Rockburst ya kukata-kuteleza (shear-slip rockburst) ni tukio la mienendo katika mekanika ya miamba ambapo utelezaji wa kukata unaoendelea kando ya mikatizo iliyopo katika mwamba wenye mkazo mkubwa unaweza kuungana na kuvunjika kwa miundo ya ndani inayobeba mzigo, kuachiliwa ghafla kwa nishati ya deformesheni elastiki na kutokuwa thabiti kwa haraka kwa mfumo wa kimekanika. Utafiti huu ulitumia nyenzo sintetiki ya kuiga rockburst iliyotengenezwa ili iwe na uwezo mkubwa wa kuhifadhi nishati elastiki na tabia ya kuvunjika kwa haraka na kwa ubrittle, kwa lengo la kuchunguza mchakato huu katika hali za maabara zinazodhibitiwa. Sampuli za mchemraba za 150 mm zilizo nzima, zenye ufa mmoja uliotengenezwa mapema na zenye nyufa mbili zilizotengenezwa mapema zilikatwa chini ya mikazo ya kawaida ya 0,9, 1,8, 2,7 na 3,6 MPa. Hitimisho kuu la utafiti ni kwamba mkazo wa kawaida una jukumu la pande mbili: unaongeza upinzani wa kukata, lakini katika kiwango cha juu cha mkazo unaweza pia kuongeza kutokuwa thabiti kwa kuvunjika kwa ghafla. Hata hivyo, kwa kuwa muundo wa majaribio ulitumia sampuli moja tu kwa kila mchanganyiko wa jiometri ya ufa–mkazo wa kawaida, matokeo si mahusiano yaliyofanywa kuwa ya jumla kitakwimu, bali ni mielekeo ya majaribio chini ya hali zilizojaribiwa.

Kwa nyenzo ya kuiga iliyotumika, fahirisi ya nishati ya mshtuko ilikuwa \(K_E=18.0\), fahirisi ya nishati elastiki \(W_{ET}=9.2\), na muda wa kuvunjika kwa mienendo \(D_t=140\ \mathrm{ms}\). Mkazo wa kawaida ulipoongezeka kutoka 0,9 MPa hadi 2,7 MPa, kufungamana kimekanika kwa vinundu vya ukwaru wa uso wa kukata, yaani asperities, kuliongezeka; huku nguvu za kilele na mabaki za kukata kwa ujumla zikiongezeka, dilatansi, yaani kufunguka katika mwelekeo wa kawaida wakati wa kukata, ilizidi kuzuiwa. Mkazo wa kawaida ulipofikia 3,6 MPa, sampuli zote zilizo nzima, zenye ufa mmoja na zenye nyufa mbili zilionyesha maporomoko dhahiri ya mkazo wa kilele, kusinyaa katika mwelekeo wa kawaida na kupotea kabisa kwa uwezo wa kubeba mzigo wa kukata baada ya kilele.

Kuwepo kwa pamoja kwa mkazo mkubwa wa kawaida na nyufa zilizotengenezwa mapema kulibadilisha hasa wakati na namna kutokuwa thabiti kulivyoendelea. Chini ya 3,6 MPa, uhamisho wa kukata unaolingana na kutokuwa thabiti kamili katika sampuli nzima J0, yenye ufa mmoja J1 na yenye nyufa mbili J2 ulipungua mtawalia hadi 9,0, 7,8 na 6,5 mm, huku maporomoko ya juu kabisa ya mkazo yakiongezeka hadi 0,28, 0,62 na 0,90 MPa. Matokeo haya yanaonyesha kuwa nyufa nyingi zaidi zilizotengenezwa mapema, badala ya kupunguza tu na kwa mpangilio nguvu ya kilele ya kukata, huvuruga njia za uhamishaji wa mzigo na hivyo kuhimiza ujanibishaji wa deformesheni na kupotea mapema kwa mwendelezo wa muundo unaobeba mzigo baada ya kilele.

Katika majaribio, mchakato wa kukata-kuteleza ulifafanuliwa katika hatua nne za kimekanika: hatua ya kukandamizwa–kujidhibiti ambapo nyufa na nafasi tupu hufungwa na muundo wa kubeba mzigo huundwa; kukata kwa elastiki na mkusanyiko wa nishati; mkusanyiko wa uharibifu, kuungana kwa nyufa na kutokuwa thabiti kwenye kilele; na hatimaye kupanga upya vipande na utelezaji baada ya kilele. Katika mkazo mkubwa wa kawaida, hatua ya mwisho inaweza, badala ya kufikia utelezaji thabiti wa mabaki unaotawaliwa na msuguano, kubadilika kuwa kusagika, kuporomoka katika mwelekeo wa kawaida na kutokuwa thabiti kwa jumla kwa kuvunjika kwa brittle.

Tatizo kuu la utafiti

Katika uhandisi wa kina chini ya ardhi, mikazo ya in situ katika mwamba inapoongezeka, mikusanyiko mikubwa ya mkazo inaweza kutokea karibu na handaki, njia za chini ya ardhi na nafasi za migodi. Mwamba si mazingira endelevu kabisa; viungo, nyufa, hitilafu na mikatizo mingine ya kimuundo hukatiza uhamishaji wa mzigo. Shughuli za uchimbaji au uzalishaji zinapobadilisha usawa wa awali wa mkazo, mwendo wa kukata unaweza kuanza kando ya mikatizo hiyo. Mchakato huo ukichanganyika na mkusanyiko mkubwa wa nishati elastiki na upotevu wa haraka wa uwezo wa kubeba mzigo, kutokuwa thabiti kwa ghafla na kwa nguvu kwa kukata-kuteleza kunaweza kuendelea.

