冲击载荷作用下煤岩破碎与耗能规律实验研究

为了探索煤岩在冲击过程中的破坏特征和能量耗散规律,利用Φ75 mm霍普金森压杆(SHPB)实验装置,对煤岩试件进行不同应变率条件下的冲击压缩实验,分析了冲击加载速率对煤岩破碎耗能和块度分布的影响。实验结果表明:在实验应变率范围内,随着子弹速度的提高,应变率和应力波携带的能量均呈线性增长,而煤岩破碎耗散能则呈指数上升。通过对实验碎块进行块度分维,发现随着应变率的提高,试件的耗散能密度快速增大,煤岩碎块的分形维数就越大,块度越细,破坏的程度越剧烈。分形维数与应变率及耗散能密度之间呈对数增长的关系,即分形维数增大的趋势变缓。     

岩石冲击破碎块度分形与能量耗散特征研究

为研究冲击荷载作用下岩石能量吸收与破碎分形特征,应用霍普金森试验系统对0.6、0.8、1.0、1.2、1.4长径比花岗岩进行动态冲击试验,分析了应变率效应和尺寸效应对花岗岩试件的破碎能耗和破坏形态的影响;在考虑时间因素的基础上,提出一种新的能时密度指标来评价能量耗散,结合分形维数计算与能时密度分析,研究岩石在冲击过程中的能时密度与分形特征。结果表明：0.6 ~ 1.4长径比花岗岩试件的应变率和能时密度均符合乘幂关系,同种长径比试件的能时密度随应变率增大呈递增趋势;在48.8 ~124.2 s_^-1应变率区间内,分形维数随应变率增加显著增大;花岗岩试件在动荷载下的能时密度和分形维数符合乘幂关系,单位时间内岩石吸收能量越多,分形特征就越明显;引用能时密度结合岩石破碎块度的分形维数计算,能够定量研究岩石单位时间内的能量吸收规律。     

冲击加载下煤岩破碎块度与能耗关系的试验研究

利用霍普金森压杆对煤岩进行不同冲击加载下的动态力学测试,研究煤岩破碎块度与破碎能耗之间的关系。利用筛分法确定煤岩破碎后的平均块度,借助分形理论,研究不同冲击加载下煤岩的破碎分形维数、破碎块度;借助不同冲击加载下煤岩的应力—应变曲线,依据应力波理论,分析煤岩的破碎能耗;并研究了煤岩的破碎块度与破碎能耗的关系。研究结果表明,在动态冲击试验下,煤岩冲击破碎后的块度具有较好的分形特性,分形维数能够反映煤岩的破碎和脆性程度。煤岩在不同冲击加载下,破碎平均块度在6~19mm之间。随着冲击加载速度的增大,煤岩越破碎,破碎块度越小,破碎能耗越大。     

煤体破碎过程中分形特征与能量耗散规律研究

利用DDL600电子万能试验机和自主研发的破碎岩石压实装置,采用分级加载方式对不同相对湿度下的级配破碎煤样进行单轴侧限压缩试验,通过筛分和称重各粒径煤样计算出粒度分形维数,分析各级轴向应力下破碎煤样的粒径分布特征,并根据能量耗散模型计算出破碎能量耗散率,探究加载过程中破碎煤样的能量耗散率规律。结果表明:煤样破碎过程中分形维数与加载应力满足对数关系,初始级配对分形维数变化的影响随加载应力的增大而减小,且相对湿度的增加会降低分形维数;相对湿度通过减少破碎发生而减小了煤样的能量耗散,其能量耗散率的变化区间为30%～42%;煤样的能量耗散率随分形维数呈先增大后减小的趋势,且湿度越大能量耗散率到达峰值时的分形维数越小,能耗率变化越突出。     

动静组合加载下煤体力学响应及能量演化规律试验研究

采掘工作面煤体的力学响应和能量演化特征与煤矿动力灾害的发生息息相关。采用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统开展了动静组合加载下煤体冲击试验，分析了不同动静组合条件下煤体力学性质与能量演化规律。试验结果表明：煤体动态强度具有明显的轴压与应变率效应，随着轴压的增加先增加后减小，但与应变率呈正比关系；动静组合加载下煤体宏观破坏模式具有拉剪破坏与“爆炸式”粉碎破坏两类，轴压控制煤体宏观破坏模式的转变，冲击速度控制煤体的破坏程度；煤体耗散能可定量表征动静组合加载下煤体的破碎程度，煤体破碎分形维数与耗散能呈弱幂函数增长关系。研究成果为揭示深部煤岩体动态失稳机理提供了理论支撑。     

