煤体粘滑冲击的发生条件及动力学分析

为进一步研究冲击地压发生的机理,以煤体冲击作为研究对象,以粘滑导致冲击为切入点,运用弹性力学及弹性动力学理论,建立了煤体相对顶底板发生粘滑力学模型,根据此力学模型,研究了煤体粘滑发生的条件,建立了粘滑发生后煤体的动力学方程。合理假定边界条件,采用试探法得到了动力学方程的解析解。应用动力学方程的解析解分析了粘滑发生后弹性区煤体的破坏条件及煤体冲击发生的条件。     

采场支架冲击载荷的动力学分析

采用动力学的方法研究了５种顶板结构模型的动力效应，给出了计算公式。本文的研究结果也可用于支架选型、大流量卸载阀选型和坚硬顶板采场来压强度的预计。     

含水煤体蠕变损伤特性及本构模型研究

为了获得水力孔洞周围煤体随时间的蠕变规律,进行不同含水率煤样的分级单轴加载蠕变试验。研究不同含水率煤样的蠕变规律及蠕变损伤演化特征,然后结合含水率优化传统Burgers模型。试验结果表明：煤样随含水率的增加,瞬时应变、稳定蠕变和加速蠕变都逐渐增大;瞬时应变均小于逐级加载阶段的蠕变应变;与干燥状态相比较,含水率为0.89%,3.54%和6.26%的煤样最终蠕变量分别为1.23 mm、1.68 mm和1.89 mm,蠕变量分别增加了9.82%,50%和68.75%,高含水率煤样蠕变增加幅度较大。基于含水率对蠕变参数的影响,传统的Burgers模型能描述衰减蠕变和等速蠕变两个阶段,但是,缺少对加速蠕变阶段的描述,以及串并联组合成的蠕变模型缺少对非线性蠕变过程的描述;引入含水损伤下的弹性元件和一个非线性时变黏性元件,对构建的含水损伤蠕变本构模型采用Levenberg-Marquardt优化算法辨识和反演确定参数,蠕变模型的理论计算值与试验结果吻合程度较高,能够描述煤体含水后的蠕变破坏规律。     

高温三轴应力下煤体弹性模量的演化规律

利用自主研制的“600 ℃ 20 MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机”研究了500 m原岩应力状态下室温至600 ℃升温过程中大尺寸（200 mm×400 mm）晋城无烟煤和兴隆庄气煤弹性模量随温度的演化规律,对比分析了无烟煤和气煤弹性模量变化规律的异同,讨论了弹性模量突变临界温度和热解产气对煤体弹性模量的影响。结果表明：煤的弹性模量随温度升高变化过程可以分为3个阶段,即中低温平稳降低阶段、中高温剧烈降低阶段和高温缓慢降低阶段;煤体热解产气对弹性模量变化产生重要影响,随着温度升高,无烟煤弹性模量与热解产气速率呈明显的负指数关系;围压、温度和热解共同影响煤体弹性模量,在围压保持不变的条件下,温度和热解产气是影响弹性模量的主要因素弹性模量在不同温度阶段呈现出不同的变化特征;煤的弹性模量随温度的变化规律较砂岩复杂,但同样存在弹性模量突变临界温度点,只是不同煤阶的煤体临界温度出现较大差异。     

冲击载荷轴类零件结构设计

立码电动铲运机半轴套筒简图如图1所示，、半轴套筒左端A(图示位置)插入驱动桥壳并焊接；右端利用渐开线花键固定NGW轮边减速的内齿轮；半轴套筒的内孔中安装半轴，驱动     

基于物理信息神经网络的煤体黏滑冲击动力学分析北大核心

目前物理信息神经网络成为工程力学数值计算的新范式,其可以在无标签样本数据的情况下,通过融入神经网络物理机理进行偏微分方程的逼近求解,使用较小计算代价快速进行求解。阐明了物理信息神经网络(PINN)计算原理及进行煤体黏滑冲击控制方程求解框架,并通过算例与显式有限差分求解方法进行求解结果的对比,证实了其求解结果的有效准确性。以晋华宫矿12号煤层工作面为研究背景,进行了煤体黏滑冲击动力数值模拟,从数值模拟的手段得到了煤体黏滑变形过程出现时间间隔和波动性规律。通过数值模拟结果可知:当采场支承压力集中系数为2时,煤体黏滑位移(形变)的最大值有明显的增加;当采场支承压力集中系数为3时,采场煤体发生典型的黏滑现象,位移出现准周期性的变化,煤体黏滑系统储存弹性能逐渐增大以及出现煤岩黏滑过程的强度损伤;动摩擦因数对煤体黏滑动力学特性影响较大,当动摩擦因数变化时,煤体黏滑系统位移场数值变化明显。     

