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。     

单轴冲击荷载下煤体损伤及破坏特征分析

为探究单轴冲击荷载下煤体损伤破坏特性及演化规律,采用分离式霍普金森压杆（Split Hopkinson Pressure Bar）装置,通过调节储气室气压值,获得煤样在5 m/s冲击速度下的动力学响应结果,并以此为主要参考依据,确定模型细观物理力学参数;利用PFC^3D软件,进行了在单轴冲击荷载作用下,含不同角度的闭合和非闭合直裂隙（0°、30°、60°、90°）的煤体在5 m/s冲击速度下,以及不含裂隙煤体在不同冲击速度下损伤破坏过程的数值模拟试验;探究了单轴冲击荷载下,冲击速度、裂隙分布角度等因素对煤体损伤破坏特征的影响。试验结果表明：冲击速度较低的时候,煤样主要遵循变形破坏准则,当冲击速度增长到一定程度时,则主要遵循强度破坏准则;裂隙通常由4个角和裂隙的尖端等介质突变处产生,呈现“V”形或“X”形扩展趋势,最终呈现出X形破坏带;煤样内外层呈现出不同的破坏形式,内层较于外层更接近三向应力状态,因此更容易发生剪切破坏,而外层就更容易发生拉伸破坏;总的来说,在单轴冲击荷载作用下,煤样主要破坏形式为拉伸破坏。     

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     

冲击荷载作用下闪长岩动力学特性和损伤本构研究

岩石的动力学特性及其损伤演化规律是保证岩体工程高效作业和安全防护的基础性问题。为研究不同应变率下的闪长岩动态力学性能和损伤演化规律,利用分离式霍普金森杆（SHPB）试验系统对闪长岩开展了4种冲击气压下的动态压缩试验,分析了不同应变率下闪长岩的动力学特性、破碎形态和破碎块度分布规律;基于Weibull统计函数和统一强度理论,建立了闪长岩动态损伤本构模型,并利用Weibull分布参数m、F₀和应变率的相关关系对建立的损伤本构模型进行了合理修正。结果表明:闪长岩动力学特性具有显著的率相关性,动态强度增长因子（DIF）和应变率的立方根■呈线性正相关,软化因子（K）和■呈线性负相关;破碎体形态主要为类圆锥状、细粒状和粉末状,并且破碎程度随应变率■增大逐渐加深,碎块中细粒状和粉末状的质量占比随■增大逐渐加大;平均破碎粒径和能量利用率随■增加线性减小,能耗密度随■增加呈多项式函数递增;修正后的动态损伤本构模型与试验曲线具有较好的一致性,能较准确地描述冲击作用下的闪长岩应力—应变曲线变化规律。     

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。     

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     

低速冲击载荷扰动煤体破裂动力学特征与能量耗散规律研究

为了探究不同冲击载荷作用下煤体破裂失稳动力学特征与能量耗散规律,采用改进的霍普金森压杆（SHPB）试验系统,分别开展了一维冲击载荷、冲击载荷与轴向静载耦合作用动力学试验,研究了不同冲击速度和轴向静载下煤样动力学特性,分析煤样宏观破裂形态和孔隙演化规律,并从能量耗散角度剖析煤岩破裂失稳机制。研究结果表明：不同冲击载荷扰动下煤样应力−应变曲线均包含线弹性、塑性和塑性软化3个阶段。一维冲击载荷作用下煤样峰值强度和峰值应变具有明显的应变率效应,随着应变率的增加,煤样峰值强度、峰值应变逐渐增大;筛分统计破裂碎块不同粒径的质量分布,随应变率的增大,较大粒径质量减少、小粒径质量增加;煤样的入射能、反射能和耗散能均随冲击载荷的增大而逐渐增加,能量耗散密度呈指数增长;在冲击载荷与轴向静载耦合作用下,设定5.54 m/s的低速冲击载荷,随着轴向静载递增,峰值强度持续提升,峰值应变线性减弱;基于核磁共振（NMR）测试表征孔隙结构,煤样内部微孔随轴向静载的增大不断发育,裂隙沿轴向扩张趋势增加;煤样入射能随轴向静载的不断增加基本保持稳定,反射能不断减小,耗散能逐渐增大,能量耗散密度呈线性关系增大。根据煤岩能量耗散机制,孔隙萌生、扩展和贯通诱导煤体产生破裂失稳;轴向静载作用初期更多耗散能被用于内部微孔发育和裂隙扩张,随轴向静载的增大,裂隙不断扩展、滑移衍生出更多潜在破裂面;冲击载荷瞬时扰动下会诱导煤体形成宏观破裂面,产生大范围破裂失稳现象。     

冷热循环冲击饱水煤体结构损伤规律研究

为探究饱水煤体在冷热循环冲击下的损伤规律,使用高低温试验箱对煤样进行多次冷热冲击,观察煤体表面的裂隙变化,描述煤体裂隙的分形结构,测试了煤样的单轴及三轴抗压强度和渗透率,分析了煤样在压缩过程中的声发射特征.试验结果表明:随着冷热循环冲击次数的增加,分形维数由2.17增至2.50;单轴抗压强度由5.72 MPa降至2.07MPa;三轴抗压强度由27.93 MPa降至20.02MPa;试样的初始渗透率由0.26mD 增至1.77mD.冷热循环冲击的次数越多,煤体损伤程度越大,致裂效果越显著.     

