碳纤维复合砂浆约束煤样力学增强与破裂感知方法研究

摘要

针对井下煤柱失稳易诱发动力灾害的防控需求，开发了一种基于碳纤维复合砂浆材料的约束增强与损伤监测方法 .综合运用理论分析、COMSOL电场模拟、电阻监测及单轴压缩试验等方法开展了系统研究，深入分析了不同碳纤维掺量下复合砂浆约束煤样的力学强度、电阻变化率及损伤特征.研究表明：碳纤维在砂浆基体中能够形成连续网状结构，增强复合砂浆的力学强度及导电性能，抑制可溶性带电离子的迁移，促使材料的导电方式由离子导电转变为电子导电，从而显著降低电阻监测过程中的噪声干扰；碳纤维掺量为2.0%时，复合砂浆电阻率较纯水泥砂浆降低了4个数量级，电阻率监测的噪声峰峰值较纯砂浆试件减少了5个数量级，且抗压/抗拉强度分别提高了136.6%和135.1%.采用碳纤维复合砂浆包裹约束煤样，可对煤样施加环向约束力并增强其力学强度；同时，复合砂浆能在煤样表面形成优势导电通路，对裂隙扩展感知更加敏锐；采用2.0%碳纤维掺量的复合砂浆约束煤样后，其单轴抗压强度较纯煤样提升25.0%，应力灵敏度较纯砂浆约束煤样提升了1.94倍；复合砂浆约束煤样出现破裂时，应力-应变与电阻变化率同步跌落，可通过捕捉电阻突变信号准确识别煤样破裂信息.采用碳纤维复合砂浆约束煤样，能够同步实现煤样力学增强与破裂过程的实时、无损监测.研究成果扩展了碳纤维复合材料在矿业领域的应用维度，为井下煤体损伤监测提供了新的技术路径.

关键词

碳纤维复合砂浆 / 损伤监测 / 煤柱加固 / 力学增强 / 电阻变化率