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。     

煤的动态力学本构模型

为揭示煤岩动态破坏机理,利用50 mm的分离式霍普金森压杆（SHPB）实验系统,对煤试样进行不同应变速率下的冲击加载实验,实验结果表明：煤体动态本构曲线前期就呈现出很强的非线性,初始弹性模量、屈服强度和极限强度都随应变率的增大而增大,塑性变形则是先增大后减小。根据动态本构曲线特征以及前人对本构模型的研究成果,运用弹塑性理论,建立了损伤体-黏弹性本构模型,模型的拟合曲线与实测动态本构曲线具有较好的一致性,拟合结果表明,煤体的动态力学性质对高低应变率的敏感性不同,对高应变率比较敏感,尤其是在300 s -1的应变率下,煤体的塑性流动最强,应力应变曲线产生了二类卸载(正斜率)。     

冲击荷载作用下的煤岩动力学特性及本构模型

为了研究煤岩的动态破坏特征和动力学损伤特性,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)和应力加载系统,对煤岩试样进行了冲击试验和单轴压缩试验;根据应力-应变试验曲线的特征,在过应力模型上,应用连续损伤理论与统计强度理论,建立了适合煤岩动力学特性的过应力损伤模型。结果表明:动载作用下,当应变率较小时,煤岩破碎方式与静载作用时间具一定的相似性;随着应变率的增大,动载破坏强度显著增大,动态模量先增大后保持不变,塑性变形先增大后减小,应力-应变曲线具有明显的塑性流动特性。采用建立的煤岩过应力损伤模型本构方程对试验曲线进行拟合,通过两者的对比,验证了模型的正确性。     

基于层叠模型组合煤岩体动态力学本构模型

为研究冲击载荷下组合煤岩的动态力学特征,利用75 mm的分离式霍普金森压杆(SHPB)实验系统,对不同组合比煤岩样(砂岩∶煤∶砂岩分别显1∶1∶1,2∶1∶1,1∶1∶2,1∶2∶2)进行不同速率(4.590～8.791 m/s)的冲击加载实验,获得了组合煤岩的动态应力-应变曲线,结合煤、岩本构的研究成果和层叠模型原理,并充分考虑了组合煤岩体在动态破坏过程中的应变率相关性和损伤特性,构建了7参数组合煤岩层叠本构模型。研究结果表明∶① 不同组合比煤岩的弹性阶段和塑性阶段持续时间不同,不同组合比煤岩的应力应变曲线前期均呈现出明显的非线性;② 组合煤岩动态冲击屈服强度随应变率的增大而增大,随煤的占比增大而减小;③ 构建的7参数组合煤岩层叠本构模型数值拟合曲线与实测动态本构曲线具有较好的一致性,拟合参数分析发现在中应变率(110.41～195.49 s-1 )冲击载荷作用下,组合煤岩体损伤软化效应超过应变率强化效应成为主导因素;④ 拟合参数范围和试样冲击破坏特征均表明,组合体试件主要破坏部位以煤体破坏为主,不受组合方式的影响。研究成果为进一步深入认识冲击地压等煤岩动力灾害发生机理和预测预防措施提供参考借鉴。由于组合煤岩冲击破坏SHPB实验条件有限,并未考虑围岩影响,围压下的组合煤岩动态破坏特性有待利用实验和数值模拟手段进一步研究。     

温度冲击下煤的双胡克体-统计损伤本构模型研究

为研究温度冲击作用下煤体破坏特性,利用SLX-80高低温处理系统对取自赵固二矿的煤样进行了不同温度冲击,用RLW-500G煤岩三轴压缩试验系统对不同温度冲击的煤进行了三轴压缩试验,分析了煤在温度冲击条件下的力学特征。实验结果表明随温度梯度的增大,煤的弹性模量和三轴抗压强度近似呈线性降低。基于煤岩强度服从Weibull分布的假设和煤岩强度应变理论,利用损伤力学理论,引入热损伤变量,建立了温度冲击下煤的双胡克体-统计损伤本构模型,给出了模型参数的详细计算方法,结合实验数据对该模型进行了理论验证。分析表明,双胡克体-统计损伤本构模型结构简单,引入参数少,物理意义清晰,且考虑了温度效应,能够有效地描述温度冲击下煤体破坏全过程的力学性质。     