含瓦斯煤岩卸围压力学特性及能量耗散分析

利用自主研制的含瓦斯煤岩热流固耦合三轴伺服渗流装置对含瓦斯煤岩进行了三轴卸围压试验，基于实验结果，研究了含瓦斯煤岩卸围压失稳破坏过程中的力学特性及其能量耗散规律。结果表明：在初始瓦斯压力和围压相同的情况下，卸围压速率增大加快了含瓦斯煤岩失稳破坏的进程，定义的卸围压效应系数反映了三轴卸围压实验中卸围压速率对含瓦斯煤岩失稳破坏难易程度，且卸围压效应系数与卸围压速率之间存在幂函数的关系；在瓦斯压力和应力差相同的情况下，不同卸围压速率下含瓦斯煤岩的轴向应变、侧向应变和体积应变的变化规律具有较好的一致性，卸围压速率越大，含瓦斯煤岩的轴向应变、侧向应变和体积应变越小；卸围压过程中能量耗散与卸围压速率有关，且含瓦斯煤岩的能量耗散随着卸围压速率的增大而减小。     

动载作用下铁矿石能量耗散规律及破坏特征试验研究

为研究攀枝花铁矿开采境界内铁矿石的动力学性能,利用动静组合分离式霍普金森杆实验系统,开展 4 种典型铁矿石的动态单轴压缩试验。 以动态强度、能量耗散、碎屑分布为切入点,分析 4 种矿石的动力学响应特征。 试验结果表明:4 种铁矿石的动态强度均具有明显的率效应,随冲击速率的增加而增大;所研究冲击速率范围内,中低 品位铁矿石的动态强度显著大于高品位铁矿石和表外矿的强度;随着冲击速率的增加,单位体积耗散能随之增大,且 单位体积耗散能的增加幅度与铁矿石的品位相关;基于分形理论分析 4 种铁矿石破坏后碎屑块度的分形维数,发现碎 屑块度的分形维数随冲击速率增大而增加;最后,分析了单位体积耗散能与分形维数的关系,发现二者呈现非线性正 相关关系。     

冲击速度对煤岩破碎能量和粒度分布的影响

为研究冲击速度对煤岩破碎能量、粒度分布的影响,根据断裂力学理论建立了煤岩冲击破碎断裂耗能的计算表达式,并建立了煤岩冲击破碎粒度的威布尔分布表达式,以此为基础,研究冲击速度对煤岩破碎能量和粒度分布规律的影响。利用冲击破碎实验台对不同冲击速度的煤岩进行破碎实验,结果表明：冲击速度对煤岩破碎粒度的分布规律影响较小,威布尔分布表达式可以很好的表征不同冲击速度情况下的煤岩破碎质量累积概率,但煤岩破碎特性指数和表征破碎程度的参数随冲击速度增大分别呈指函数上升和下降;煤岩冲击破碎断裂耗能和耗散能都随冲击速度的增大而上升,煤岩冲击破碎的能量利用率随冲击速度增大而减小,且它们之间呈指函数关系,能量耗散率与冲击速度也成指函数关系,但冲击速度越大耗散率越高。     

饱和破碎砂岩压实过程中粒度分布及能量耗散

分别对不同级配(Talbot指数为0.2,0.4,0.6和0.8)侧向受限饱和破碎砂岩进行压缩,利用显微CT观察了试样内部孔隙结构的变化规律;基于分形理论,定量研究了粒度分布特征;通过计算应变能密度,分析了能量耗散特征。结果表明,在16 MPa轴向应力下,轴向应变为0.304 5~0.324 1;在压实初期,试样结构松散,颗粒间接触不稳定,孔隙尺寸较大且联通性好;而在压实后期,试样密实,孔隙形状多为稳定的三角形。粒度分布具有分形特征,分形维数范围为1.733 1~2.561 0。当轴向应力为0~4 MPa时,颗粒破碎发生急剧,分形维数快速增大;而在4 MPa后,颗粒破碎发生较少,分形维数缓慢增大。变形引起的能量耗散随着轴向应变和分形维数的增大而加速增大,当轴向应变大于0.17或分形维数大于2.1后,应变能密度急剧增大。初始粒径配比对粒度分布和能量耗散均有影响,相同轴向应力下,Talbot指数越大,分形维数越小;相同轴向应变下,Talbot指数越大,应变能密度越小。     

