刨煤机刨削煤岩本构模型建立与试验验证

针对实验测试所用假煤岩的基本特性,修正了现有的本构模型,研究了本构单元在变形过程中经历的线弹性变形、蠕变、塑性屈服、硬化以及最后脆性崩裂的几个阶段,建立了适用于模拟煤壁刨削实验的煤岩损伤本构模型;观察在煤的单轴压缩实验条件下煤岩试样的破坏历程,将实验结果与建立的损伤本构模型进行对比验证。     

煤岩破坏裂纹演化特征及本构模型研究

本文借助细观颗粒流PFC2D软件平台探讨了煤岩损伤破坏过程中裂纹演化特征,基于裂纹特征分析了煤岩损伤演化本构模型。研究结果表明:在煤岩损伤各阶段,裂纹的扩展演化过程不同,裂纹的出现主要集中于峰值前后的阶段。基于裂纹参量特征的煤岩单轴压缩损伤本构方程拟合的应力-应变曲线与实际数值曲线具有良好的一致性。     

煤质页岩压缩变形特性及损伤破坏辨识试验研究

为了探索煤质页岩的压缩变形及损伤破坏特性,利用MTS岩石材料力学试验机,得到了煤质页岩的单轴和三轴压缩试验曲线,研究了单轴三轴压缩全过程中页岩损伤软化特征的异同;在此基础上,研究分析了页岩压缩过程中外力功、能量耗散以及能量释放机理,结合页岩特性和岩石强度破坏理论,建立了基于能量原理的页岩损伤演化本构方程:①单轴应力状态下,页岩损伤全过程可用能量原理损伤本构方程模拟;②三轴应力状态下,当轴向应力小于围压时,页岩本构关系可近似用线性方程模拟;当轴向应力大于围压时,应用基于能量原理损伤本构方程进行模拟.模型与试验结果对比分析显示,所建的模型力学参数简单,物理参数意义明确,能充分描述页岩单轴应变软化及三轴应变硬化阶段变形特征.     

潘谢煤田13-1煤层煤岩冲击动力学性能及本构关系的建立

利用分离式Hopkinson压杆（SHPB）对潘谢煤田张集煤矿13-1煤层煤岩进行了不同应变率的冲击压缩实验,结果表明：煤岩动态应力-应变曲线表现出显著的应变硬化与应变率硬化等动态力学特性,煤岩峰值应力及动态弹性模量均随应变率提高而提高,得到了其动态强度与应变率的关系表达式。基于实验结果,通过改进朱－王－唐模型,建立了反映煤岩峰值应力前动态应力-应变关系的本构方程。通过数据拟合,获得了本构方程的相关参数,拟合参数表明：煤岩材料对高应变率的响应具有敏感性,在高应变率条件下气煤比无烟煤表征更明显的脆性特征,即气煤破坏应变更小。利用Fortran语言开发了VUMAT煤岩材料子程序,并对煤岩SHPB实验进行了数值模拟,模拟结果与实验结果吻合较好。     

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。     

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。     

考虑温度效应的泥岩损伤特性试验研究

利用MTS810电液伺服材料试验系统以及与之配套的高温炉MTS652.02进行单轴压缩实验,研究泥岩在常温～ 800℃高温作用下,变形特性与强度特性随温度的变化规律.尽管实验结果有一定的离散性,但仍具有明显的总体规律.泥岩的弹性模量及峰值强度在常温～ 400℃内,随温度升高呈上升趋势;当T＞ 400℃后,弹性模量及峰值强度均急剧下降.依据岩石损伤力学与统计强度理论,结合高温作用下泥岩的力学性能,构建了考虑温度效应的泥岩损伤演化方程和本构模型,并针对所测泥岩岩样的力学特性,给出了相应的损伤本构方程具体参数,本构模型与试验结果具有很好的印证性.     

煤岩蠕变特性试验研究

为研究大平煤业煤岩蠕变特性,采用HSW-200R手动三轴蠕变试验仪对煤样进行了单轴、三轴蠕变试验。根据试验数据,利用origin软件进行线性回归,得出了本构方程,并对该本构方程进行蠕变参数的辨识。研究表明,用西原加速模型可以很好的对大平煤业煤岩蠕变特性进行描述。该试验方法对于类似煤岩蠕变研究具有一定借鉴意义。     