含水煤体蠕变损伤特性及其本构模型研究

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。     

高温三轴应力下气煤蠕变特征及本构模型

采用中国矿业大学研制的     

深部开采岩体力学研究

深部煤体多处于三向不等应力状态,为了研究冲击载荷下煤样动力学特性,通过真三轴霍普金森压杆实验系统,开展煤样动态破坏力学实验。利用该系统装置可分别对煤样提供单轴(σ₁≥σ₂=σ₃=0)、双轴(σ₁≥σ₂ > σ₃=0)和真三轴(σ₁ ≥σ₂ ≥σ₃ ≠ 0)预应力(其中,σ₁为轴向预应力;σ₂为竖直预应力;σ₃为水平预应力),从而实现高应变率下煤样力学性能测试。通过对比分析单轴与真三轴静载预应力状态下煤样动态力学特征及差异性,研究了煤样动态峰值强度、峰值应变以及宏观破碎形态与三向静载预应力、应变率的关系。研究结果表明：真三轴冲击载荷下煤样力学曲线基本一致,均包含线弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段3个阶段。单轴与真三轴冲击载荷下煤样峰值强度、应变具有明显的应变率效应,随着应变率的增加,单轴与真三轴冲击载荷下煤样峰值强度及峰值应变逐渐增大;比较单轴与真三轴冲击,三向静载预应力对煤样动态破坏具有明显的约束性,煤样的力学强度较单轴冲击时增大。保持σ₂与σ₃不变,煤样的力学峰值强度、应变随着轴向预应力σ₁的增加整体呈降低趋势。随着应变率的增加,单轴冲击载荷下的煤样逐渐破碎至颗粒或粉末状,碎块平均粒径随应变率的增加线性降低;而三向静载预应力状态下的煤样呈现宏观断裂,碎块平均粒径随轴向预应力σ₁的增加线性降低,但破坏程度相对单轴冲击较低。

     

预制裂隙红砂岩在冲击荷载作用下的动力特性

红砂岩是南方地区普遍存在的泥状胶结结构土,为研究其在冲击荷载作用下的动力特性,本文采用理论分析和落锤试验相结合的方法,开展了节理砂岩和完整砂岩的冲击动力试验。结果表明:砂岩加载速率和卸载速率近似相等,节理砂岩达到峰值强度后存在短暂的蠕变现象;当冲击能较小且岩石较质密时,加载中后期位移会出现轻微反弹,反弹位移随落锤质量的增加而减小;节理的存在使得加速度时程曲线出现两个峰值,砂岩破坏被分为两次峰值加速度前后明显的两段;根据能量守恒原理,验证了裂隙岩体破坏时吸收的能量小于完整岩体吸收的能量。本试验研究可为红砂岩类围岩硐室的稳定性控制提供理论依据。     

泥质粉砂岩冻融作用下含初始损伤岩石动力学特性试验研究

为研究冻融作用下含不同冲击损伤砂岩的动力学特性,对完整及不同初始损伤的泥质粉砂岩进行冻融后开展冲击加载试验,研究冻融作用对含初始损伤泥质粉砂岩的宏观动力学性能和损伤演化规律。 结果表明:含初始损伤砂岩的纵波波速、弹性模量与冻融周期呈负相关;含Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级初始损伤砂岩的纵波波速随冻融周期的增大分别下降了 8. 1%、11. 9%、11. 2%、16. 8%,初始损伤等级越高的砂岩在冻融作用下纵波波速下降幅度越明显;冻融损伤和初始损伤耦合作用下砂岩弹性模量的变化速率逐渐增加,抵抗形变的能力逐渐下降,塑性逐渐增大;在冻融作用下含初始损伤砂岩的动态抗压强度与应变率呈指数衰减;初始损伤的存在加剧了冻融损伤对岩石的劣化作用,加快了砂岩自身宏观动力学性能的弱化速率。     