Ingawa sampuli za miamba ya asili na makaa ya mawe ziko karibu na hali halisi ya uhandisi, muundo wa madini, mtandao wa nyufa za asili, jiometri ya uso na sifa za kimekanika zinaweza kutofautiana kutoka sampuli moja hadi nyingine. Tofauti hii hufanya iwe vigumu kuchunguza kwa kujitegemea vigezo kama idadi, nafasi na mwendelezo wa nyufa. Nyenzo sintetiki zinazofanana na mwamba, kwa upande mwingine, huruhusu jiometri na sifa za nyenzo kudhibitiwa zaidi. Hata hivyo, sehemu kubwa ya nyenzo sintetiki za awali ililenga mfanano wa nguvu tuli na deformesheni; uwezo wa kuwakilisha kwa pamoja uhifadhi wa nishati elastiki, upotevu wa ghafla wa mkazo wa brittle baada ya kilele na maporomoko ya mkazo ya vipindi ndani ya nyenzo moja ulibaki mdogo zaidi.

Katika utafiti huu, watafiti walishughulikia pengo hili kwa kuchanganya nyenzo sintetiki yenye mwelekeo dhahiri wa rockburst na jiometri zinazodhibitiwa za nyufa zilizotengenezwa mapema. Lengo halikuwa kupima tu nguvu ya juu kabisa ya kukata. Walichunguza kwa pamoja ni katika hatua gani mkazo hubadilika-badilika, dilatansi hubadilika lini kuwa kusinyaa, uso wa kukata huvunjikaje, maporomoko ya mkazo hujikusanya lini na kiasi cha vumbi laini la mwamba kinachozalishwa hubadilikaje.

Rockburst ya Kukata-Kuteleza ni Nini?

Rockburst ya kukata-kuteleza ni utaratibu wa rockburst ambapo utelezaji unaoendelea kando ya discontinuity au ndege inayoweza kukatwa katika mwamba wenye mkazo mkubwa unaweza kubadilika kuwa kutokuwa thabiti kwa mienendo kupitia kuvunjika kwa madaraja ya mwamba ya ndani na asperities, kupungua ghafla kwa uwezo wa kubeba mzigo wa kukata na ugawaji upya wa haraka wa nishati elastiki iliyohifadhiwa. Majaribio katika utafiti huu si sawa kikamilifu kidinamiki na rockburst halisi ya uwanjani, bali ni analogi ya mchakato huu wa kimekanika katika kiwango cha maabara.

Mantiki ya kutengeneza nyenzo sintetiki yenye mwelekeo wa rockburst

Nyenzo ya majaribio ilikusudiwa kuonyesha tabia mbili kuu kwa pamoja. Kwanza, deformesheni ibaki kwa kiasi kikubwa elastiki hadi kufikia mkazo wa kilele, ili nishati ya deformesheni elastiki iweze kukusanyika. Pili, baada ya kilele, badala ya deformesheni ndefu ya ductile, upotevu wa haraka na dhahiri wa nguvu kwa brittle utokee. Hivyo lengo lilikuwa kupata si sampuli tu inayofanana na mwamba na kuvunjika chini ya hali tuli, bali nyenzo ya analogi inayoweza kuonyesha dalili za kimekanika zinazohusishwa na rockburst, kama kurushwa kwa vipande wakati wa kuvunjika na kupotea kwa haraka kwa uwezo wa kubeba mzigo.

Nyenzo ilitayarishwa kwa sodium silicate kama binder, sodium fluorosilicate kama hardener na poda ya talc kama aggregate. Uwiano wa wingi wa sodium silicate:sodium fluorosilicate:talc ulikuwa 1:0,13:0,30. Katika uainishaji wa msingi wa kimekanika wa nyenzo, sampuli sanifu za silinda zenye kipenyo cha 50 mm na urefu wa 100 mm zilitumika. Baada ya kuponywa kwa 48 saa ndani ya mold, sampuli ziliendelea kuponywa hewani katika hali ya chumba kwa siku 7 zaidi.

Mchanganyiko mpya una moduli ya elastiki na mshikamano mkubwa kuliko nyenzo ya awali ya kuiga yenye nguvu ndogo na mwelekeo mkubwa wa rockburst. Watafiti wanaeleza kuwa hali hii hutoa uwezo mkubwa wa kubeba mzigo na kuhifadhi nishati elastiki chini ya hali sawa za deformesheni, hivyo kutoa msingi unaofaa zaidi kwa kuchunguza kutokuwa thabiti kwa kukata-kuteleza.

Mwelekeo wa rockburst uliainishwaje?

Tabia ya nyenzo inayofanana na rockburst ilitathminiwa kwa kutumia taratibu za majaribio ya mwelekeo wa coal burst katika kiwango cha kitaifa cha China GB/T 25217.2-2010 kama mfumo wa marejeo kwa uteuzi wa nyenzo na uainishaji wa kimekanika, si kwa kuanzisha usawa wa moja kwa moja na hali ya uwanjani. Fahirisi ya nishati ya mshtuko \(K_E\), fahirisi ya nishati elastiki \(W_{ET}\) na muda wa kuvunjika kwa mienendo \(D_t\) ni viashiria vinavyowakilisha mtawalia uhusiano wa nishati kabla–baada ya kilele, uwezo wa kuhifadhi nishati elastiki na muda wa kuvunjika baada ya kilele.

Katika uchunguzi wa kamera ya kasi kubwa, iliripotiwa kuwa muda mfupi kabla ya mkazo wa kilele vipande vidogo vyenye umbo la bamba vilianza kujitenga na kurushwa kutoka usoni, na kilele kilipofikiwa, vipande, chembe zilizovunjika na vumbi vya ukubwa tofauti vilirushwa kwa nguvu zaidi. Watafiti walitathmini tabia hii kama ishara ya majaribio ya mwelekeo mkubwa wa nyenzo kuelekea rockburst.