单轴压缩下岩石动态细观损伤本构模型

目前岩石动态损伤本构模型未能很好地同时考虑临界应变及已有损伤对被激活微裂纹数目的影响,为此,基于微裂纹在单轴压缩荷载下的扩展机理,提出了新的岩石单轴压缩动态损伤本构模型。在假定岩石中被激活的微裂纹数服从Weibull分布的基础上,首先,通过临界应变对被激活微裂纹数目的影响,建立了考虑临界应变及微裂纹扩展长度的单轴压缩损伤本构关系;其次,根据微裂纹在单轴压缩下的翼裂纹扩展方程,考虑翼裂纹扩展过程中的惯性效应及翼裂纹扩展速度与应变率之间的关系,建立了单轴压缩下岩石动态细观损伤本构模型。最后采用数值算例对模型的合理性进行了验证。结果表明:随着Weibull分布参数k和m的增加,岩石动态抗压峰值强度分布减小和增加,且m的影响更为显著。随着微裂纹摩擦系数、岩石断裂韧性和应变率的增加,岩石动态抗压峰值强度增加;而随着微裂纹长度的增加,岩石动态峰值强度则降低。该结论与目前的研究成果较为一致,说明了该模型的合理性。     

基于压密和损伤函数复合作用的单轴压缩本构关系

对西部钙泥质胶结砂岩进行单轴压缩实验。考虑压密阶段和损伤阶段应力应变曲线的变化特点,分别将压密阶段的体积应变和加载过程中的声发射累计数作为表征压密状态和损伤状态的参量,进行归一化后分别用于描述压密和损伤特征,并选取Logistic函数和指数函数进行回归拟合得到加载过程中的压密函数和损伤函数。结合试件的弹性变形特点,对压密函数和损伤函数进行线性组合,分别对由载荷控制和位移控制（包括峰前和全过程）的单轴压缩实验得到的应力应变曲线进行回归分析,得到了砂岩在单轴压缩条件下与实验结果相关性较高的的本构方程,并分析了压密函数和损伤函数中参数的物理意义。     

基于损伤统计本构模型的煤层冲击倾向性研究

针对目前国内煤层冲击倾向性指标存在的问题,基于煤岩应变强度理论、煤岩微元强度服从Weibull随机统计分布的假设和连续介质损伤力学理论,采用单轴压缩下煤岩损伤统计本构模型,用最优化方法确定该模型的关键参数,同时分析了各参数的物理意义,进而给出了冲击能指数和弹性能指数的理论计算方法,并提出了最大损伤速率和反应动态破坏时间的动态损伤应变新指标。数值试验和现场试验结果表明：采用最优化方法确定该模型参数能更好地拟合煤岩应力-应变全过程曲线;修正后与新提出的冲击倾向性指标理论计算方法合理可行,物理意义明确,能很好地反映煤层的冲击倾向性,为深入研究煤层冲击倾向性的本质提供了一种新的思路。     

准静态应变率下的煤岩非线性力学特性

为研究开挖扰动下煤岩的非线性力学特征，利用MTS815伺服刚性试验机对芙蓉白皎煤矿煤岩进行10-5~10-2 s-1准静态应变率下的单轴压缩试验，分析准静态应变率下煤岩的应力-应变曲线、抗压强度、弹性模量、泊松比等力学特性的变化规律，基于煤岩显著的非线性力学特征，修正并验证黏弹性损伤本构模型的合理性。研究表明:① 煤岩单轴压缩荷载作用下具有明显的压密、线弹性、塑性屈服、峰后破坏4个阶段;煤岩力学特性应变率相关性突出，随着应变率的增加，压密阶段缩短，线弹性阶段增长，屈服阶段应力强化特征及峰后破坏阶段应力软化特征趋于明显;② 由于原生裂隙的闭合和扩展，煤岩受载作用下，各阶段均呈现显著的非线性力学特征，随着应变率的增加，压密阶段和线弹性阶段表现出的明显非线性特征呈减弱趋势;③ 准静态应变率10-5~10-2 s-1范围内，抗压强度随应变率增加由8.83 MPa增加至12.57 MPa，增长率42.35%;弹性模量随应变率增加总体呈现先增加后减小的变化趋势，在10-5~10-4 s-1应变率区间，弹性模量由1 644 MPa增加至1 825 MPa，随后在10-4~10-2 s-1应变率区间内减小，变化趋势发生明显转折;泊松比在准静态应变率下随应变率增加而呈现逐渐减小的变化趋势，从1.53下降到0.71，减小53.59%;整个准静态应变率范畴下，煤岩的力学特征参数(抗压强度、弹性模量、泊松比)均表现出显著的非线性变化趋势，均在临界应变率10-3 s-1附近发生转折。④ 利用一个损伤体和一个Maxwell模型并联方式，综合考虑准静态应变率下煤岩的非线性变化特征后，引入材料常数a对胡克定律进行修正，推导得出准静态应变率下煤岩的非线性损伤演化本构方程，并结合煤岩单轴压缩试验对其合理性进行验证。     

