双向静载约束条件下动力冲击对煤岩的损伤影响

利用自行研制的约束式摆锤冲击动力加载装置,对煤样进行双向静载约束条件下动力冲击试验,在不同静载约束条件下,研究了恒定冲量循环冲击与递增冲量循环冲击对煤样损伤演化的影响规律.基于超声波检测对不同静载约束条件下试样受冲击作用的损伤程度定量化表征,并对不同静载约束条件下煤岩表面的裂纹扩展规律进行了分析.研究发现在不同静载约束...     

高温双向约束条件下石灰岩的组构分析

为了研究高温双向约束条件下的石灰岩的组构特征,利用带能谱分析仪的扫描电镜对其化学成分和微观结构进行了测定,结合石灰岩组构、化学成分随温度变化的规律,分析了高温后石灰岩裂纹扩展的原因.试验结果表明,随着温度的升高,石灰岩颜色逐渐变浅;300℃后石灰岩试件颗粒间开始出现裂纹,500℃后裂隙呈现贯通状,700℃后有烧结的流体状凝结物出现,800℃后大多数的颗粒已破坏碎裂,并有密集的气孔出现;石灰岩中Ca,Mg元素的含量随温度的升高而增加,C,O的含量远远多于其他元素,试件中含有较多的有机物及其他杂质;石灰岩高温后内部裂纹以沿颗粒边界裂纹为主.     

双向荷载下不耦合装药对石灰岩预裂爆破的影响研究

为研究石灰岩在双向荷载不耦合装药情况下,岩石预裂爆破效果,采用LS-DYNA模拟软件对直径55 mm的炮孔数值模拟,以吕梁永宁煤矿10204运输巷、10206运输巷的现场试验为背景,解释岩石破裂时所产生裂隙扩展进程,对比不同双向受力对破裂时所产生裂隙扩大的影响,不耦合系数对于破裂时所产生裂隙扩展影响。结果表明：粉碎区耗能约为15%,在不耦合系数1.51～1.97时,贯通裂隙长度呈现先增大后减小的情况,在双向荷载不耦合装药的情况下选取不耦合系数1.67为最佳。     

煤体在冲击荷载作用下的损伤机制

以静力学、冲击动力为实验手段,得出煤在不同应变率荷载下的应力-应变关系。根据实验结果及煤体动态力学特征,通过改进朱-王-唐本构模型建立了体现煤体应变率效应、损伤特征的本构方程。将建立的方程嵌入有限元程序中对煤体在不同峰值冲击荷载作用下的损伤机理进行研究,研究结果表明:煤体在冲击荷载下出现层状间隔劈裂结构,煤体的劈裂损伤主要有2种形式:①由较大拉剪应力形成的"快速跃升式"损伤;②拉剪-压剪交替作用累积形成的"慢速阶梯式"损伤。     

冲击荷载作用下各向异性煤体中大孔结构变化规律研究

为了研究冲击荷载对煤岩体孔隙结构中中大孔结构的影响,能够为煤层增透中爆破致裂技术参数的设置提供相关理论依据,对结构异性(垂直于层理方向、平行于层理方向)煤岩体采用分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar, SHPB)冲击试验,进行不同冲击气压(0.1、0.15、0.2、0.3、0.5 MPa)下的动态力学性能测试,然后利用压汞试验对不同冲击荷载下结构异性煤岩体进行孔径结构分析,进而探讨冲击荷载对结构异性煤岩体中中大孔结构的影响规律。结果表明：煤样的动态抗压强度随着冲击荷载的增加呈线性增加,当冲击荷载相同时,垂直层理方向煤样的动态抗压强度均大于平行层理方向。冲击荷载和层理方向对煤样的进退汞曲线特征、孔隙度、退汞效率和孔径分布均有影响,当冲击气压为0.5 MPa时,对应垂直层理和平行层理方向动态抗压强度分别为29.624、24.339 MPa,较未受冲击荷载相比,垂直层理方向和平行层理方向煤样进汞量分别增加188%、205%,孔隙度分别增加155%、198%,退汞效率分别减少32%、69%,孔径分布中孔容最大值分别增加472%、492%。不同层理方向冲击...     