循环载荷下煤样能量转化与碎块分布特征

煤矿开采中煤体常处于反复加卸载过程,研究煤体在不同加载速率重复载荷作用下的能量转化与破坏机制对认清煤矿动力灾害本质具有指导意义。利用MTS815.03伺服实验系统,通过单轴循环加卸载试验,结合能量和分形理论,获得了不同加载速率下煤样变形破坏各阶段能量积聚、耗散和释放的转化机制及其与煤样碎块块度分布规律的内在关系,为开展重复载荷作用下煤岩破裂响应及破坏机制的研究提供依据。试验结果表明:煤样能量转化具有明显的阶段性特征,可分为能量初始积累阶段、能量加速积累阶段和能量快速耗散阶段。煤样破坏前耗散能所占比例经历了高—低—高的过程,而弹性能则相反,加载后期弹性能比例下降或耗散能比例的升高,预示着煤样进入加速破坏阶段;能量集聚和释放与加载速率密切相关,随着加载速率的增大,峰值前弹性能所占比例逐渐增加,煤样破坏前更多的能量以弹性能形式储存在煤样体内,岩石破坏后,更多的能量被释放出来,煤样破坏越剧烈,其宏观破坏形态由剪切张拉和劈裂破坏向弹射破坏过渡;循环加卸载下煤样碎块分形特征具有明显的分段性,在小于尺寸阈值范围内具有较好的自相似性特征,不同加载速率下碎块分形维数为2～3,且随加载速率的增加成线性增长;加载速率越大碎块分形维数越大,煤样破碎程度越高,大块碎块所占比例越小,煤样碎块越破碎且单块碎块质量越小,煤样发生动力灾害的危险性越大。     

岩石冲击实验碎屑分类及其分形特征

利用分离式霍普金森压杆实验系统,进行一系列的不同长径比砂岩冲击实验。对试验碎屑采用不同方法提取其信息,包括对粒径小于0.075mm的颗粒采用激光粒度分析仪。对受载后岩样破碎块度进行筛分统计,得到了该加载条件下岩石破碎的粒度分布。在此基础上,进一步计算相应破碎块度的分形维数,分别探讨了不同的长径比对分维数的影响。结果表明,砂岩破碎分维值在1.54到2.49之间,分维愈大,其粒度愈细。相同长径比岩石试件,岩石破碎分维值与试样的应变率线性相关,随应变率增大而增大。     

单向扰动加载触发煤体冲击破坏特性试验研究

运用MTS-C64. 106型压力机开展纯煤试件的单轴动静组合加载试验。结合PIC-2声发射卡和高速摄像机的监测结果,分析了单向扰动加载下煤体的力学、冲击性能、声发射特征、动态破坏特征、碎片分形特征。结果表明,扰动加载应变率增大,煤体强度呈对数增加;冲击性能增强;扰动能量输入速率、声发射振铃计数、撞击数呈现"缓增—急增—突增"的转变,试件破裂形式经历"剪切破裂—竖向劈裂—爆裂"的转变;碎片质量分维与动载应变率呈二次方关系,存在动载应变率极值使试件破坏程度达到最大,试验显示的应变率极值为2. 8×10~(-3)s~(-1)。     

含水煤样动态拉伸能量演化与破坏特征试验研究

为研究不同含水煤样动态拉伸变形破坏过程的能量耗散规律,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统,对不同含水煤样进行冲击加载下的动态劈裂试验,并结合超高速数字图像相关(DIC)试验系统对煤样动态拉伸破坏过程进行观测。基于试验结果分析,获得了煤样破坏过程能量耗散特性随含水率的变化规律,分析了含水率对破碎煤样分形维数的影响。研究结果表明,冲击载荷下应力波是煤样内部大量微损伤结构及原生孔隙、空隙损伤演化的主控因素,煤岩体破碎是一个能量吸收与耗散的过程,随着冲击载荷的增加煤样耗散能密度呈线性增大,但当入射能较小时煤样耗散能密度值相差不大;试样分形维数随加载气压的增加而增加,且增加速率有减小趋势,同种加载气压下,饱和煤样的分形维数最大,干燥煤样的最小;煤样破坏主要以拉伸劈裂为主,破坏裂纹沿加载方向发育,率先在圆盘中部起裂,随后萌生多条次生裂纹,次生裂纹随加载气压的增大而增多,低加载气压下,劈裂裂纹在煤样中的扩展时间较长,扩展速度较慢;基于数字图像技术发现冲击载荷下饱和煤样中部出现多个主应变集中域,且范围逐渐扩大最终沿径向发育贯通。     