Jukumu la majaribio la nyufa zilizotengenezwa mapema

Sampuli kuu za majaribio ya kukata zilikuwa cubes zenye urefu wa upande wa 150 mm. Sampuli J0 ilikuwa nzima. Katika J1, ufa mmoja uliotengenezwa mapema wenye urefu wa 150 mm na upana wa 30 mm uliundwa katika mwelekeo wa kukata. Katika J2 kulikuwa na nyufa mbili sambamba zilizotengenezwa mapema, kila moja ikiwa na urefu wa 150 mm na upana wa 15 mm. Hivyo, kwa J1 na J2 upana wa jumla wa ufa uliwekwa thabiti katika 30 mm ili kuchunguza tu athari ya idadi ya nyufa.

Uwazi wa ufa ulidhibitiwa kwa vipande vya chuma vya unene wa 0,5 mm vilivyowekwa mapema ndani ya mold. Kipande cha chuma kilichotumika katika J1 kilikuwa na upana wa 30 mm, na vipande viwili katika J2 kila kimoja kilikuwa na upana wa 15 mm. Urefu wa 200 mm wa vipande hivyo uliteuliwa kuwa mkubwa kuliko upande wa 150 mm wa sampuli; hivyo, baada ya kuponywa, vipande viliweza kuvutwa kwa utaratibu kando ya mwongozo na kuunda nyuso za ufa zilizo sawa zinazopita katika sampuli nzima.

Kwa nini dilatansi hutokea wakati wa kukata?

Ufa au uso mbaya wa kukata unapoanza kuteleza, asperities kwenye nyuso zinazokabiliana hazisuguani tu kwa mlalo; zinaweza kupandana, kuzunguka na kuvunjika katika maeneo fulani. Mwendo huu husababisha sampuli kufunguka katika mwelekeo wa kawaida. Katika utafiti, uhamisho chanya wa kawaida ulifafanuliwa kama dilatansi, na uhamisho hasi wa kawaida kama kusinyaa kwa kawaida. Mkazo wa kawaida ulipoongezeka, asperities zilipata ugumu zaidi kupitana, na kusagika pamoja na kupanga upya kwa chembe kulizidi kutawala.

Mkazo wa Kawaida Hubadilishaje Kutokuwa Thabiti kwa Kukata-Kuteleza?

Katika majaribio, athari ya mkazo wa kawaida si ya mwelekeo mmoja: kati ya 0,9–2,7 MPa, mkazo mkubwa wa kawaida uliimarisha kufungamana kwa asperities na kuzuia madaraja ya mwamba, hivyo kuongeza upinzani wa kukata, lakini wakati huo huo ulipunguza dilatansi na kuandaa mazingira ya mkusanyiko mkubwa zaidi wa mkazo katika miundo ya ndani inayobeba mzigo; katika 3,6 MPa, tabia iliyotawala haikuwa tena ongezeko la nguvu pekee, bali kusagika kwa kiwango kikubwa, kuporomoka kwa miundo inayobeba mzigo na kutokuwa thabiti kwa haraka kwa brittle baada ya kilele.

Mabadiliko ya kimekanika katika hatua nne

Hatua I — Kujibana na kuunda muundo unaobeba mzigo: Nyufa zilizotengenezwa mapema, nafasi zilizopo na kasoro za ndani huanza kufungwa. Asperities karibu na ndege ya kukata hupanga upya hali zao za mgusano. Mkazo wa kukata unapoongezeka polepole, uhamisho wa kawaida hubaki mdogo. Mzigo huanza kubebwa kupitia maeneo ya mgusano yasiyoendelea na madaraja ya mwamba yaliyobaki salama.

Hatua II — Kukata kwa elastiki na mkusanyiko wa nishati: Mkazo wa kukata huongezeka takribani kwa mstari. Asperities kupitana huanzisha dilatansi. Kadiri mkazo wa kukata unavyoongezeka, mikazo kuu ya mvutano ya ndani karibu na ndege inayoweza kukatwa huongezeka na kuunda microcracks zilizopinda huwa rahisi zaidi. Nyenzo kati ya nyufa jirani hubadilika kuwa madaraja ya mwamba yaliyopinda au vipengele vya ndani vinavyobeba mzigo wa pamoja wa kubanwa–kukata. Katika hatua hii kuvunjika kumeenea, lakini bado hakutawali ndege nzima ya kukata.

Hatua III — Mkusanyiko wa uharibifu, kuungana kwa nyufa na kutokuwa thabiti kwa kilele: Nyufa zinazoendelea kutoka ncha za nyufa zilizotengenezwa mapema huungana na microcracks mpya. Kupinda, kukata na kusagika kwa mfululizo hutokea katika vipengele vya ndani vinavyobeba mzigo. Mstari wa mkazo hutoka katika ulinganifu wa mstari, na mabadiliko ya umbo la meno ya msumeno pamoja na vilele vingi vya ndani yanaweza kuonekana. Sehemu iliyobaki ya miundo inayobeba mzigo inaposhindwa kudumisha usawa wa jumla, maeneo ya kuvunjika ya ndani huungana kwa haraka, kupunguza eneo linalofanya kazi la kubeba mzigo wa kukata na kusababisha poromoko dhahiri la mkazo.