弱胶结砂岩在冲击荷载下的动力学性能研究

为研究粉砂岩在冲击荷载下的动力学性能,选取内蒙古东胜煤田红庆河煤矿副井-680 m 处的弱胶结 粉砂岩,运用 Hopkinson杆测试技术进行不同冲击能量下的冲击荷载实验。通过实验数据分析,得出结论如下：选取 的弱胶结砂岩为侏罗系延安组粉砂岩,强度较低,均值为 39.08 MPa。遇水易崩解,且极易风化,内部颗粒较细、多为 泥质胶结。弱胶结砂岩冲击荷载条件下的峰值强度均较单轴抗压强度下的峰值强度有大幅度提高,提高值为单轴 抗压强度的 1.14 倍。但相比于中部地区砂岩,其动、静强度较低,动载强度提高值有限,达不到中部砂岩静载强度。 冲击荷载越大,应变率越高,峰值强度越大。应变率与峰值强度间存在良好的指数增长或线性增长关系。其应力— 应变曲线按照应力的增速大致分为 3个阶段：应力骤升阶段、应力—应变平缓上升阶段、应力陡然下降阶段。     

冲击荷载作用下煤岩动力特性试验研究

为研究陕北地区硬质煤岩的动态力学性能,利用应力加载系统和分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置,对煤岩试件进行了基础的动、静力学特性试验,研究了其破坏机理。结果表明:静载作用下,煤岩试件多为单一裂纹破坏;而动载作用下,破坏形式比较丰富,如低应变率时的劈裂破坏和较高应变率下的压碎破坏;弹性模量与峰值应力的率相关性显著,而峰值应变的率相关性较弱;在动态加载方式下,由于加载速度过快,试件内部孔隙、裂隙、颗粒间距等缺陷闭合压实时间过短,宏观上表现为应力-应变曲线压密段缺失。     

冲击荷载作用下不同煤阶煤的结构演化特征研究

瓦斯的高效抽采和合理利用对于防治煤矿瓦斯灾害、改善空气质量和增加清洁能源供应都具有十分重要的意义。为探讨冲击荷载对煤体的微观孔隙结构和大分子形态学结构的影响,以褐煤(HM)、烟煤(YM)和无烟煤(WY)为研究对象,利用分离式霍普金森压杆(Separated Hopkinson Pressure Bar,SHPB)冲击试验系统模拟冲击应力在不同衰减过程中的冲击波和应力波,结合低温液氮和拉曼光谱测试数据,研究了冲击荷载作用下不同煤阶煤的结构演化特征和规律。结果表明,在冲击荷载的作用下,褐煤、烟煤和无烟煤的液氮总吸附量、总比表面积和总孔体积都减小(例如,在冲击荷载分别为0、0.5、0.75和1.0 MPa时,HM-0、HM-1、HM-2和HM-3的BJH总比表面积分别为7.066、6.611、4.468和3.548 m2/g),微孔均逐渐向过渡孔或中孔转化,微孔的占比减小,而过渡孔和中孔的占比之和增大。冲击荷载可以促进微孔中吸附的瓦斯有效解吸,提高过渡孔和中孔中瓦斯的扩散和渗流速度,很好地解释了煤储层在外载扰动的过程中会产生超量煤层气这一宏观现象。随着冲击荷载的逐渐增大,不同煤阶煤拉曼光谱D...     

