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。     

煤岩物理力学性质与冲击倾向性关系

冲击倾向性是煤岩介质的固有属性,是发生冲击矿压的必要条件,物理力学参数表征煤岩介质的性质,基于大量煤岩介质物理力学参数数据及冲击倾向性结果,分析了煤岩物理力学性质中吸水性、强度参数、变形参数与冲击倾向性之间的定量或定性关系.试验研究及理论分析结果表明,随着煤岩介质吸水性增强,其动态破坏时间越长,冲击能量指数越低,冲击倾...     

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。     

凌志达矿15^#煤层煤岩冲击倾向性研究

采用实验室试验方法对煤岩样进行试验,并采用origin软件对各项试验指标数据进行了计算分析。研究结果表明,煤样的平均单轴抗压强度为8.03 MPa,冲击能量指数为1.47,弹性能量指数为1.98,动态破坏时间为1336 ms,确定15^#煤层无冲击倾向性;顶板岩层总弯曲能量为11.25 kJ,确定顶板岩层无冲击倾向性。     

分级循环加卸载作用下煤岩损伤本构模型研究

以煤岩为研究对象,通过分级循环加卸载试验研究煤岩损伤力学特性;应用Weibull统计分布函数,并引进损伤变量D,基于煤岩微元体强度符合Mises屈服准则,建立了适用于煤岩加卸载阶段的损伤本构模型;根据试验数据,采取非线性拟合的方法确定各循环等级的模型参数值,分析了模型参数的物理意义。研究结果表明:基于Mises屈服准则建立的损伤本构模型能够准确反映煤岩分级循环加卸载下的应力-应变关系;随着加卸载等级的提高,残余应变逐渐积累,弹性模量先增大后减小,滞回环形状表现为"胖"-"瘦"-"胖"的特点;本构模型参数具有明确的物理意义。     

郓城煤矿3~#煤层及其围岩冲击倾向性试验研究

对郓城煤矿3#煤层及其围岩动态破坏时间、冲击能量指数、单轴抗压强度、弹性能量指数4个煤层冲击倾向性指标以及弯曲能量指数的岩层冲击倾向性指标进行了试验和分析,进而对该煤层的煤岩冲击倾向性进行了评判。     

不同冲击倾向性煤单轴压缩下能量演化与损伤特征

为了研究不同冲击倾向性煤单轴压缩过程中的能量演化规律与损伤特征,基于实验室冲击倾向性等力学参数测试,通过颗粒流数值程序PFC2D获取能够较真实反映煤样宏观力学特性的细观参数,模拟分析了不同冲击倾向性煤单轴压缩下的能量演化规律与损伤特征。研究结果表明:不同冲击倾向性煤的能量演化规律相似,峰值强度前,边界做功主要转化为应变能,耗散能、滑动能与动能的占比则非常小;峰值强度后,应变能快速释放,耗散能、滑动能与动能开始迅速增长。随着冲击倾向性的增强,应变能释放与动能增长速率显著增大,提出应变能释放比率与动能增长比率2个指标,发现应变能释放比率、动能增长比率与冲击倾向性指标中的单轴抗压强度、冲击能量指数以及弹性能量指数具有很好的相关性,可采用该指标来辅助评判煤样的冲击倾向性。峰值强度前不同冲击倾向性煤样内部微裂纹演化规律近似,峰值强度点后微裂纹急剧增长,增速与冲击倾向性呈正相关关系。基于裂纹萌生与体积应变曲线的确定方法,得出煤的起裂应力水平主要分布在44.18%～51.67%,损伤应力水平在89.04%～93.86%。强冲击倾向性煤样的起裂应力水平与损伤应力水平均高于弱和无冲击倾向性煤样,起裂应力水平与损伤应力水平从细观损伤力学角度解释了强冲击倾向性煤样易积聚高弹性应变能并产生脆性冲击破坏的能力。     