Hatua IV — Kupanga upya vipande na utelezaji baada ya kilele: Baada ya kilele, vipengele vilivyobaki salama vinavyochukua mzigo vinaendelea kuvunjika. Vipande vya umbo la block husagika chini ya mzigo unaoendelea wa kubanwa–kukata na kuwa chembe ndogo zaidi. Chembe hizi huteleza, huzunguka na kujipanga upya katika eneo la kukata. Hali ya mgusano huingia mara kwa mara katika mzunguko wa kufungamana, kubeba mzigo, kuvunjika na kugusana tena, na inaweza kuchangia tabia ya kushikamana-kuteleza ya vipindi baada ya kilele. Katika mikazo ya chini na ya kati ya kawaida, mfumo unaweza hatimaye kukaribia utelezaji wa mabaki unaotawaliwa na msuguano, lakini katika 3,6 MPa kulikuwa na kuporomoka katika mwelekeo wa kawaida na kutokuwa thabiti kwa jumla kwa brittle.

Hitimisho ambazo utafiti unaunga na ambazo hauungi mkono

Matokeo yanayoungwa mkono moja kwa moja na utafiti: Katika nyenzo sintetiki iliyojaribiwa, kuongezeka kwa mkazo wa kawaida kunaweza kubadilisha kwa utaratibu nguvu ya kukata, dilatansi, usambazaji wa maporomoko ya mkazo, uharibifu wa uso wa kukata na namna ya kugawanyika; na mkazo mkubwa wa kawaida pamoja na nyufa nyingi zilizotengenezwa mapema unaweza kuonekana pamoja na ujanibishaji wa mapema wa deformesheni na matukio makali zaidi ya kutokuwa thabiti yaliyojitenga.

Matokeo ambayo utafiti hauungi mkono moja kwa moja: Haiwezi kusemwa kuwa 3,6 MPa ni kizingiti cha jumla cha rockburst kwa miamba yote au miundo yote ya chini ya ardhi. Haijaonyeshwa kuwa idadi ya nyufa zilizotengenezwa mapema italeta athari ileile ya kiasi katika miamba halisi chini ya hali zote. Kipimo cha poromoko la mkazo si sawa na jumla ya nishati iliyotolewa. Kwa kuwa majaribio hayakupima moja kwa moja utoaji wa akustiki, nishati ya mtetemo, kasi ya vipande vilivyorushwa au nishati ya kinetiki, ukali wa mienendo wa rockburst halisi ya uwanjani haujathibitishwa kwa kiasi.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Matrisi ya majaribio

Katika utafiti, usanidi mitatu wa nyufa uliunganishwa na viwango vinne vya mkazo wa kawaida, na kuunda jumla ya hali 12 za majaribio. Sampuli moja ilijaribiwa kwa kila hali.

Thamani za mikazo minne ya kawaida zilizosanifishwa dhidi ya nguvu ya kubanwa ya mhimili mmoja zilikuwa takribani \(\sigma_n/\sigma_c=0.12,\ 0.24,\ 0.36\) na \(0.49\). Kwa kuwa kila mchanganyiko ulijaribiwa mara moja tu, mkengeuko sanifu, muda wa kujiamini au mgawo wa utofauti haukuripotiwa kwa vikundi vya majaribio.

Uandaaji wa sampuli

1. Sodium silicate, sodium fluorosilicate na poda ya talc zilipimwa kwa uwiano wa wingi wa 1:0,13:0,30.
2. Kwanza sodium silicate iliwekwa kwenye chombo cha kuchanganyia, poda ya talc ikaongezwa hatua kwa hatua, na baada ya mchanganyiko kuwa sawia, sodium fluorosilicate ikaongezwa na kuchanganywa kwa takribani dakika 3.
3. Katika sampuli zenye nyufa zilizotengenezwa mapema, vipande vyembamba vya chuma vilifungwa katika ndege ya kati ya mold; vipande hivi havikutumika katika sampuli nzima.
4. Baada ya kumwaga, molds ziliwekwa kwenye meza ya mtetemo kwa sekunde 30 ili kupunguza hewa iliyonaswa na kuongeza usawaziko.
5. Sampuli ziliwekwa ndani ya molds kwa saa 48, kisha baada ya kutolewa ziliponywa kwa siku 7 zaidi katika joto la chumba.
6. Baada ya kuponywa, vipande vya chuma vilivutwa kwa kasi thabiti kupitia miongozo ili kuunda nyufa zinazopita zenye jiometri iliyodhibitiwa.

Mpangilio wa jaribio la kukata

Majaribio ya kukata-kuteleza yalifanywa katika mfumo wa kupima nguvu ya kukata unaodhibitiwa na servo kwa discontinuities za miamba. Mfumo una uwezo wa mzigo wa hadi 200 kN katika mwelekeo wa kawaida na hadi 300 kN katika mwelekeo wa kukata. Masafa ya kuchukua sampuli za data ni 100 Hz. Sampuli ilishikiliwa kati ya vifaa viwili vya kukata vya umbo la L vyenye nguvu kubwa, na ndege lengwa ya kukata iliwekwa katika ndege ya kati ya mlalo ya sampuli.

Ili kupunguza athari ya msuguano wa kifaa unaoweza kutokea wakati wa kupakia kwa kawaida kwenye nguvu ya kukata iliyopimwa, sahani yenye rollers iliwekwa kati ya kifaa cha kukata na actuator ya kawaida. Mizigo katika mwelekeo wa kawaida na wa kukata ilirekodiwa kwa load cells za usahihi mkubwa, huku uhamisho ukirekodiwa kwa linear variable differential transformers mbili (LVDT) zilizowekwa nje.