锚杆侧向冲击载荷下动力响应及抗冲击机理

为了研究冲击载荷作用下锚杆的动态力学性能,测试了5种不同材质的锚杆杆体力学参数。采用自由落锤冲击实验装置对不同锚杆进行了侧向抗冲击性能实验,分析了侧向冲击载荷下锚杆的动力响应。进行了5种不同冲击高度的侧向抗冲击实验,得到不同冲击高度下不同锚杆的冲击动态响应曲线,锚杆表面轴向的应变时程曲线,冲击作用点的力-位移时程曲线。研究发现,在相同冲击能量下,锚杆冲击吸收功越高冲击峰值载荷越小,冲击作用时间随着冲击高度增大逐渐减小;冲击吸收功越高,锚杆应变峰值及残余应变越大;不同锚杆冲击力峰值和最大位移明显不同,峰值强度和最大位移越大,破断能越大。对锚杆抗冲击机理进行了研究,发现控制材质中有益及有害元素含量,可提高锚杆的抗冲击性能。测试了断口组织和金相组织,得到锚杆冲击吸收功越高,晶粒度级别越高的结论。     

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。     

冲击载荷下煤样动态拉伸劈裂能量耗散特征实验

为研究煤样动态拉伸变形破坏过程中的能量耗散规律,利用分离式霍普金森杆冲击加载系统,对煤样进行冲击条件下巴西圆盘劈裂试验,探讨了冲击速度、层理倾角及饱和含水对煤样总吸收能密度、总耗散能密度和损伤变量的影响;同时将煤样破碎后产生粒径为0~0.2 mm和0.2~5 mm的碎屑进行收集,并对不同尺寸碎屑的分布特征进行了对比分析。研究表明:同一层理倾角的自然煤样损伤变量随着冲击速度的增加呈近似线性增加,饱水煤样损伤变量整体随冲击速度增大呈指数函数增加;相比于自然煤样,饱水煤样粒径为0~0.2 mm的碎屑量减少了14.1%~31.3%,粒径为0.2~5 mm的碎屑量减少了33.7%~53.0%;但当层理倾角为45°时,饱水煤样碎屑量质量百分比反而比自然煤样要大。     

冲击载荷下磁铁矿石破坏机制实验研究

合理处理大块矿石对于提高矿山生产效率具有重要意义,利用落锤冲击设备对磁铁矿石试件进行不同冲击速度的动载试验。基于波动力学分析了矿石呈不同破坏特征的作用机理,建立了磁铁矿石动载破坏模型,研究了动载下磁铁矿石呈“哑铃状—整体破碎—哑铃状劈裂”的破坏机制。研究表明,因介质波阻抗的不同,动载冲击下的拉伸波与压缩波主导了矿石轴向与环形裂纹的产生;在矿石自由面处,拉伸波的叠加碰撞使矿石不断地发生层裂破坏形成新生断面,且在两自由面相交处的破坏程度较高;不同应力波作用区域形成粗糙度不同的特征断面,破碎大块矿石具有最优动载条件。     

采动影响煤帮变形机理与控制技术研究

为解决邻近工作面采动影响下3213运输巷煤帮变形显著问题,基于3215工作面开采后覆岩的结构特征,确定了基本顶断裂位置,分析了煤柱变形破坏机制,提出了高预紧力和注浆改性的煤帮变形控制思路,根据3213运输巷地质条件设计了技术参数。现场监测结果表明,提出的破碎煤帮稳定性控制技术实施效果良好,可有效控制巷道围岩的稳定性,顶底板移近量降低了81.4%,两帮移近量降低了79.6%。研究成果为类似条件矿井采动影响破碎煤帮变形控制提供指导。     

