Height ratio‑dependent creep failure of coal‑rock composites: A multi‑scale analysis integrating stepwise creep, AE monitoring, and SEM characterization

Technische Samenvatting: Hoogteverhoudingsafhankelijke Kruipbreuk van Kolen-Rots-Composieten

Probleemstelling
De langetermijnstabiliteit van kolenpilaren in ondergrondse stopens en hellingen in dagbouw is kritisch afhankelijk van het kruipgedrag van kolen-rotscombinaties. Hoewel de verhouding tussen de hoogte van gesteente en kolen ($K_{rc}$) wordt erkend als een sturende parameter voor de mechanische respons van deze composieten, blijft de specifieke invloed ervan op langdurige kruipdeformatie, sterkteafname en de onderliggende mechanismen van kruipschadeaccumulatie onvoldoende gekarakteriseerd. Bestaand onderzoek heeft zich grotendeels gericht op instantane faalmechanismen onder conventionele belastingssnelheden, waardoor een gat is ontstaan in het begrip van hoe $K_{rc}$ de tijdsafhankelijke breuk en scheurvorming onder constante belasting moduleert.

Methodologie
Deze studie maakte gebruik van een multischalige experimentele aanpak, waarbij stapsgewijze uniaxiale kruiptests, real-time akoestische emissie (AE) monitoring en scanning elektronenmicroscopie (SEM) karakterisering werden geïntegreerd. Vijf verschillende specimengroepen werden voorbereid met variërende gesteente-kolen hoogteverhoudingen ($K_{rc}$): zuivere kolen (0:1), drie composietconfiguraties (1:3, 1:1 en 3:1), en zuiver zandsteen (1:0).

• Kruiptests: Specimens ondergingen stapsgewijze belastingsprotocollen waarbij spanningsniveaus stapsgewijs werden verhoogd en constant werden gehouden om kruipdeformatie tot aan breuk te observeren.
• AE-monitoring: Een AE-systeem volgde de ringcounts en energie-ontlading om de interne microscheurvorming te karakteriseren, waarbij onderscheid werd gemaakt tussen scheurinitiatie, propagatie en coalescentie. Parameters zoals Gemiddelde Frequentie (AF) en Stijgende Hoek (RA) werden gebruikt om onderscheid te maken tussen trek- en afschuifingsmechanismen.
• Microstructuuranalyse: SEM-observaties werden uitgevoerd op verse breukvlakken van kolen en zandsteen om microstructuurdefecten en hun rol bij spanningsconcentratie te verifiëren.

Belangrijkste Resultaten

1. Relatie met Sterkte: Er werd een robuuste, lineaire relatie vastgesteld waarbij de kruipbreukspanning ($\sigma_{cr}$) consistent ongeveer 90% van de piek uniaxiale compressieve sterkte ($\sigma_c$) benaderde over alle $K_{rc}$-configuraties. Deze bevinding suggereert dat langetermijnsterkte betrouwbaar kan worden ingeschat op basis van kortetermijn statische sterktestests.
2. Optimale Configuratie (1:1 Verhouding): Het composiet specimen met een gesteente-kolen hoogteverhouding van 1:1 ($K_{rc} = 1:1$) vertoonde een superieure kruipweerstand vergeleken met andere configuraties. Het vertoonde de langste tijd tot kruipbreuk, de kleinste instantane en tijdsafhankelijke vervormingen, en de laagste steady-state kruipsnelheid.
3. Niet-monotone Drempelwaarden: De scheurinitiatiespanning ($\sigma_{ci}$) en de scheurschadedrempel ($\sigma_{cd}$) volgden een niet-monotoon trend ten opzichte van $K_{rc}$. Deze drempelwaarden piekten bij de 1:1 verhouding voordat ze afnamen naarmate het gesteentepercentage verder toenam, wat aangeeft dat de 1:1 configuratie het breedste stabiele scheurgroeiregime biedt.
4. Transitie in Faalmechanisme: Naarmate het aandeel gesteente toenam, verschoof het faalmechanisme van afschuifingsgecontroleerd naar trekgecontroleerd. Het aandeel afschuifingsscheuren nam af (van 25,56% in zuivere kolen naar 11,97% in zuiver gesteente), terwijl trekscheuren dominant werden. De 1:1 verhouding vertoonde het laagste aandeel afschuifingsscheuren onder de composieten, wat correleert met de verbeterde stabiliteit.
5. Microstructurele Invloed: SEM-analyse onthulde dat kolen een gefragmenteerde microstructuur bezit met onderling verbonden microscheuren en poriën, terwijl zandsteen een rigide, dicht korrelskelet vertoont. De stijvere gesteentelaag in de composieten zorgde voor laterale opsluiting van de kolen, wat de laterale expansie onderdrukte en de instabiele scheurgroei vertraagde, een effect dat werd gemaximaliseerd bij de 1:1 verhouding.

Betekenis en Claims
De auteurs stellen dat deze bevindingen kwantitatieve begeleiding bieden voor het rationele geometrische ontwerp van kolenpilaren in ondergrondse mijnbouw en dagbouwoperaties. Specifiek claimt de studie dat het identificeren van de 1:1 hoogteverhouding als een optimale configuratie voor kruipweerstand, kan bijdragen aan de dimensionering van kolenpilaren om de langetermijnstructurele stabiliteit te waarborgen. Bovendien biedt de vastgestelde 90% ratio tussen kruipbreukspanning en pieksterkte een praktisch voorspellend instrument voor ingenieurs die de langetermijnveiligheid van bestaande pilarenstructuren beoordelen. Het onderzoek overbrugt de kloof tussen statische mechanische eigenschappen en tijdsafhankelijke faalgedragingen, en biedt een theoretische basis voor het begrijpen van hoe structurele geometrie de overgang van stabiele naar instabiele kruip in heterogene gesteente-kolensystemen beïnvloedt.