高温三轴应力下气煤蠕变特征及本构模型

采用中国矿业大学研制的“600 ℃20 MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机”,对尺寸为 200 mm×400 mm的山东兴隆庄气煤进行了200 ℃和400 ℃两个温度点的三轴应力下的蠕变实验。实验表明：200 ℃时,气煤蠕变具有明显的第1,2阶段,但未出现加速蠕变阶段,而400 ℃时,气煤在很短时间内就进入加速蠕变阶段;在温度和应力共同作用下,气煤在加载瞬间及后续变形过程中,始终伴随着显著的塑性变形,煤体变形为典型的黏弹塑性变形。通过对不同温度下气煤的渗透率和孔隙率的分析,初步判断300 ℃是气煤蠕变特征发生变化的临界温度。根据气煤高温蠕变特征,引入一种新型的非线性黏壶,构建了气煤的高温蠕变本构模型,该本构模型轴向蠕变的理论曲线和实验曲线吻合较好,表明该本构模型能较好地模拟高温下气煤的蠕变特征。     

动静组合加载下煤体损伤及力学特性研究

为了揭示动力扰动下煤体的冲击失稳机理,对动静组合加载下煤体损伤机制及力学响应特征进行定性研究。首先进行冲击矿井煤体力学性质测定试验,继而运用RFPA2D-DynamicStatic软件模拟分析了静力水平和动力扰动波形对煤体裂隙发育、损伤单元分布及声发射特征的影响,研究了动力扰动对煤体力学性能和能量演化特征的影响。研究结果表明:(1)动静组合加载下,煤体抗压强度与损伤度呈线性负相关性,弹性能储能极限与损伤度呈负指数关系。(2)在动力扰动作用下,煤体内部损伤不断加剧,煤体弹性能储能极限以[]13.71ln 36.33eU (28)-D (10)的趋势不断降低,冲击破坏损耗能不断减少,原本积聚在煤体内的弹性能会瞬间释放,导致煤体冲击破坏。(3)提出了增加煤柱的抗扰动能力和减少煤体中积聚的弹性能2种防治震动型冲击地压措施。     

煤样三轴围压钻孔损伤演化冲击实验模拟

采用大试块煤样进行三轴条件下的钻孔损伤冲击试验，研究了其损伤演化过程特别是发生钻孔冲击时的电磁辐射及声发射规律，即电磁辐射信号在钻孔冲击前会产生一个明显的突降．而声发射信号基本上呈现先不断增强、后逐渐减弱的趋势．     

基于CT三维重构的深部煤体损伤演化规律

为研究不同应力条件下深部煤体损伤演化规律及破坏机理,以平煤十二矿己15-17220工作面的深部煤体为研究对象,进行了单轴压缩的实时CT扫描实验,结合细观统计损伤力学,提出了一种基于CT图像灰度值定义损伤变量的方法,定量分析了煤样单轴压缩过程中损伤演化规律。通过CT扫描实验、压汞实验和室内基本力学实验,建立了能够反映固体基质分布的深部非均质煤样的三维数值几何模型,进行了合理的网格划分,确定了不同材料组分的本构模型及其物理力学参数,在位移控制加载条件下开展了煤样单轴压缩的数值模拟,定性研究了煤样单轴压缩过程中的损伤演化规律及破坏机理。进一步,在单轴压缩数值模拟基础上,通过对煤样施加不同的环向应力,进行了5种不同围压条件下煤样三轴压缩的数值模拟,从应力-应变曲线形态、煤样破裂形态及破裂角大小等方面定性分析了三轴压缩条件下深部煤体损伤演化规律。结果表明:单轴压缩数值模拟的应力-应变曲线及损伤演化特征与CT实时扫描实验得到的结果具有较好的一致性。随着轴向应力的逐渐增加,煤样损伤依次经历了零损伤阶段、局部损伤产生阶段、损伤线性和非线性稳定增长阶段和损伤加速增长致使完全破坏阶段。试件最终破坏时其最大剪切应变率区域及塑性区都近似平行或垂直于煤基质和煤杂质的交界面,且损伤发生的两个主破坏面相互垂直。单轴压缩的整个过程煤样主要发生拉伸破坏,屈服应力后由于煤样的不均匀变形才发生剪切破坏。基于CT重构的煤样三轴压缩的数值模拟得到的损伤演化特征和经典的岩石损伤演化的6个阶段能够很好的吻合,煤样主要发生剪切破坏;随着围压的增大,峰值强度、扩容点应力和残余强度均逐渐增大,破裂角逐渐减小,破裂角与围压之间近似呈负线性相关。在数值模拟的网格划分、几何模型建立、材料参数和本构模型的选取以及应力应变的计算方法等方面做出了优化,取得了较好的数值模拟效果,能够消除实验样品差异性带来的影响,且能够直观准确地定性描述单轴和三轴压缩过程中的损伤演化规律。     