不同冲击强度下的砂岩动态力学特性试验研究

为研究冲击强度对岩石动态力学特性的影响,以改装的霍普金森压杆(SHPB)装置对砂岩进行了不同冲击强度下的动力学试验,测得了动态应力-应变曲线和应力波波形。然后,基于试验数据分析了冲击强度对砂岩强度、应变特性以及能量耗散规律的影响。结果表明:动态应力-应变曲线未出现压密阶段直接进入弹性阶段,冲击强度越大,应力-应变路径越长;岩样以破碎形态为主,破碎程度与冲击强度呈正相关;随着冲击强度增大,平均抗压强度和平均应变呈线性增长,而平均应变率呈指数增长;平均抗压强度和平均弹性模量随平均应变率呈线性增加。冲击强度越大,入射能和反射能值显著提高而透射能变化不明显,透射系数和反射系数分别呈幂函数增长和对数降低。砂岩吸收能随冲击强度和平均抗压强度分别呈指数关系和对数关系。由此表明,不同冲击强度对砂岩应变特征、强度特征以及能量耗散具有显著影响,适当增加冲击强度可有效提高砂岩吸收能,进而提高破岩效果。     

基于HJC本构模型的煤岩SHPB实验数值模拟

利用有限元软件LS-DYNA,采用岩石的Holmquist-Johnson-Cook(HJC)本构模型,对煤岩霍普金森压杆(SHPB)实验进行数值模拟,再现了煤岩在冲击实验过程中的应力波形、应力波的震荡现象及试件的损伤过程,通过对比发现模拟结果与实验实测结果具有较好的相似性,HJC本构模型可以合理地再现煤岩受冲击破坏的动态过程。研究发现:1)试件均在周边开始破坏,破坏形式以沿轴向方向的劈裂破坏为主;2)当冲击速度为3 m/s左右时,煤岩的破坏受压缩和拉伸共同作用;当冲击速度为9 m/s左右时,煤岩的破坏主要受冲击压缩的作用;3)煤岩的破坏与应力峰值并不同步,当动载较低时,试件的破坏滞后于应力峰值;而动载较高时,试件的破坏超前于应力峰值。     

不同固定碳含量石墨矿石单轴压缩力学行为及损伤本构关系研究

不同固定碳含量石墨矿石力学性能和工业价值有所差异,研究石墨矿石力学性能与其固定碳含量之间的关系,对于深刻认识和科学利用石墨矿石具有重要意义。为此,综合运用石墨化学分析方法、岩石单轴压缩试验和岩石统计损伤理论,研究不同固定碳含量石墨矿石单轴压缩荷载作用下的力学响应特性,揭示固定碳含量对石墨矿石力学性质及损伤本构关系的影响。试验结果表明:石墨矿石试样单轴抗压强度随固定碳含量增加呈负指数型函数递减趋势、弹性模量呈线性函数递减趋势、峰值应变呈指数型函数递增趋势;随固定碳含量增加,石墨矿石试样破坏模式由张拉破坏过渡到拉剪混合破坏,最后向剪切破坏转变。引入与固定碳含量相关的损伤因子,建立了反映固定碳含量影响的石墨矿石统计强度型损伤本构模型,并将理论曲线与试验曲线进行对比,验证了所建立的损伤本构模型的有效性与合理性。     

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。     

冲击加载作用下矿石试件的动态力学特性及块度分布特征

矿石的动态力学特性影响其破碎效果。利用[?]50 mm霍普金森杆系统改变冲击荷载对矿石A、矿石B试件进行16次动态压缩实验，分析冲击气压对矿石应变率的影响，对抗压强度与应变率之间的关联性做了初步研究；统计破碎后的矿石块度筛分数据，分析块度的分布特征。结果表明：冲击速度在12~16 m/s范围内时每增大1 m/s时，矿石B的动态抗压强度增大8.3 %，矿石A的动态抗压强度总是低于矿石B，且矿石A、矿石B抗压强度随着应变率的增加呈指数型增长；随着耗散能量的增加矿石块度破碎的程度越大，矿石B筛分破碎块度的整体通过率要低于矿石A，表明矿石B内部固有大量微缺陷在吸收能量变形中加速了裂纹的闭合，与矿石A相比，强度增大且破碎程度较为平缓。     

高突出倾向性煤的力学性质试验及研究

为了研究高突出倾向性煤的性质,通过YAW-3000全自动压力试验机和YAD-2000型微机控制电液伺服岩石压力试验机分别对高突出倾向性煤样进行了巴西劈裂试验、单轴抗压试验和角模压剪试验,得到了高突出倾向性煤的有关力学性质和参数。     