Itifaki ya upakiaji

1. Upakiaji wa awali wa kawaida: Mzigo wa 3 kN ulitumika kwa kasi ya 0,5 kN/s na kurudiwa mara tatu ili kupunguza mapengo ya mgusano kati ya sampuli na kifaa.
2. Upakiaji wa kawaida na kushikilia: Mzigo lengwa wa kawaida ulitumika kwa kasi ya 0,5 kN/s na kudumishwa thabiti wakati wote wa kukata uliofuata.
3. Upakiaji wa awali wa kukata: Mzigo wa kukata wa 3 kN ulitumika kwa kasi ya 0,5 kN/s na kurudiwa mara tatu ili mgusano ukae vizuri.
4. Upakiaji wa kukata: Udhibiti ulihamishwa kwenye hali ya uhamisho na uhamisho wa kukata ulitumika kwa kasi thabiti ya 0,01 mm/s. Jaribio lilikomeshwa sampuli ilipovunjika kabisa au uhamisho wa kukata ulipofikia 15 mm.

Tabia ya mkazo wa kukata–uhamisho

Kati ya 0,9–2,7 MPa, kuongezeka kwa mkazo wa kawaida kuliimarisha kufungamana kwa asperities na kuzuia miundo ya ndani inayobeba mzigo katika mwelekeo wa kawaida. Matokeo yake, nguvu za kilele na mabaki za kukata kwa ujumla ziliongezeka katika aina zote tatu za sampuli. Katika mikazo ya chini ya kawaida, kupotea kwa mkazo baada ya kilele kulikuwa kwa hatua zaidi na utelezaji wa mabaki unaotawaliwa na msuguano uliendelea kwa muda mrefu zaidi.

Kadiri mkazo wa kawaida ulivyoongezeka, mabadiliko karibu na kilele yalionekana zaidi; katika baadhi ya sampuli, vilele vingi na maporomoko ya mkazo ya mfululizo yalionekana. Watafiti walihusisha mabadiliko haya na kuvunjika kwa mfululizo kwa vipengele vya ndani vinavyobeba mzigo na michakato ya kufungamana inayojitokeza tena kwenye uso wa kukata.

Chini ya 3,6 MPa, nguvu za kilele za kukata katika aina zote tatu za sampuli zilikaribia takribani 2,9 MPa; baada ya hapo kulikuwa na poromoko dhahiri la mkazo wa kilele na kutokuwa thabiti kwa mwisho. Katika hali hii, uhamisho ambapo J0, J1 na J2 zilipoteza kabisa uwezo wa kubeba mzigo wa kukata ulikuwa takribani 9,0, 7,8 na 6,5 mm.

Jedwali hili halimaanishi kwamba idadi ya nyufa hupunguza moja kwa moja na kwa monotoni nguvu ya kilele ya kukata. Katika utafiti chanzo, hakuna mpangilio wa mara kwa mara uliopatikana kati ya idadi ya nyufa na nguvu ya kilele chini ya mkazo uleule wa kawaida. Mabadiliko yaliyo dhahiri zaidi ni kupungua kwa uwezo wa deformesheni kabla ya kilele na mwendelezo wa kubeba mzigo baada ya kilele.

Kwa mfano, chini ya mkazo wa kawaida wa 0,9 MPa, uhamisho wa kukata wa kilele wa sampuli J0, J1 na J2 ulipungua mtawalia hadi 6,6, 5,0 na 2,6 mm; na nguvu za mabaki za kukata za takribani 1,0, 0,9 na 0,8 MPa zilibainishwa. Uchunguzi huu unaonyesha kwamba nyufa nyingi zinaweza kufupisha njia ya deformesheni inayohitajika kwa kuungana kwa nyufa na kuundwa kwa ndege ya kukata ya makroskopiki.

Uhamisho wa kawaida na dilatansi

Mikondo ya uhamisho wa kawaida ilionyesha hatua nne za jumla: kujipanga kwa awali, maendeleo ya dilatansi, dilatansi ya kilele na kupungua kwa dilatansi. Katika baadhi ya majaribio, dilatansi baadaye ilibadilika kuwa kusinyaa kwa kawaida.

Chini ya 0,9 MPa, sampuli J0, J1 na J2 zilionyesha dilatansi katika jaribio lote. Dilatansi za kilele zilikuwa mtawalia 2,6, 2,6 na 1,5 mm; uhamisho wa kukata unaolingana na vilele hivi ulipimwa kuwa takribani 6,7, 6,3 na 6,0 mm.

Mkazo wa kawaida ulipoongezwa hadi 1,8–2,7 MPa, dilatansi ya kilele ilipungua kwa kiasi kikubwa na baada ya kilele uhamisho wa kawaida ulianza kupungua na kuvuka mstari wa sifuri. Katika 3,6 MPa, mabadiliko ya tabia yalikuwa wazi zaidi. Katika J0 na J1, dilatansi ya muda mfupi ya takribani 0,1 na 0,2 mm pekee ilionekana; katika J2, dilatansi haikutokea. Mgeuko dhahiri katika mikondo ya J0 na J1 ulitokea katika uhamisho wa kukata wa takribani 4,2 mm, na katika J2 katika takribani 3,0 mm.

Katika sampuli J2, kwenye uhamisho wa kukata wa takribani 3,0 mm, uhamisho wa kawaida ulionyesha poromoko la ghafla la takribani 0,5 mm. Tabia hii ilitafsiriwa kwamba nyufa nyingi zinaweza kuvuruga mwendelezo wa mtandao wa madaraja ya mwamba na kuharakisha mpito kutoka kuvunjika kwa ndani hadi kuporomoka kwa jumla zaidi kwa muundo katika mwelekeo wa kawaida.

Poromoko la Mkazo Linaonyesha Nini Katika Jaribio Hili?

Poromoko la mkazo linawakilisha kupungua kati ya kilele cha ndani katika mkondo wa mkazo wa kukata na bonde la ndani linalofuata mara moja, na katika utafiti huu limetumiwa kama kiashiria cha kimekanika cha kupotea ghafla kwa uwezo wa ndani wa kubeba mzigo; hata hivyo, ukubwa wa poromoko la mkazo si sawa na jumla ya nishati iliyotolewa, na maana yake ya mienendo lazima itathminiwe pamoja na namna ya kuvunjika, kurushwa kwa vipande na uchunguzi mwingine.