三轴循环加卸载下煤岩损伤的能量机制分析

由于煤岩的变形破坏是一个十分复杂的损伤演化过程,因此有必要深入研究各种加载模式下煤岩损伤演化过程的能量转化机制。通过岩石三轴循环加卸载试验,分析了不同围压作用下煤岩的损伤演化行为。实验研究表明,在循环加卸载情况下,煤岩表现出明显的循环滞后环,且随应力的增大煤岩的损伤耗散能增大。在低围压下及单轴压缩下,煤岩的弹性模量随循环应力增大而下降,但在高围压下煤岩的弹性模量没有随循环应力增大而下降。这表明围压的作用引起了煤岩损伤机制的变化。为此给出了基于能量分析的损伤变量定义及其演化规律,克服了传统的基于弹性模量定义的损伤变量的不足,可以较好地描述不同围压作用下的煤岩损伤演化程度。     

三轴应力作用下破碎煤体渗透特性演化规律

深部破碎煤岩体受地应力和开采扰动常处于三向应力状态,其渗透特性是影响矿井突水灾害预防和瓦斯抽放的重要因素之一。为研究深部破碎煤体的渗透性能,采用自主研发的破碎岩石三轴渗流试验系统,并设计一套破碎煤体三轴渗流试验方案,进行三轴应力作用下破碎煤体渗流试验,得到破碎煤体渗透特性随围压及孔隙率的演化规律。试验结果表明:①三轴应力作用下破碎煤样渗流雷诺数最大值为47. 58,渗流速度与孔压梯度两者之间符合Forchheimer关系;②三轴应力作用下破碎煤样的孔隙率与围压的变化规律呈负相关,各级轴向位移下,两者服从对数函数关系;③随着有效应力的增大,各粒径下的破碎煤样孔隙率逐渐减小,破碎煤样孔隙率的理论计算值与试验结果较为吻合,表明文中给出的孔隙率计算方法可行;④各级轴向位移下,破碎煤样的渗透率随围压增大而减小,不同粒径的破碎煤样渗透率随围压的演化规律可用k=me~(nσ3)公式表示,颗粒粒径越大,破碎煤样的渗透率随围压的变化越敏感;⑤颗粒粒径及孔隙排列方式影响破碎煤样渗透性能,不同粒径破碎煤样随孔隙率的减小,渗透率整体减小,非Darcy流β因子呈增大趋势,其中渗透率的量级为10~(-14)～10~(-10) m~2,非Darcy流β因子的量级为10~7～10~(11)m~(-1)。所得研究结论有助于增强深部破碎煤岩体渗透特性演化规律的认识。     

