冲击载荷下煤样能量耗散与破碎分形的长径比效应

为研究不同长径比煤样动态压缩下能量耗散规律和破碎分形特征,采用?50 mm分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bars, SHPB)试验系统,以相同冲击气压0.35 MPa对直径50 mm,长径比分别为0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9和1.0的煤样进行单轴冲击压缩试验,定义了可判定应力平衡状态的指标——应力平衡系数ξ,发现了能量耗散的长径比效应并讨论了其与应力平衡的关系,分析了长径比和耗能密度对煤样破碎分形特征的影响。研究结果表明：不同长径比煤样应力-应变曲线形态基本一致,均包含弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段3个阶段,随长径比增加,曲线塑性阶段增大;根据应力平衡系数ξ确定煤样的临界长径比为0.6,低于临界长径比的试件易达到应力平衡,超过临界长径比试件将难以在破坏前达成应力平衡;煤样动态压缩破碎耗能与耗能占比的长径比效应表现为：随长径比增加分2个阶段,且其分界点接近临界长径比,各阶段内呈线性增加关系,阶段间呈台阶式下降;试件尺寸增加引起原生缺陷摩擦耗能增加和端部摩擦效应增强,超过临界长径比的试件应力达到峰值前其变形量降低形成了破碎耗能...     

不同长径比石灰岩动态压缩SHPB试验研究

为了研究不同长径比石灰岩应力-应变曲线、动态单轴抗压强度、动态弹性模量、峰值应变随应变率增大的变化规律,采用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置,对2组不同长径比石灰岩试样,进行7种不同应变率等级下的冲击加载试验。结果表明:随着应变率的增大,应力-应变曲线在峰值点后表现出不同的变化规律,呈现明显的率相关性;2组试样动态单轴抗压强度均随应变率的增大呈幂指增大,且长径比为1.0的试样强度的应变率敏感性强于长径比为0.5的试样,有明显的尺寸效应;动态弹性模量和峰值应变均随应变率的增大而增大,相同应变率下,长径比为1.0的试样动态弹性模量大于长径比为0.5的试样;试样的动态压缩破坏形态在相同应变率下,长径比为0.5的试样破坏程度比长径比为1.0的大,应变率较低时呈轴向劈裂破坏,应变率较高时呈颗粒状粉碎破坏。     

循环动荷载作用下岩石动态响应分析

为研究循环动荷载作用下岩石的动态变化,利用SHPB装置对长径比为2.0的试件进行冲击作用,分析试件在0.04,0.06,0.08,0.10 MPa气压冲击用下应力-应变曲线、峰值应力、峰值应变变化情况,结果表明:随着冲击气压的增加,试件反应出的峰值应力增加,试件受首次冲击的峰值应变减小。选用0.06 MPa气压对长径比为2.2,2.4,2.6的试件进行循环冲击作用,结果表明:长径比2.0的试件平均峰值应力为70.56 MPa;长径比2.2的试件为71.15 MPa;长径比2.4的试件为83.54 MPa;长径比2.6的试件为91.09MPa,且随着长径比增加,试件所能承受的动荷载次数减少。     

冲击荷载作用下煤岩力学特性研究及能量演化特征

为了探究冲击倾向性煤岩的动态力学特性和破碎特征,以强冲击倾向性煤岩为研究对象,进行了中高应变率条件下的单轴冲击试验。结果表明：在冲击荷载作用下,煤岩的破裂与变形可分为线弹性阶段、弹塑性阶段、应变强化阶段和卸载破坏阶段4个阶段;动态应力、应变均表现出明显的应变率效应;煤岩动态应力增长因子与应变率呈线性正相关;峰值应力与能量密度拟合呈现对数关系,能量密度与应变率拟合呈现指数关系,吸收阻抗比能与应变率具有良好的二次幂指函数关系,吸收阻抗比能和能量密度表现出较强的应变率相关性;破坏模式逐渐由轴向劈裂破坏向压碎破坏过渡。研究结果对于解决当前深部矿山采掘等工程实际问题具有一定的理论意义和实用价值。     