Mlinganyo wa poromoko la mkazo

Ukubwa wa tukio moja la poromoko la mkazo ulifafanuliwa katika chanzo kama ifuatavyo:

\[ \Delta\tau_i=\tau_i^{p}-\tau_i^{v} \]

Hapa, \(\Delta\tau_i\) ni ukubwa wa tukio la \(i\) la poromoko la mkazo; \(\tau_i^{p}\) linaonyesha mkazo wa ndani wa kilele wa kukata mara moja kabla ya tukio, na \(\tau_i^{v}\) linaonyesha mkazo wa ndani wa bonde wa kukata unaofuata. Vipengele vyote viko katika MPa. Katika uhesabuji wa matukio ya kitakwimu, maporomoko yenye \(\Delta\tau_i>0.02\ \mathrm{MPa}\) pekee yalijumuishwa.

Katika sampuli J0, matukio ya poromoko la mkazo yalionekana hasa katika masafa ya uhamisho wa kukata ya 4–6 na 7–9 mm. Katika J1, msongamano ulihamia 4–6 na 7–8 mm, na katika J2 ulihamia masafa ya 2–4 na 6–7 mm. Hivyo, kadiri idadi ya nyufa zilizotengenezwa mapema ilivyoongezeka, matukio dhahiri ya poromoko la mkazo yalihamia katika hatua za mapema zaidi za deformesheni.

Hata hivyo, ukubwa wa poromoko la mkazo haukubadilika kwa monotoni na idadi ya nyufa katika kila mkazo wa kawaida. Mpangilio ulio wazi zaidi ulitokea katika 3,6 MPa: maporomoko ya juu kabisa ya mkazo kwa J0, J1 na J2 yalikuwa 0,28, 0,62 na 0,90 MPa. Wakati huohuo, jumla ya matukio kwa ujumla ilipungua na matukio yakajikusanya katika masafa finyu zaidi ya deformesheni. Watafiti walitafsiri hili kama mpito kutoka kuvunjika kwa ndani kwa idadi kubwa lakini kwa kiwango kidogo kwenda kwenye matukio machache zaidi lakini yenye kiwango kikubwa na mkusanyiko mkubwa wa kutokuwa thabiti.

Mabadiliko ya uharibifu yaliyoonekana kwenye uso wa kukata

Picha za kushindwa kwa sampuli nzima zilionyesha kwamba namna ya uharibifu ilibadilika wazi kadiri mkazo wa kawaida ulivyoongezeka. Katika 0,9 MPa, uso wa makroskopiki wa kukata ulibaki kwa kiasi kikubwa laini, na idadi ndogo ya nyufa za kukata zilizopinda pamoja na kujitenga kwa vipande vidogo vya umbo la bamba ilionekana. Katika 1,8 MPa, uso ulikuwa na mawimbi na ukwaru zaidi, na nyufa zaidi za mvutano–kukata ziliungana kwenye nyuso huru za block za juu na chini.

Katika 2,7 MPa, uso wa kukata ulipata jiometri yenye mawimbi yaliyo wazi, block na vipande vingi zaidi vya mwamba vilirushwa, na miundo iliyopinda inayofanana na mifereji ilijikusanya karibu na uso wa kukata. Katika 3,6 MPa, chini ya kubanwa na kukata kwa pamoja, sampuli ilipata kuporomoka kwa haraka kwa brittle; upinzani wa kukata ulipotea kabisa na haikuwezekana kutambua uso tofauti wa makroskopiki wa kukata. Sampuli ilipoporomoka katika mwelekeo wa upakiaji wa kawaida, vipande vingi vya umbo la bamba, nguzo na chembe laini vilitokea.

Nyuso za kukata pia zilitafsiriwa kuwa na eneo karibu na uso huru, uso wa kati wa kukata na maeneo ya msuguano ya mbele–nyuma. Katika mkazo wa chini, nguzo za mwamba zilizopinda kwa mpangilio na alama za msuguano zilibaki kwenye nyuso; kadiri mkazo wa kawaida ulivyoongezeka, eneo lililochukuliwa na miundo hii lilipungua na kiasi cha vipande vya mwamba na nyenzo laini za punjepunje kikaongezeka.

Kiasi cha vumbi la mwamba na tafsiri ya tabaka la mwili wa tatu

Baada ya kukata, chembe ndogo kuliko 0,3 mm zilifafanuliwa kama “vumbi la mwamba”, zikapitishwa kwenye chekecheo sanifu na kupimwa uzito. Vipimo vilivyoonyeshwa katika Kielelezo 13 cha chanzo vinahusu mfululizo wa sampuli nzima.

Kati ya 0,9–2,7 MPa ongezeko lilikuwa dogo kwa kiasi, lakini katika 3,6 MPa wingi wa vumbi la mwamba ulifikia 56 g. Linapotathminiwa pamoja na picha za uharibifu, hili linaendana na mpito kutoka kuvunjika kwa ndani kwa asperities katika mkazo wa chini wa kawaida kwenda kwenye kusagika na kusuguliwa kwa kiwango kikubwa katika mkazo mkubwa wa kawaida.

Watafiti wanapendekeza kwamba chembe laini zinaweza kuunda “tabaka la punjepunje la mwili wa tatu” kati ya nyuso mbili zinazokabiliana za kukata. Katika tabaka kama hilo, mgusano hautokei kwa msuguano wa moja kwa moja wa asperity–asperity pekee; kuteleza, kuzunguka na kupanga upya kwa chembe laini pia kunaweza kuathiri tabia ya kukata. Utaratibu huu umetolewa katika chanzo kama mojawapo ya maelezo ya kimekanika yanayowezekana kwa maporomoko dhahiri ya mkazo baada ya kilele katika mkazo mkubwa wa kawaida; si matokeo huru yaliyothibitishwa moja kwa moja kwa jaribio tofauti.