煤岩冲击变形破坏特性及其本构模型

采用分离式霍普金森压杆(SHPB)实验系统对不同冲击速度下煤岩试样应变率变化规律、动态力学特性及其变形破坏特征进行了测试,探讨了煤岩动态力学本构模型。实验结果表明,煤岩试样的加载应变率与冲击速度整体上呈正相关关系,且不同冲击速度下煤岩试样的力学响应特征均具有分段性,可根据响应特征的差异将煤(岩)试样在低-中-高冲击速度下的变形依次划分为压密变形、塑性变形、塑性软化(硬化)变形3种类型;煤岩试样的破坏特征均具有明显的应变率相关性,在低冲击速度下,试样均呈脆性破坏形式,随着冲击速度的增加,试样的延性破坏特征逐渐显现。在分析煤岩试样应力-应变本构关系及动态破坏特征的基础上建立了包含低-中-高应变率响应的粘弹性损伤本构模型,应用结果表明,与实测曲线相比模型拟合曲线拟合精度高,验证了所建模型的有效性与合理性。     

煤体冲击破坏超低频/极低频电磁异常特征分析

为确定煤体冲击破坏过程中是否产生超低频/极低频电磁信号,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)实验系统和ZDKT-1型瞬变磁振测试系统,研究不同冲击速度下煤体破裂电磁信号变化规律。通过分析电磁异常信号的Hilbert时频谱特征,确定煤体冲击破坏下的超低频/极低频电磁效应,研究不同冲击速度下电磁信号能量和冲击耗散能之间的关系。结果表明:煤材料在冲击破坏过程中能产生超低频/极低频电磁信号,信号主频在0~30 Hz;电磁信号幅值和冲击速度呈现正线性相关,电磁信号能量和冲击速度为二次多项式关系,冲击耗散能和电磁能增长趋势基本相同,超低频/极低频电磁信号强度可间接反映煤体内部损伤的程度。     

三轴应力下软煤和硬煤对不同气体的吸附变形特性

为了深入研究煤体与瓦斯相互作用的变形特性,利用自主研发的三轴应力下煤样吸附变形动态测试系统,开展三轴应力状态下CO2和CH4气体在软煤和硬煤中吸附量以及吸附变形的动态测试试验,建立了三轴应力下煤样吸附气体变形模型。试验结果表明:① 软煤和硬煤在三轴应力条件下对CO2和CH4气体的吸附曲线符合Langmuir方程。三轴应力状态下软煤的吸附能力远大于硬煤的吸附能力,且两种煤样对CH4的吸附量都小于CO2。② 在应力恒定状态下,软煤吸附气体后的变形大于硬煤吸附气体后的变形。③ 软煤与硬煤在三轴应力下的吸附变形动态演化过程可以划分为初始快速变形阶段、缓慢变形发展阶段和变形稳定阶段3个阶段。④ 三轴应力下煤样的变形量随着吸附量的增加而增大。     

Analysis of the mechanic characteristics of the damage propagation of rock under triaxial stress condition

Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　　Ｒｏｃｋｄａｍａｇｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｉｓｖｅｒｙａｃｔｉｖｅａｎｄｈａｓｌｅｄｔｏｒｅｍａｒｋａｂｌｅａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓｓｉｎｃｅｄａｍａｇｅｔｈｅｏｒｙｉｓａｐ ｐｌｉｅｄｔｏｒｏｃｋｍｅｃｈａｎｉｓｍｆｒｏｍｔｈｅｅｉｇｈｔｉｅｓ.Ｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｓｔｕｄｉｅｓａｒｅｆｏｃｕｓｅｄｏｎｔｈｅｒｏｃｋｉｎｉｔｉａｌｄａｍａｇｅ .Ｈｏｗ ｅｖｅｒ,ｗｅｈａｖｅｍｏｒｅａｔｔｅｎｔｉｏｎｔｏｔｈｅｄａｍａｇｅｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｏｆｒｏｃｋ ,ｅｓｐｅｃｉａｌｌ…     

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。     

冲击荷载作用下含水泥质粉砂岩的损伤规律研究

采用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置,对泥质粉砂岩进行了不同含水状态下的动态力学性能试验,分析了含水率变化对泥质粉砂岩动力特性的影响,并基于连续损伤理论及统计强度理论建立了泥质粉砂岩的动态损伤力学模型,得到了相应的损伤演化规律。研究结果表明,采用基于Weibull分布建立的动态时效损伤模型,其理论拟合曲线与实测曲线具有较好的一致性,损伤参数F0与弹性模量及冲击速度有一定的相关性,弹性模量越大,损伤参数F0也越大,含水率的变化对岩石动力特性具有较大的影响。     

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。