冲击载荷作用下锚固围岩损伤破坏机制

为研究冲击地压巷道锚固围岩损伤破坏特征,以实际发生冲击失稳的巷道为例,分析了冲击载荷作用下锚固围岩动载响应特征,现场测试了冲击载荷作用后围岩损伤、锚固界面损伤及锚固性能,对比分析了冲击载荷前后锚杆力学性能。研究结果表明:冲击载荷作用下,巷道锚固围岩和锚杆与锚索受反复压拉压作用,导致锚固系统锚固性能降低与失效;冲击载荷作用后,巷道围岩节理、裂隙发育,完整性差且强度大幅降低,锚固性能劣化或失效;锚杆支护材料性能降低,杆体延伸率降低13. 8%,抗拉强度降低6. 6%,冲击吸收功降低24. 3%,锚杆产生塑性变形,晶粒扭曲、畸变,微观金相组织紊乱。采用锚固注浆、高预应力全长锚固以及高强度、高伸长率、高冲击韧性锚杆与锚索联合支护,可以有效提高冲击载荷作用下巷道围岩的稳定性。     

无烟煤在冲击载荷下破坏模式与强度特性

大直径单轴分离式霍普金森压杆试验表明：无烟煤在冲击载荷作用下,存在一个门槛速度4.3 m/s。这个门槛值为提高无烟煤块率,进行生产系统、储运系统改造优化等方面提供了可参考数量依据。根据试验曲线的特征,无烟煤具有显著的应变软化和应变硬化特征,初始弹性模量、屈服强度与极限强度都随着应变率的增加而提高,屈服强度最为显著。无烟煤在冲击载荷作用下破坏分为4种类型：压剪破坏、拉应力破坏、张应变破坏和卸载破坏,并以拉应力破坏、张应变破坏和卸载破坏为主要破坏形式。     

冲击载荷作用下硬煤的动态力学特性研究

为研究硬煤在动载荷作用下的力学特性,采用分离式霍普金森压杆(SHPB)测试系统开展了径向自由和被动围压2种约束状态下不同冲击速度的硬煤试件冲击压缩试验,研究了硬煤的动态力学特性及其随应变率、约束状态的变化规律,分析了试件的破坏形态,并结合声波测试研究了被动围压时硬煤试件的损伤特性。研究结果表明:冲击速度、约束状态对动态抗压强度峰值和应变率的影响很大,径向自由时动态抗压强度峰值与应变率呈线性增长关系、被动围压时动态抗压强度峰值随应变率的增大而减小;动态抗压强度峰值随冲击速度的增大呈对数关系,随冲击速度的增大,且被动围压时动态抗压强度峰值增长更快;径向自由时,试件的破坏以劈裂破坏和压碎破坏为主,破碎形态和块度取决于冲击速度,被动围压下试件能够保持完整、仅表面和边缘出现裂纹;被动围压条件下,试件的损伤程度与冲击速度呈指数关系。     

冲击载荷下砂岩的动态力学特性及破坏机制

为探究冲击载荷下砂岩的动态力学特性及破坏机制，采用SHPB装置，开展了砂岩的动态力学测试，研究了砂岩的应力-应变曲线、动态抗压强度、动态弹性模量和单位体积吸收能变化；分析了砂岩的破坏机制，阐明了砂岩的破坏模式及破坏块度变化规律。结果表明：冲击荷载作用下砂岩应力-应变曲线整体呈阶段式发展，依次为线弹性上升阶段、非线性振荡起伏阶段和峰后下降阶段；砂岩的动态抗压强度、单位体积吸收能和动态弹性模量与冲击速度分别呈幂函数、二次函数、二次函数的关系，均具有明显的冲击速度效应；随着冲击载荷增大，砂岩的分形维数增大，破碎程度增加，砂岩的破坏模式由拉伸破坏转向拉-剪耦合型破坏。研究结果可为强动压巷道和采场围岩稳定性控制提供理论依据。     

冲击载荷作用下液压支架立柱动态特性研究

根据液压支架立柱工作的实际工况,建立了液压支架立柱在冲击载荷作用下动态特性分析模型。通过有限元和光滑粒子流体动力学方法解决了液压支架立柱流固耦合、流体大变形等问题,实现了立柱在冲击载荷作用下动态响应的数值模拟,得出了立柱在冲击载荷下缸体的应力分布、活柱的最大退缩量、流体的压力场分布及整个冲击过程对地基的最大冲击力等核心技术参数。应用固液弹簧耦合理论和能量法,推导出了立柱固液耦合系统的等效刚度和立柱的冲击动载荷系数,进而从理论上对液压支架立柱在冲击载荷作用下的动态特性及对地基的最大冲击力进行了分析。理论分析结果与数值模拟结果相比在误差范围内具有一致性。此研究结果为液压支架立柱抗冲击性能试验装置的开发提供了参考数据。     