Athari mbili za kimekanika za mkazo wa kawaida

Matokeo ya majaribio yanatenganisha athari mbili za mkazo wa kawaida: kwanza, athari inayotoa uthabiti, na baadaye, chini ya hali fulani, athari inayoongeza kutokuwa thabiti. Kati ya 0,9–2,7 MPa, mkazo wa kawaida uliweka asperities katika mgusano wa karibu zaidi, ukazuia mwendo wa madaraja ya mwamba na kuongeza upinzani wa kukata. Kizuizi hicho pia kiliwezesha vipengele vya ndani vinavyobeba mzigo kukusanya mkazo na nishati elastiki ya juu zaidi kabla ya kuvunjika.

Ilipofikia 3,6 MPa, mwelekeo unaotawala wa tabia ya kimekanika ulibadilika. Kupitana kwa asperities kulizuiwa kwa kiasi kikubwa, dilatansi ikapungua au kutoweka, na kusagika pamoja na kupanga upya kwa chembe katika ndege ya kukata kukawa dhahiri zaidi. Mtandao wa ndani wa kubeba mzigo ulipovunjika, mzigo haukuweza kuhamishwa hatua kwa hatua kwenda kwenye migusano mingine salama na uwezo wa kubeba mzigo wa kukata ulipotea kwa haraka.

Jukumu la idadi ya nyufa zilizotengenezwa mapema

Athari kuu ya kuongezeka kwa idadi ya nyufa si kupunguza tu nguvu ya kilele. Katika chanzo, hakuna mpangilio wa mara kwa mara unaotumika katika hali zote ulioonekana kati ya nguvu za kilele za kukata za J0, J1 na J2 chini ya mkazo uleule wa kawaida. Badala yake, kadiri idadi ya nyufa ilivyoongezeka, njia inayohitajika kwa nyufa kuungana ilifupishwa, mwendelezo wa mtandao wa madaraja ya mwamba ukadhoofika na deformesheni ya kukata ikaanza kujanibishwa mapema zaidi.

Hasa katika hali ya 3,6 MPa, mchakato huu ulionekana wazi: uhamisho unaohitajika hadi kutokuwa thabiti kamili ulipungua kutoka J0 kwenda J2, huku poromoko kubwa zaidi la mkazo la tukio moja likiongezeka. Hivyo mfumo ulihamia kutoka matukio mengi madogo na yaliyotawanyika ya uharibifu kwenda kwenye matukio machache zaidi, lakini makali na ya kiwango kikubwa zaidi ya kuvunjika.

Viashiria vya kimekanika vilivyo nyeti zaidi katika utafiti

Matokeo ya watafiti yanaonyesha kwamba kuangalia nguvu ya kilele ya kukata pekee hakutoshi kueleza maendeleo ya kutokuwa thabiti kwa kukata-kuteleza. Uhamisho wa kukata wa kilele, uhamisho katika kutokuwa thabiti kamili, ukubwa wa maporomoko ya mkazo na masafa ya deformesheni ambako yanajikusanya, nafasi ya kutokea kwa dilatansi ya kilele, sehemu ambapo uhamisho wa kawaida huvuka sifuri na kasi ya mpito kutoka dilatansi kwenda kusinyaa vinaibuka kama viashiria vya kimekanika vilivyo nyeti zaidi.

Katika sehemu ya hitimisho ya utafiti chanzo, kujikusanya kwa matukio makubwa ya poromoko la mkazo katika masafa fulani ya deformesheni, kufupika kwa kipindi thabiti cha utelezaji baada ya kilele, kuzuiwa kwa dilatansi na kubadilika haraka kwa uhamisho wa kawaida kutoka dilatansi kwenda kusinyaa kumependekezwa kama viashiria vinavyowezekana vya kimekanika vya kutokuwa thabiti kwa mienendo kwa kukata-kuteleza kunakokaribia katika mwamba wa jirani wenye nyufa. Neno “vinavyowezekana” ni muhimu; utafiti haukuvijaribu kama vigezo vilivyothibitishwa vya tahadhari ya mapema kwa matumizi ya uwanjani.

Vikwazo vya majaribio

Kizuizi muhimu zaidi cha utafiti ni kwamba sampuli moja tu ilitumika katika kila moja ya hali 12 za majaribio. Kwa hiyo, mchango wa kutokuwiana kwa nyenzo, tofauti ndogo katika utengenezaji wa nyufa zilizotengenezwa mapema na utofauti katika hali za awali za mgusano haukuweza kutenganishwa kwa kiasi. Baadhi ya mpangilio wa kinyume kati ya J0, J1 na J2 unaweza kuonyesha athari halisi ya jiometri ya ufa, lakini pia unaweza kutokana na utofauti kati ya sampuli.

Ni muhimu pia kwamba matukio ya poromoko la mkazo ni mabadiliko ya kimekanika ya sampuli ileile kwa muda. Maporomoko mengi ya mkazo yanayotokana na mkondo uleule hayawezi kuchukuliwa kama marudio huru ya majaribio. Kwa hiyo, kuwa na idadi kubwa ya maporomoko ya mkazo hakumaanishi kwamba ukubwa wa sampuli ya majaribio umeongezeka.