花岗岩冲击力学特性及损伤演化模型

使用分离式霍普金森压杆(SHPB)对花岗岩进行不同应力波波长(0.8~2.0 m)和不同应变率(20~120 s-1)组合下的冲击试验,对其动态力学特性和损伤演化规律进行了研究。试验得出:花岗岩的动态抗压强度与应变率呈线性正相关,动态抗压强度因子与应变率的自然对数呈线性正相关;峰值应变与应变率呈线性正相关,且波长的增加使峰值应变水平整体抬升。通过多次冲击试验得出:在同一波长下,花岗岩的累积损伤随着应变率的增长呈指数型递增形式;当保持应变率范围不变的情况下,增大应力波波长,花岗岩的损伤累积效应加剧,依然呈指数型递增形式;在多次冲击作用下,花岗岩损伤整体发展趋势相似,但增长速率加快;并由此建立以指数函数为基础的损伤演化模型,确定出模型中参数物理意义,该模型能够同时能反映应力波参数和冲击次数影响。通过验证表明模型的合理性及参数物理意义的正确性。     

基于核主成分分析的煤层冲击倾向性判别

针对煤层冲击倾向性判别,采用MATLAB数据分析软件编写核主成分分析程序,对试验煤样的冲击能指数、弹性能指数、动态破坏时间、抗压强度以及弹性模量等煤层冲击倾向性指标进行核主成分分析,获取影响煤层冲击倾向性的主成分序列。根据核主成分分析结果,建立煤层冲击倾向性判别模型,为评价煤层冲击倾向性提供依据,对矿山冲击地压预防具有重要意义。     

龙家堡2~#煤层冲击倾向性试验研究

冲击地压以其突发性、破坏性严重威胁着煤矿的安全生产,及时预测对保障矿井安全生产非常重要。煤岩冲击倾向性研究是冲击地压预测预报及防范治理的基础。采用试验测得的冲击能量指数KE,弹性能量指数WET、动态破坏时间DT作为煤层冲击倾向性的分类指标。本文通过实验室测试龙家堡2#煤层各项指标,确定了其冲击倾向性等级,提出了合理建议。     

单轴压缩下煤岩损伤研究

根据前人对煤岩的实验研究,采用岩石强度随机统计分布假设,建立了能够较好的反映煤岩单轴压缩状态下的初始压密段和残余强度的分段损伤本构方程,并且给出了其中参数的确定办法。利用刚性实验机进行了煤岩单轴压缩实验,对应力-应变曲线与损伤的关系进行了分析。利用实用复合形法对所提的损伤本构方程进行了参数求取。拟合结果表明理论和实验结果符合较好。     

冲击载荷下三轴煤体动力学分析及损伤本构方程

为研究冲击载荷下三轴煤体的动力学特征,建立了三轴分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统,开展了轴向静载、围压和冲击载荷随机组合的动态冲击试验,研究了三轴煤体在冲击载荷下的动力学特性。实验结果表明:冲击载荷下三轴煤体动态应力应变曲线无压密阶段,轴向预静载有助于使煤体原生裂隙闭合,初始加载就表现出完整弹性体的特征;当应力达到峰值强度的60%～85%阶段时,应力应变曲线呈现"跃进"现象,可能与碳在晶体微破裂中的作用有关;当应力超过煤体动态强度,试样破坏,应力降低。冲击载荷下三轴煤体动态强度和破坏应变与平均应变率高度线性相关,应变率效应明显,应变率效应使得不同轴向静载、围压和冲击载荷因素对煤体动态强度和破坏应变的影响具有可比性。基于岩石力学强度理论和统计损伤理论,建立了冲击载荷下三轴煤体动态损伤本构模型,该模型综合考虑了轴向静载、围压和冲击载荷等因素,明确地反映了3种因素对煤体动力学特征的影响,轴向静载会劣化煤体,造成动态强度降低,围压和冲击载荷有助于提高煤体的动态强度,理论模型反映的特征与试验结果相吻合,并通过建立的本构模型和试验应力应变数据拟合了理论应力应变曲线,其与试验应力应变曲线基本重合,且应变率越高,一致性越好。     