加卸载条件下煤岩变形特性与渗透特征的试验研究

以原煤为研究对象，利用自主研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验系统，采用加轴压、卸围压的应力控制方式开展煤岩加卸载试验，分析加卸载条件下煤岩变形特性和渗透特征的演化规律。研究结果表明：① 加卸载试验峰值强度明显低于常规三轴压缩试验峰值强度，在加卸载过程中，主应力差有一个明显增加趋势，卸载第2阶段速率越大，其曲线斜率也越大，但峰值强度越小，对应的径向应变ε3 、体积应变εV增加速率也越快，而到峰值后破坏阶段，均呈下降趋势。② 加卸载过程中，煤岩渗透率、应力差与应变关系可以分为3个阶段，初始压密和屈服阶段、屈服后阶段、破坏失稳阶段。试件达到峰值后瓦斯渗透率出现突然小幅度上升，持续一段时间后，渗透率出现急剧陡增趋势。③ 煤岩渗透率的变化与煤岩的变形损伤演化过程密切相关，渗透率随变形的增大均呈二次多项式函数递增。     

煤系砂岩动态拉伸破坏及能量耗散特征的试验研究

我国深部开采过程中，围岩处于显著的高应力扰动环境。动载作用下岩石拉伸力学特性的研究，是实现矿井围岩稳定性有效控制及安全生产的重要基础。利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统，对煤层顶板砂岩进行动态巴西圆盘试验。研究结果表明：砂岩动态拉伸强度随加载速率的升高逐渐增强，这种依赖性在较高加载速率时更加显著；砂岩动态拉伸破坏经历主裂纹产生、微裂纹发育及裂纹相互贯穿3个阶段；随着加载速率的升高，试样破坏方式逐渐从单一张拉破坏逐渐发展为张拉破坏与局部剪切破坏共存，碎块平均体积逐渐减小，破坏程度逐渐提高；试验过程中，试样破坏所需的耗散能量随加载速率的升高逐渐增加，并且其占输入能量的比例逐渐提高，即砂岩破坏过程中能量利用率逐渐提高。     

高强度开采工作面煤岩灾变的推进速度效应分析

高强度开采工作面煤岩灾变存在冲击特征,采场围岩控制困难。采用室内试验、理论分析及数值模拟等综合研究方法,分析高强度开采条件下煤岩变形破坏和围岩应变能分布特征,并揭示采场煤岩动力灾变发生机制。研究表明：煤岩属于率相关材料,随着加载速率的提高,受压煤岩破坏形式由静态变为动力破坏,在后破坏阶段,存储于煤岩中的应变能降低形式以塑性功耗散转变为整体破坏后的快速释放,破坏用时减小;随着工作面推进速度提高,煤壁前方煤体中最大主应力加载速率和最小主应力卸载速率均增大,浅部煤体应变能密度升高,致使围岩发生动力灾变概率和危害程度升高;基本顶突然断裂和滑落,将贮存于顶板中的应变能快速释放并向下位煤岩传递,使煤层中应变能密度迅速升高,促使煤岩发生动压冲击性煤壁破坏;基本顶断裂前、后,煤体中应变能密度峰值点之间距离为超前段回采巷道动力灾变危险区,是采场围岩控制的重点区域。     

煤体破裂分形特征与声发射规律研究

探究离散性影响下煤体力学行为演化机制及失稳预测方法是有效提高冲击地压预测准确性的关键，开展煤受载破坏声发射监测试验并对破碎块体筛分统计，获得了强度、块体分形特征、声发射信号规律及其相互关系。研究结果表明:受裂隙及夹矸等影响煤体内部形成承载结构缺陷区导致其强度具有显著离散性，含有夹矸或裂隙越多，煤体受载过程弹性区越短承载能力越低，破碎后完整性较高，峰后软化特征明显，煤体单轴压缩破坏块度分形维数为2.08~2.60略高于岩石，碎块分形维数随峰值应力增加而升高，将质量频率分布曲线的斜率定义为碎块密集度(k)，碎块密集度越小煤体分形维数越大，破碎块体的数目越多体积越小破碎程度越高;煤体受载过程声发射能量、信号密集度和能量累积量随强度正相关变化，声发射累积量正比于分形维数，结合试验统计结果，深入分析了声发射能量与分形维数间的内在联系，并建立了声发射累积总能量随分形维数变化的经验公式，研究成果为定量的分析声发射信号与煤体力学行为间相互关系提供指导。