卸荷煤岩体冲击破坏特性数值模拟研究

为了探讨卸荷煤岩体在不同类型载荷作用下的围岩稳定性规律,对卸荷煤岩体在静载、动载和动静载下的冲击特性进行了数值模拟分析。研究结果表明:冲击动载对卸荷煤岩体冲击破坏的影响主要在于冲击波的循环扰动作用,冲击波的循环扰动作用不仅使巷帮煤层发生层裂破坏,而且造成顶部大范围的劈裂破坏;载荷作用的速率对卸荷煤岩体的冲击特性影响作用明显,主要体现在卸荷煤岩体的破坏载荷峰值、破坏区域和破坏类型等方面的显著不同;动静载耦合作用对卸荷煤岩体冲击特性的影响远高于单一的静载或动载。     

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。     

液压支架立柱在冲击载荷作用下的特性研究

针对液压支架立柱受采场冲击载荷易于损坏的问题,建立了双伸缩立柱的冲击模型,推导了立柱的主振动方程和立柱内液体的运动方程,在此基础上,通过Solid Works软件建立三维模型,在Workbench软件中搭建了立柱-重锤冲击模型,通过多个软件间的联合仿真,得到了立柱整体及各个缸体的总变形、Y轴方向变形、等效应力和等效应变,得出冲击对二级缸的破坏性明显大于一级缸,二级缸的最大等效应变达0.45%,冲击对二级缸的破坏性最大,在立柱设计时,二级缸应采用材质好、硬度大的材料。     

煤冲击破坏力学特性试验研究

为了探究煤在冲击破坏过程中表现出的力学特性,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置对平煤十矿1/3焦煤试样进行了不同冲击速度下冲击破坏压缩试验。结果表明:煤样在冲击速度为3.287～12.399 m/s,试验测得的最大应变率变化范围为85.25～168 s-1,应力极限值变化范围为15.84～47.33 MPa;随着冲击速度的增加,煤试件材料出现了应变硬化和应变软化现象;随着冲击速度的增加,煤试样的平均应变率值先快速增加,然后增加趋于缓慢,采用二次多项式拟合相关性较好,最大应变率值先快速增加,达到一定值后增加趋于缓慢,并呈现出稍微下降趋势,采用三次多项式拟合相关性较好。     

爆炸冲击载荷作用下岩体力学特性的演化研究

通过实验室模型试验以及对具体边坡工程的数值模拟相结合的方法分析了在爆炸冲击载荷作用下岩体力学特性的演化过程。模型试验中在距离爆源的不同位置进行取芯并对其进行了强度以及超声波探测;数值计算采用DYNA-2D软件对具体边坡爆破工程进行数值模拟研究。通过研究发现,在距离爆源不同的位置爆炸冲击作用对岩体所造成的影响程度也不同,承载性能、超声波传播速度的衰减也不同,通过模拟整个爆炸作用过程也可看到与模型试验同样的演化趋势。     

超应力卸载作用下煤样冲击破坏试验研究

煤矿采深进入千米以后,采掘工作面围岩应力普遍超过煤体单轴抗压强度,呈现围岩应力超过煤体强度的超应力现象。基于调研分析,得到煤层单轴抗压强度的分布特征以及开采深度、原岩应力与煤层单轴抗压强度之间的关系,提出了超应力集中系数的概念。采用声发射和被动CT成像技术相结合的研究方法,开展了煤样真三轴超应力卸载作用下冲击破坏试验研究,从而探究声发射波速演化与煤样宏、微观破裂的关系,揭示深地围岩对煤层的超应力加载作用及方式。试验结果表明:(1)不同的应力卸载路径下煤样冲击破坏具有显著的时间延迟效应,应力路径变化越大,其时间延迟越短;(2)三轴卸载状态下煤样的破坏形式复杂多变,多为剪切、拉伸等耦合破坏形式;总体破坏模式表现为首先沿着与轴压方向分布的主裂隙进行扩张破坏,其次在试样表面分布着许多沿轴压方向的小张拉裂隙;(3)在加载初期,煤样内部波速变化范围较小,出现少量高、低波速区;随着载荷初步增加,煤样内高波速区转移与扩展,同时波速异常区明显扩大;当载荷进一步增加,煤样内出现大面积低波速带,波速极小值不断降低,高波速区、波速异常区迅速变化转移;(4)试样宏观破裂面和波速异常丰富区、微观裂隙演化和低波速贯通区形成了较好的对应。     

基于界面模型的煤岩体冲击破坏特性研究

煤岩两体结构是煤岩体发生冲击破坏时的基本结构,采用RFPA数值软件探讨煤岩体中界面倾角与深部开采条件下围压对煤岩体冲击失稳破坏的影响。模拟结果表明:煤岩体的声发射能量特性与抗压强度呈现相同的变化规律,倾角越大,冲击破坏的危险性越低,界面滑移破坏的危险性越高;煤岩体在高地应力大倾角下抗压强度大小主要由围压来决定。煤岩体的破坏模型以45°倾角为界限,分为压剪破坏和界面滑移破坏2种,当α<45°时,煤岩体呈现压剪破坏特征;当α≥45°时,破坏模式转变为以煤岩交界面的滑移破坏为主。     