冲击载荷下三轴煤体动力学分析及损伤本构方程

为研究冲击载荷下三轴煤体的动力学特征,建立了三轴分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统,开展了轴向静载、围压和冲击载荷随机组合的动态冲击试验,研究了三轴煤体在冲击载荷下的动力学特性。实验结果表明:冲击载荷下三轴煤体动态应力应变曲线无压密阶段,轴向预静载有助于使煤体原生裂隙闭合,初始加载就表现出完整弹性体的特征;当应力达到峰值强度的60%～85%阶段时,应力应变曲线呈现"跃进"现象,可能与碳在晶体微破裂中的作用有关;当应力超过煤体动态强度,试样破坏,应力降低。冲击载荷下三轴煤体动态强度和破坏应变与平均应变率高度线性相关,应变率效应明显,应变率效应使得不同轴向静载、围压和冲击载荷因素对煤体动态强度和破坏应变的影响具有可比性。基于岩石力学强度理论和统计损伤理论,建立了冲击载荷下三轴煤体动态损伤本构模型,该模型综合考虑了轴向静载、围压和冲击载荷等因素,明确地反映了3种因素对煤体动力学特征的影响,轴向静载会劣化煤体,造成动态强度降低,围压和冲击载荷有助于提高煤体的动态强度,理论模型反映的特征与试验结果相吻合,并通过建立的本构模型和试验应力应变数据拟合了理论应力应变曲线,其与试验应力应变曲线基本重合,且应变率越高,一致性越好。     

温度冲击下煤层内部孔缝结构演化特征实验研究

为研究温度冲击下煤层微观结构的变化特征,采用高低温试验系统对原煤进行了温度冲击实验,利用扫描电镜、工业显微CT、压汞实验和低温液氮吸附实验对温度冲击前后煤的孔隙裂隙结构的演化发展进行了联合表征。基于数字图像处理技术,对温度冲击前后煤层扫描电镜图像进行二值化处理,定性与定量地分析了煤层的裂隙宽度变化,并统计分析了温度冲击前后煤层中孔隙的比表面积和孔径变化。研究结果表明:温度冲击作用促使煤样内部大孔之间相互贯通并形成宏观裂缝,导致大孔体积相应减少,中孔和小孔的体积均增大;温度冲击试验测试过程中所产生的最大热应力位于煤样表面的切向方向,温度冲击所产生的热应力超过煤样抗拉强度是导致裂隙萌生、扩展和相互贯通的直接原因。研究结果可为煤层气高效开发和提高煤层瓦斯抽采率提供技术支撑。     

超临界CO2-水-煤相互作用后冲击载荷下煤的动态响应

CO2地质封存是一种能有效降低大气中CO2浓度的手段。我国存在大量关闭/废弃矿井且其地下空间并未得到有效利用,埋深超过800 m的关闭/废弃矿井是CO2封存的潜在目标。关闭/废弃矿井具有复杂的应力场、水动力场和化学场,大规模CO2注入后可能会诱发断层活化,进而造成动力灾害。为研究CO2注入关闭/废弃矿井中煤的力学行为,利用50 mm分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验装置,对自然状态、饱水状态和超临界CO2-水-煤作用后煤样分别进行动态压缩试验,分析3种状态煤样试件在冲击载荷作用下的破坏形态、能量特征以及动态力学参数。试验结果表明:① 随应变率增高,相对于自然和饱水状态煤样,超临界CO2-水-煤相互作用后煤样的破碎块度数量更多,碎块粒径更小;② 随入射能增大,3种状态煤样的能量反射率、透射率及耗散率的线性变化趋势不同,超临界CO2-水-煤相互作用后煤样的能量反射率显著增高,能量耗散率显著降低;③ 超临界CO2-水-煤作用后煤岩材料性质发生弱化,在冲击载荷下通过微裂隙萌发扩展来提高耗散能密度,其动态抗压强度和动态弹性模量与耗散能密度间关系介于自然和饱水状态煤样之间。本次试验证实CO2-水-煤作用过程中发生的矿物化学反应、吸附膨胀诱导微观结构改变、裂隙表面能降低等因素能够明显影响煤样的动态响应特征。尽管本文的试验不能完全反映关闭/废弃封存CO2的真实情况,但为后续CO2-水-煤相互作用下煤样动态响应特征研究提供了借鉴。