煤与瓦斯突出问题研究

煤与瓦斯突出,是一种突发性的、破坏性相当严重的自然现象,往往会导致伤亡惨重的恶性事故,严重威胁煤矿的安全生产及工作人员的生命安全。本文就煤与瓦斯突出的机理、规律和预测方法做了简要的论述,并对突出的防治提出了若干解决方案。     

风化砂岩的力学特性及本构关系研究

以不同风化程度的砂岩试件为研究对象,对其单轴、三轴力学强度进行了试验研究.结果表明,随着风化程度的增加,砂岩的力学强度逐渐降低;三轴曲线的主应力差对砂岩强度的影响基本呈线性;随着风化程度的增加,砂岩的摩擦角逐渐增大;而粘聚力则随着风化程度的增加而减小;建立了岩石三轴受力的抛物曲线-线弹性-Duncan双曲线-塑性软化-残余理想塑性五段式模型,正确地反映岩石三轴受力变形的特点.     

煤岩物理力学性质对煤与瓦斯突出的影响研究

煤与瓦斯突出是煤矿中一种极其复杂的动力现象,危害到煤矿生产和人员安全。煤与瓦斯突出的发生机理十分复杂,影响因素众多,其中煤岩物理力学性质是其灾害发生的主要因素之一。随着煤炭开采的发展和浅部可采储量的逐年减少,深部开采成为我国大部分煤矿必须面临的问题,同时煤与瓦斯突出灾害越来越严重,通过煤岩物理力学性质实验室测定可以分析研究煤与瓦斯突出发生前后岩体变形破坏规律。     

CO_2-ECBM项目中潜在煤(岩)与CO_2突出隐患分析

在低碳经济形式下,煤层气资源作为一种清洁的替代能源具有广阔的发展潜力。注入CO2增产煤层气(CO2-ECBM)项目在众多煤层气开采方法中颇具特点,同时也带来了潜在的煤(岩)与CO2突出隐患。从CO2-ECBM项目原理、特点出发,结合我国煤层气赋存特点,对该项目潜在的隐患进行阐述,结合治理煤与瓦斯突出的经验方法,提出预防煤(岩)与CO2突出的措施,对理论研究和实际生产均有指导意义。     

大湾煤矿煤与瓦斯突出与地质因素的关系

通过对大湾煤矿煤与瓦斯突出与地质因素的分析,总结出大湾煤矿历次突出与地质因素的关系,掌握这些关系,对防治突出有重要意义。     

构造煤特征及其与瓦斯突出危险性的关系

构造煤是发生煤与瓦斯突出的必要条件。13-1煤层是淮南煤田潘一井田的主采煤层,该煤层构造煤非常发育,通过计算构造煤在煤层中所占的比例和构造煤的厚度;分析构造煤的分层特征,研究该煤层的构造煤发育特征,并初步探讨了构造煤发育特征与瓦斯突出危险性之间的关系。     

逆断层倾角对煤与瓦斯突出影响的研究

贵州地区由于封闭性、压扭性断层较多,不利于瓦斯自然释放,导致瓦斯聚集而易在开采中发生煤与瓦斯突出事故,这对矿井安全高效生产极为不利。通过理论分析并结合数值模拟,主要研究了逆断层条件下不同倾角的逆断层对煤与瓦斯突出的影响。研究结果表明,倾角为60°的断层对煤与瓦斯的突出危险性影响最大,其次是45°;角度越小的断层越容易受到开采扰动的影响;顶板的冲击频率以及冲击强度是煤与瓦斯突出的诱因之一。     

煤与瓦斯突出流体动力学机理研究

煤与瓦斯突出是威胁煤矿安全生产的重大灾害,近年来随着对深部煤炭资源需求增加,煤和瓦斯突出次数和强度也日趋严重。运用流体动力学基本原理探讨突出过程中瓦斯气体压强和流速变化,研究表明游离态瓦斯气体在煤岩体内高速流动时产生的压强波可在煤层裂隙网中不断积累传播。而煤层中压强波的出现不仅能够改变裂隙中瓦斯气体流速和压力并扩展煤层裂隙,使含瓦斯煤岩体孔隙结构破坏,最终导致煤与瓦斯突出灾害发生。     

"三软"不稳定突出煤层消突技术研究

研究了“三软”不稳定突出煤层顺层钻孔预抽瓦斯方案设计及工作面回采瓦斯治理方法。论证了工作面无突出危险性及放顶煤回采的可行性。