冲击载荷作用下行星齿轮传动系统故障响应特性研究

掘进机工作过程中,由于煤、岩体强度不均匀,导致截割头常受到瞬时冲击载荷作用,造成截割减速器断齿故障频发。建立了行星齿轮系统动力学模型,研究了冲击载荷、断齿故障对系统响应的影响。结果表明,冲击载荷作用下行星齿轮发生断齿故障时,齿圈约束反力时域均值增大,时域波形中除了包含断齿故障产生的周期性冲击成分,还包含载荷突变产生的冲击。     

冲击载荷作用下液压支架立柱液压系统特性研究

为了解决液压支架立柱受采场冲击载荷易于损坏的问题,利用AMESim仿真软件在构建立柱液压系统中的立柱模型、大流量安全阀模型和重锤模型的基础上,建立了立柱液压系统的冲击模型|按照国家对煤矿液压支架试验要求,对立柱进行冲击试验,研究了立柱液压系统的冲击响应特性,得到了立柱缸体内部乳化液压力峰值及变化曲线,得出在冲击载荷作用下需要加强液压支架立柱二级缸缸体强度、液压支架立柱系统达到压力峰值的响应时间与冲击质量和重锤下落高度存在一定关系等结论,从而为采煤工作面供液系统设计和液压支架设计提供重要依据。     

煤-岩-煤组合体冲击荷载作用下力学特性研究

为了研究煤-岩-煤组合体在冲击荷载作用下的力学特性和破坏模式,利用分离式霍普金森压杆和高速摄像仪在不同的冲击荷载下对组合体试件进行动态冲击压缩试验。试验结果表明:煤-岩-煤组合体的应变率、应变、应力、动态弹性模量和破碎程度都与冲击荷载有较强的相关性,都随冲击荷载的增强而变大;组合体在动态冲击作用下应力-应变曲线变化规律大致可划分为弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段;高速摄像结果表明,组合体在冲击荷载作用下,裂纹先在两端产生,并沿轴向发展产生贯穿裂纹,且两端煤体破裂明显并有较大破碎变形,组合体中间岩体部分具有较高的强度,其裂纹的产生及扩展要比两端煤体缓慢;组合体随冲击荷载的加大,破碎程度显著增强。     

冲击载荷下动压巷道坚硬顶板动态力学特性及其破坏机理研究

为研究冲击载荷作用下动压巷道坚硬顶板的动态力学特性及其破坏机理,利用SHPB冲击试验和数值模拟相结合的方法,分析了不同岩性顶板的动态力学特性和破坏模式,从应力波的角度揭示了其破坏机理。结果表明：试样的动态力学特性具有较强的应变率效应,动态抗压强度与应变率呈线性关系增长;随着冲击载荷增大,试样的动态抗压强度、动态弹性模量和极限应变在一定范围内均增大,破坏模式具有从张拉破坏向剪切破坏变化的趋势;应力波在试样内部反射形成的拉伸波在试样内部轴心叠加是导致内部裂纹扩展贯通破坏的主要原因。     

冲击破坏条件下煤的红外光谱特征研究

通过电磁控制落锤冲击系统对大同塔山矿煤样进行定量循环冲击,冲击破坏后得到煤粉制样,并对其进行红外光谱特征分析。结果表明:煤体中含有大量氢键,氢键在冲击破坏过程中会发生断裂,塔山矿煤样主要表现为光谱波长3 400 cm~(-1)处的羟基自缔合氢键断裂;随着冲击强度的增大,氢键吸收强度降低;随着煤破坏加剧,氢键断裂需要的能量变大,氢键吸收强度下降趋势大大减缓,表现为非线性特征。     

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。     

冲击动载荷作用下软岩力学参数变化及破坏模式研究

对泥岩、砂质泥岩2种软弱岩石利用分离式霍普金森实验系统进行冲击动载实验。通过实验研究及理论分析发现,深井软弱岩石在冲击动载下动态抗压强度、动态弹性模量、泊松比随随应变率的增大而增加;破碎尺寸随应变率的增大而减小。破坏模式为拉伸破坏和剪切破坏。     

煤冲击破坏过程中动态破坏时间研究

为研究煤的冲击破坏过程中的动态破坏时间,对试件进行了力控制的单轴压缩实验,得出煤的力学性质和裂隙发育程度为动态破坏时间的两个影响因素,分析出动态破坏时间越短,用于煤样破坏的弹性能越少,释放的弹性能越多,释放的弹性能转化为动能的效率越高,认为煤的动态破坏时间表示煤的脆性程度,是煤样强度和刚度的一个综合反映。