煤岩的变形量，一般应粘贴应变片或采用引伸计。
但由于三轴腔内不方便贴应变片，另外一般引伸计规格主要针对直径50 mm大圆柱试样，而本次采用的是直径25 mm的小圆柱试样，因此只能通过试验机作动器来测量试样变形。
考虑到试验系统测定的作动器位移是含有试验机及压头、接缝等的变形量，因此需要通过修正扣除这部分的影响，从而得到试样的变形量。
试验表明，通过这样的修正计算，可以根据作动器位移有效测定岩石试样的应变[29-30]。
试验系统三轴腔的设计已经扣除了围压对轴向载荷的影响，因此轴向载荷传感器测得的力值即是加在试样上的轴向力大小。
这样就可得到试验过程中的载荷位移数据，进而计算得到试样的名义应力-应变曲线，如图3所示。
从图3可以看出，由于循环加卸载作用形成了明显的滞后环，而且出现了残余变形，但每次加载基本都会通过上一次的卸载点。
由于在变形计算时已经扣除了试验系统变形的影响，因此出现的残余变形表明煤岩发生了不可逆的永久变形。
另外，随着围压增大，试样的强度有所增加。
而且在峰值载荷前煤岩刚度明显下降，近似趋近于零。
峰值载荷之后煤岩应力缓慢下降，表现出一定的延性。
观察实验后的试样发现，其破坏形态基本相同，都表现为形成一个斜主裂缝的剪切破坏。
2.2 围压作用下煤岩的弹模变化规律通过煤岩试样的应力-应变曲线，可以得到煤岩试样在循环加卸载条件下的刚度变化规律。
直观来看，除了最后一次循环，每次循环的加载段基本为一条直线。
在最后一次循环中，在加载的开始阶段也基本为一条直线，不过在接近峰值时迅速下降。
这就意味着在接近峰值时煤岩的损伤加剧，因而导致刚度急剧劣化，并诱发最终的宏观破裂。
一般采用割线模量来计算循环加卸载下岩石的弹性模量，即将应力-应变曲线上每一循环周次的最大应力点(卸载点)与最小应力点相连，以其斜率作为弹性模量。
图4为计算得到的不同围压下的煤岩弹性模量。
从图4可以看出：在围压较低时，随着循环应力的增大，煤岩的弹模先增加然后再下降，而当围压较高时，随着循环应力的增大，煤岩的弹模也不断增大，不会下降。
这与煤岩在单轴循环压缩下的情况有所不同。
大量研究表明，单轴压缩时弹性模量随循环周次增加而下降[7,26]。
低围压下的情况与此类似，但随着围压增大，煤岩弹模不再会随着循环周次增加而下降，甚至还会不断增大。
这表明由于围压的约束效应，煤岩中的微裂隙不太容易扩展，从而导致煤岩刚度不会迅速下降，甚或会有所上升。
但需要考虑的是，若由此来计算基于弹模定义的损伤变量，损伤变量并不增大，反而有可能减小，这就会得出损伤不再加剧的悖论。
因此围压作用下煤岩的损伤机制还需要重新深入分析。
2.3 煤岩循环滞后环特征在循环加卸载作用下，煤岩应力-应变曲线上出现了明显的滞后环，煤岩在经历一次加卸载循环后产生不可逆永久变形。
图5所示即为煤岩的一个循环滞后环，所有滞后环均与此类似。
滞后环的产生是由于煤岩的损伤及试验机的控制共同作用而形成的。
在对同样尺寸大小的不锈钢及铝试样进行同样加卸载模式的对比试验中，并没有观测到明显的滞后环，加卸载曲线基本重合为一条直线。
因此煤岩滞后环的出现与煤岩的本质属性，即其在外载下的损伤有着密切关系。
在试验过程中，随着荷载的增加，试样的变形也在增大，直至达到预期设定的最大载荷点A，然后就要开始卸载，如图5所示OA段。
当试验机控制系统已经发出卸载指令，伺服油缸按照加载参数撤油卸载时，油压下降，载荷下降，但因为煤岩已经损伤，其承载能力已经下降，所以不能再承受原先加载时对应的应力，也就意味着在此应力下应变将增大，因此试样变形还将增加，如图5所示AB段。
而对于没有损伤的金属试样，在卸载撤油导致油压下降后，载荷下降，试样的应变随着应力下降也会下降，因此试样变形迅速随之恢复，卸载曲线沿原加载曲线返回。
随着油压的下降，载荷不断下降，但由于煤岩已经损伤，作动器仍将继续前移，其位移值并未降低，因此试验机控制系统增大撤油量，引起载荷急剧下降。
随着载荷下降，当应力低至某一值后，煤岩试样已可以承受相应载荷，随着伺服油缸继续撤油，作动器将往回移动，煤岩试样的变形也将逐渐恢复，如图5所示BC段。
在这一阶段，煤岩试样将按设定的卸载速率逐步卸载，试样的应力应变不断下降。
当卸荷到达预期设定的最小载荷点C之后，试验机控制系统发出加载指令，伺服油缸停止撤油，开始加油，油压上升，载荷随之增大。
但增加的应力并不足以使作动器向前移动，作动器仍在往回移动，煤岩试样的变形仍在减小，仍然处于卸载阶段，如图5所示CD段。
在此阶段，试样内弹性能的释放占主导，但由于伺服油缸已不再撤油，反而是要加油，因此试样中的弹性势能越来越难以释放。
随着伺服油缸继续进油，油压不断上升，载荷也不断增大，因此应力随之增大，当高于某一值后，作动器将向前移动，煤岩试样将继续产生压缩变形，如图5所示DA段。
这也就是下一次循环加载的开始。
由于在加载变卸载、卸载变加载过程中试验机伺服控制器的调节，煤岩的损伤特性导致了滞后环的产生，如图5中ABCD所示。
从滞后环也可发现，下一次加载的刚度要比上一次略高一些，这表明由于围压的作用，煤岩的损伤机制有所改变，尽管损伤没有造成煤岩刚度劣化，但仍然引起了损伤能量耗散。
由能量守恒原理可知，在试验过程中总能量是不变的。
忽略试验系统的阻尼影响，外载所做的总功W将转化为试样内蓄积的弹性势能Ee和由于损伤耗散掉的能量Ed。