基于深地复杂应力条件下混凝土冲击倾向性试验

针对深地复杂应力条件下,混凝土发生了类似岩爆的瞬时破坏现象。对不同强度等级的混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度、动态破坏时间、弹性能量指数、冲击能量指数和声发射参数进行试验研究,提出以脆性系数、 动态破坏时间、冲击能量指数作为评价混凝土冲击倾向性指标。结果表明:脆性系数小于20、动态破坏时间大于500 ms、冲击能量指数小于1.5的混凝土无冲击倾向性,C50强度等级以下的混凝土无冲击倾向性,强度越高冲击倾向性越强;对高强混凝土进行声发射监测,声发射能量随混凝土强度增加而增大,临近峰值应力时,声发射参数会剧增,可据此监测高强混凝土的冲击破坏;活性粉末混凝土显著提高了动态破坏时间,降低了脆性系数和冲击能量指数,是一种无冲击倾向性的材料,对深地复杂应力条件下混凝土的冲击破坏有明显改善。     

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。     

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。     

孔隙煤体峰后应变软化及其对工作面冲击地压的影响

基于孔隙煤体SEM结构分析,在煤本构模型中引入损伤参数,结合煤块单轴应力-应变试验曲线,对煤体峰后应变软化性能与表征煤强度分布特征的Weibull参数之间的关系进行了探讨,得到Weibull参数m值与煤峰值强度后线性降模量λ之间的拟合关系,反映了煤体损伤程度对其峰后应变软化的影响。并基于能量原理,分析出煤体峰后应变软化是采煤工作面发生冲击地压的必要条件,将孔隙煤体的本构关系简化为双线性应力应变关系,结合工程实例计算了发生冲击地压时煤体峰后应变软化的临界范围与Weibull参数取值范围,对孔隙煤体峰后应变软化及其对冲击地压的影响程度做出了定量评价。     

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。     

基于分数阶微积分理论的泥岩蠕变损伤本构模型

泥岩在吸水膨胀时,其各力学参数均会发生明显变化。建立泥岩分数阶损伤蠕变模型结构图,引入描述岩石损伤程度的损伤变量,当应力水平超过岩石的长期强度时,在泥岩加速应变率加载情况下,建立基于分数阶微积分理论的非线性蠕变损伤模型,基于蠕变模型建立加速应变率加载情况下的泥岩蠕变本构模型。通过本构模型得到,在加速蠕变阶段,应变与时间呈指数函数关系。利用蠕变试验数据对所提出的模型进行验证,结果表明,分数阶β为岩体固有参数并且能够反映岩体硬度,在加速蠕变阶段,分数阶损伤蠕变本构模型能够较好地描述泥岩蠕变的应力—应变关系。     

高应力区岩石统计损伤本构模型及能量耗散研究

为了反映高应力区岩石变形破坏全过程,通过引入双参数抛物线型Mohr强度准则,建立适用于高应力区岩体的微元强度度量方式,并假定由该度量方式得到的微元强度服从幂函数概率密度分布,结合连续损伤理论,考虑损伤变量修正,建立一个新的适用于高应力区岩体的统计损伤本构模型。以高应力区英安岩为验证对象,进行常规三轴压缩试验,依据岩石应力-应变曲线特征,给出模型参数确定方法。引用基于线性Mohr强度准则而建适用于浅部低应力水平岩石的相关统计损伤模型,利用该模型和本文所建模型对英安岩试验数据进行验证,对比试验曲线和理论曲线,证明本文所建模型的可行性。分析高应力区岩石的损伤累积和能量耗散,从能量的角度证明损伤修正系数的正确性,分析岩石变形破坏过程中的能量变化规律,体现本文所建模型的合理性。