Kizuizi cha pili cha msingi ni kwamba majaribio yalifanywa chini ya upakiaji wa quasi-static. Utoaji wa akustiki, mtetemo, kasi ya kurushwa kwa vipande na nishati ya kinetiki iliyotolewa havikupimwa moja kwa moja. Maporomoko ya ghafla ya mkazo, kupasuka kwa brittle, kurushwa kwa vipande na kupotea kwa haraka kwa uwezo wa kubeba mzigo vinaweza kutafsiriwa kama ishara za kimekanika za ubora za kutokuwa thabiti kwa mienendo; lakini havitoi usawa wa kiasi wa mienendo na rockburst halisi ya chini ya ardhi.

Zaidi ya hayo, poromoko la mkazo linaonyesha tu kupungua kwa upinzani wa kukata uliopimwa. Si sahihi kisayansi kulinganisha moja kwa moja thamani ya \(\Delta\tau\) na jumla ya nishati elastiki au kinetiki iliyotolewa. Katika siku zijazo, majaribio yanayorudiwa yenye vipimo vya akustiki, mtetemo, kinematiki ya kasi kubwa na nishati kwa pamoja yanahitajika ili kupima kwa kiasi sifa za mienendo za utaratibu uliopendekezwa.

Tafsiri jumuishi ya matokeo ya kisayansi

Utafiti unaonyesha kutokuwa thabiti kwa kukata-kuteleza si kama tukio moja la “nguvu imepitwa na sampuli imevunjika”, bali kama mchakato wa mabadiliko unaoanzia mgusano hadi mkusanyiko wa nishati, kutoka maendeleo ya nyufa hadi kugawanyika, na kuendelea hadi utelezaji wa punjepunje baada ya kilele. Katika mtazamo huu, mkazo wa kawaida si kizuizi tu kinachotumika kutoka nje; ni kigezo cha udhibiti kinachoamua jinsi nyuso zinavyofungamana kwa nguvu na jinsi uharibifu unavyojikusanya wakati kufungamana huko kunapovunjika.

Nyufa zilizotengenezwa mapema pia si nafasi tupu za kijiometri zinazopunguza tu eneo la kukata. Nyufa hubadilisha njia ambazo mzigo husafirishwa kupitia madaraja ya mwamba, umbali ambao microcracks huungana na kiwango ambacho vipengele vya ndani vinavyobeba mzigo vinaweza kubaki huru kutoka kwa kila kimoja. Kwa hiyo, idadi ya nyufa haikupunguza kwa monotoni nguvu ya kilele katika kila hali, lakini hasa katika mkazo mkubwa wa kawaida ilihusishwa na ujanibishaji wa mapema wa kutokuwa thabiti na kuongezeka kwa maporomoko ya mkazo ya matukio binafsi.

Maelezo ya Chanzo na Mbinu

Utafiti asili: Experimental Study on the Evolution Mechanism of Shear-Slip Rockburst Using a Rockburst-Prone Synthetic Material

Waandishi: Xuening Wang; Xiaoqing Wang; Jianbiao Bai; Yang Zhao; Feiteng Zhang; Junchen Li; Dingchao Chen.

Mwandishi wa mawasiliano: Xiaoqing Wang.

Taasisi: School of Mines, China University of Mining and Technology, Xuzhou, China; Coal Mining Research Institute, China Coal Technology and Engineering Group Co., Ltd., Beijing, China; State Key Laboratory of Intelligent Coal Mining and Strata Control, Beijing, China.

Jarida: Applied Sciences.

Mchapishaji/jukwaa: MDPI.

Kumbukumbu ya bibliografia: Applied Sciences, 2026, 16(17), 8804.

DOI: 10.3390/app16178804

Aina ya makala: Makala ya utafiti wa majaribio iliyopitiwa na wenzao.

Iliwasilishwa: 6 Agosti 2026.

Ilirekebishwa: 29 Agosti 2026.

Ilikubaliwa: 31 Agosti 2026.

Ilichapishwa: 4 Septemba 2026.

Leseni: Leseni ya ufikiaji wazi ya Creative Commons Attribution (CC BY).

Ufadhili: National Natural Science Foundation of China, nambari za miradi 51927807 na 52274124.

Upatikanaji wa data: Imeelezwa kuwa data ghafi zinazounga mkono matokeo ya makala zinaweza kupatikana kutoka kwa mwandishi wa mawasiliano kwa ombi linalofaa.

Mgongano wa maslahi: Imeripotiwa kuwa Xuening Wang, Xiaoqing Wang, Yang Zhao na Junchen Li wanafanya kazi katika China Coal Technology and Engineering Group Co., Ltd. Waandishi wengine wametangaza kwamba hakuna uhusiano wa kibiashara au kifedha unaoweza kuathiri utafiti.

Michango ya waandishi: Xuening Wang alihusika katika uundaji wa dhana, mbinu, utafiti na uandishi; Jianbiao Bai katika rasilimali, ufadhili na uchambuzi rasmi; Xiaoqing Wang katika usimamizi, uratibu wa data, rasilimali na tathmini ya makala; Yang Zhao katika usimamizi, uthibitishaji na utafiti; Feiteng Zhang katika uundaji wa dhana, mbinu na tathmini; Junchen Li katika uratibu wa data na tathmini/uhariri; Dingchao Chen katika uthibitishaji na tathmini.

Kizuizi kikuu cha kimetodolojia: Kwa kuwa n=1 katika kila hali ya majaribio, urudilikaji wa kitakwimu haukutathminiwa. Majaribio yalifanywa katika hali za maabara za quasi-static na hayakujumuisha vipimo vya moja kwa moja vya utoaji wa akustiki, mtetemo, kasi ya kurushwa kwa vipande au nishati ya kinetiki iliyotolewa. Matokeo yanapaswa kufasiriwa si kama usawa wa kiasi wa mienendo wa rockburst halisi ya uwanjani, bali kama analogi ya kimekanika ya kiwango cha maabara ya kutokuwa thabiti kwa kukata-kuteleza.