震动载荷下含瓦斯煤动力学特征

为了研究震动载荷下含瓦斯煤动力学特性,建立了含瓦斯煤霍普金森压杆试验系统,考虑轴向静载、围压、瓦斯压力和动载荷冲击速度4个因素,开展了含瓦斯煤动力学试验,通过采集入射波、反射波和透射波信号,分析了震动载荷下含瓦斯煤动态应力应变曲线变化规律,研究了含瓦斯煤峰值强度和峰值应变与有效轴向静载、有效围压和动载荷冲击速度的关系。研究结果表明:震动载荷下含瓦斯煤动态应力应变曲线无压密阶段,初始加载应力就随应变呈“线弹性”增加趋势;随着应变进一步增加,应力变化先趋于平缓又快速增加,该曲线表现出“跃进”特性,这与炭在晶体微破裂中的作用有关;峰后试样未产生宏观破坏,弹性能释放造成应力应变出现“回弹”现象。含瓦斯煤峰值强度随有效轴向静载呈指数增加、随有效围压呈线性增加、随动载荷冲击速度呈先增加后减小;含瓦斯煤峰值应变随有效轴向静载呈线性增加、随有效围压呈指数衰减、随动载荷冲击速度增大而增加。震动载荷下含瓦斯煤应变率效应明显,在应变率低水平阶段,含瓦斯煤峰值强度和峰值应变随应变率增加而增加,超过临界应变率,含瓦斯煤峰值强度和峰值应变将保持稳定。该研究有助于完善含瓦斯煤动力学,为矿井动载荷诱导的含瓦斯煤动力灾害防治提供借鉴。     

水围压环境下煤的冲击破裂特征及能量耗散规律试验研究

为研究三轴条件下煤岩体真实冲击破裂过程及能量耗散规律,基于自主研发的多场耦合霍普金森压杆(SHPB)试验系统,开展煤样的可视化试验,研究不同水围压条件下煤样裂纹演化特征,分析煤样动力学指标与冲击速度、应变率和水围压之间的关系,阐明水围压作用对煤样能量吸收—转化—释放的影响特征。结果表明：水围压环境中,煤体的动态强度呈现明显的应变率效应。水围压与煤体的动态强度之间具有良好的二次函数关系,且随水围压的升高煤样的破坏应变呈递减趋势,破裂模式由轴向劈裂破坏向压剪破坏转变。冲击载荷越大,输入煤体的总能量和用于损伤变形的耗散能越高,煤体的变形程度也愈严重。随着水围压的增大,总输入能呈现逐渐增加的变化趋势,意味着煤体发生破坏时需要外界输入更多能量。     

不同瓦斯压力原煤全应力应变过程中渗透特性研究

煤炭地下开采过程中,常会遇到不同瓦斯赋存压力和三维受力状态等复杂条件下的煤岩体瓦斯渗透问题,为系统探究其瓦斯渗透规律,利用改进的MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统,开展了原煤三轴压缩全过程渗透试验,对不同瓦斯压力原煤三轴压缩全过程中渗透特性进行了探讨,分析了煤岩变形破坏过程中其瓦斯渗透特性,以及不同瓦斯压力下煤岩的瓦斯渗透特性。结果表明：煤岩瓦斯渗透率-应变曲线与煤岩三轴压缩全应力-应变曲线具有很好的对应关系,其瓦斯渗透率随加载变形破坏呈先减小后增大趋势,在峰前70%~85%应力水平时达到最小值,煤岩瓦斯渗透率在应力峰值附近时均有不同程度的急剧上升;另一方面,煤岩瓦斯渗透率和瓦斯流量随瓦斯压力的升高呈先增加后减小的趋势,瓦斯压力为1 MPa时达到最大值,在1~3 MPa时,煤岩具有较好的渗透能力,针对现场实际情况,通过类似分析,设定合理的抽采负压区间,从而保证煤与瓦斯共采安全高效进行。     

磷块岩在动静加载作用下的破坏特性研究

在磷矿掘进开挖过程中,磷块岩在深部围岩开挖的扰动下,处于动静结合的应力状态,呈现不同程度的开采破坏现象。 通过在室内展开不同预静载作用下的动静组合三轴试验,分析磷块岩在不同加载环境下的应力—应变曲线与破坏模式,研究磷块岩在不同动静加载作用下的破坏特性。 结果表明:①动力扰动后的,磷块岩三轴抗压强度比其在常规三轴静荷载试验下测得的强度低;②磷块岩所受围压相同时,随着其所受预静载水平的提高,磷块岩受动载扰动程度逐渐降低,且变形破坏程度更明显;③磷块岩所受轴向预静载力相同时,随着其所受的围压越大,磷块岩在动静组合下的抗压强度越大。     

三轴压缩煤岩强度及变形特征的试验研究

在MTS815岩石伺服试验机上对鲍店煤矿3煤进行了常规三轴压缩试验,并对试验结果进行了分析.结果表明：煤岩由于含有大量的微孔隙裂隙,在围压作用下,孔隙裂隙被压密闭合,弹性模量随之增大,但并非呈线性关系.在常规三轴压缩条件下,煤样三轴压缩强度与围压之间呈线性关系（不包括单轴压缩情况）,在实验的围压范围内,煤岩破坏符合Coulomb强度准则,但由于煤样具有明显的非均质特性,其内部含有大量的随机裂隙等缺陷,且煤样黏聚力较低,煤样沿随机裂隙破裂偏离θ=45°+Φ/2的可能性很大.     

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。