不同长径比煤样动力学特征及本构模型

为研究冲击荷载下不同长径比煤样的动力学性能,借助改进的霍普金森压杆实验装置(?75 mm),开展6个冲击等级(4.18～8.03 m/s)、4种长径比(0.33～1.33)下的冲击压缩实验,并结合灰色关联理论分析动力学参数与长径比之间的关联性,建立基于力学机制、Weibull分布、D-P准则的4参数单轴煤岩强度型统计损伤模型。研究表明：(1)煤样长径比与应变率、动抗压强度、耗散能均呈二次函数关系,且耗散能随长径比增加而降低;与电磁能呈一次函数关系,且保持正相关。(2)煤样长径比对动力学参数的影响排序为：电磁能(0.88)>动抗压强度(0.84)>耗散能(0.81)>应变率(0.78)。(3)基于Weibull分布、D-P准则构建初始本构模型,并借助动抗压强度σ_max与应变率、长径比n的关系修正,进而对比实验应力-应变曲线,验证模型可靠性(R²>0.91)。     

冲击破坏条件下煤的强度型统计损伤本构模型与分析

为研究冲击作用下煤体破坏特征,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统对取自苇町矿的煤样进行了不同冲击载荷条件下的动态冲击试验,分析了煤在冲击载荷条件下的动态力学特性。试验结果表明煤是一种典型的率相关材料,弹性模量和抗压强度均随应变率的增大而增大。根据岩石力学的强度理论和统计损伤理论,建立了煤的强度型统计损伤本构模型,给出了模型参数的确定方法,验证了模型的正确性。对比分析了元件型统计损伤本构模型和强度型统计损伤本构模型的优劣,分析确定了强度型统计损伤本构模型的准确性与合理性。研究结果表明:强度型统计损伤本构模型结构简单,引入参数少,物理意义清晰,能够有效地描述煤体冲击破坏过程中的动态力学性质;相较于元件型统计损伤本构模型,利用强度型统计损伤本构模型拟合的相关性系数更高,与试验结果保持了很好的一致性,具有更好的普适性。     

基于结构表征单元体的岩体力学参数选取

针对基于数值试验岩体力学参数的选取开展研究。通过现场节理裂隙调查、统计分析得到岩体节理面分布模型;采用三维随机节理模拟技术构建基于统计分析的岩体表征单元体数值模型,并就此开展单轴压缩数值试验确定结构表征单元体;对表征单元体进行三轴压缩数值试验,确定岩体的抗剪强度参数。研究结果表明：研究角砾岩的表征单元体尺寸为2m×2m×2m,得到的岩体力学参数与基于Heok-Brown强度指标较为一致;块体采用摩尔-库伦本构模型、节理面采用库伦滑移本构模型能够较好地反映研究角砾岩体的力学特性;基于结构表征单元体的岩体力学参数选取方法是合理的。     

盈盛煤业9号煤层顶板岩石力学性能实验研究

以盈盛煤业91303工作面实际地质条件为工程背景,使用RMT-150B电液伺服试验机对盈盛煤业91303工作面两巷进行了顶板单轴压缩试验,基于实验结果,探讨了单轴压缩下盈盛煤业坚硬顶板的岩石力学性能。结果表明:砂岩平均单轴抗压强度为97.8 MPa,但是离散性较大;K₂灰岩强度特别大,平均单轴抗压强度达到195 MPa,7号、8号煤的单轴矿压强度相差不大;砂岩和砂质泥岩多为微裂纹,整体破坏程度比煤和石灰岩更低。其中,煤的破碎程度最高,砂岩的破碎程度最低。试验结果不仅为该岩石材料本构的参数确定提供了参考数据,同时也为该矿91303工作面顶板放顶技术提供参考依据,为矿山的开采支护提供了借鉴。     

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。     

岩石损伤统计本构模型及其参数确定的研究

利用连续损伤理论和统计强度理论,建立了完整模拟岩石破裂全过程的损伤统计本构模型。在所建立的损伤统计本构模型的基本方程中,引入岩石应力应变全过程曲线特征参量,并考虑岩石应力应变全过程曲线的几何条件,解决了传统方法求解本构方程中参数的难点,同时提高了精度。基于取自某边坡工程的砂岩所进行的三轴压缩试验实测结果,对所建立的岩石损伤统计本构模型进行了验证,验证了所建的模型是合理的。