岩石试件SHPB劈裂拉伸试验中能量耗散分析

利用直径50 mm变截面分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验装置,对厚径比0.5的煤矿砂岩巴西圆盘试件进行对径加载,采取改变驱动气压的方法实施不同加载速率的动态劈裂拉伸试验。研究了砂岩试件动态劈裂拉伸破坏过程中的能量构成和耗散特征;尝试从能量角度出发,对砂岩试件动态劈裂拉伸破坏形态、平均应变率效应和动态拉伸应力强度进行能耗分析;发现试件吸收能量绝大部分耗散于岩石的损伤演化和变形破坏,可以较好地反映砂岩试件在冲击载荷作用下的抗拉性能变化。结果表明：砂岩试件拉伸应力强度与吸收能量随平均应变率增加近似对数关系增加,表现出显著的应变率相关性。研究成果可为岩石类脆性材料动态拉伸力学性能研究提供参考。     

3种岩石动态拉伸力学性能试验与对比分析

为研究不同岩性岩石动态拉伸力学性能的差异,选用岩石工程中较为常见且波阻抗差别较大的3种岩石:红砂岩、灰砂岩和花岗岩,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统分别对3种岩石巴西圆盘试件进行不同冲击速度下的动态劈裂拉伸试验,同时结合超高速数字图像相关(DIC)试验系统对试样表面应变场变化过程及其动态拉伸破坏过程进行了观测。对比研究分析了3种岩石的拉伸应变场和剪切应变场的动态演化规律,不同冲击速度和不同加载率下3种岩石的动态拉伸强度、拉伸敏感系数和破坏形态的变化规律,以及波阻抗对岩石动态拉伸力学性能的影响。研究结果表明:(1) 3种岩石破坏形态的差异主要体现在圆盘试件两端的楔形局部剪切破碎区,且局部剪切破碎区面积受冲击速度的影响。(2) 3种岩石动态拉伸强度随冲击速度和加载率的增大均表现出良好的线性增大的关系,且相同冲击速度下,花岗岩加载率和动态拉伸强度>灰砂岩>红砂岩。(3)红砂岩拉伸强度对加载率最敏感,花岗岩次之,灰砂岩敏感性最弱,且随冲击速度和加载率的增大,3种岩石拉伸敏感系数均呈线性增大关系。(4)相同应力波作用下,岩石的应力波传播过程、加载历史以及动态拉伸力学性能受岩...     

煤-岩-煤组合体冲击荷载作用下力学特性研究

为了研究煤-岩-煤组合体在冲击荷载作用下的力学特性和破坏模式,利用分离式霍普金森压杆和高速摄像仪在不同的冲击荷载下对组合体试件进行动态冲击压缩试验。试验结果表明:煤-岩-煤组合体的应变率、应变、应力、动态弹性模量和破碎程度都与冲击荷载有较强的相关性,都随冲击荷载的增强而变大;组合体在动态冲击作用下应力-应变曲线变化规律大致可划分为弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段;高速摄像结果表明,组合体在冲击荷载作用下,裂纹先在两端产生,并沿轴向发展产生贯穿裂纹,且两端煤体破裂明显并有较大破碎变形,组合体中间岩体部分具有较高的强度,其裂纹的产生及扩展要比两端煤体缓慢;组合体随冲击荷载的加大,破碎程度显著增强。     

三维动静加载下煤样动态变形模量长径比效应

动态变形模量是表征煤岩在冲击载荷作用下抵抗变形能力的重要参数。为研究三维动静加载下煤动态变形模量长径比效应,试验从具冲击地压倾向性矿井取样,以直径50 mm,长径比为0.5,0.6,0.8和1.0共4组圆柱体煤样为研究对象,基于地应力原位测试结果设计预加轴压和围压静载,采用改进的霍普金森压杆(SHPB)试验系统开展三维动静加载试验。研究结果表明：三维动静加载下煤的割线模量、第二类割线模量、加载段变形模量和平均变形模量均未表现出明显的应变率效应;根据动态应力-应变曲线特征定义了弹、塑性段割线模量,发现塑性段割线模量存在显著的应变率效应,且大长径比试样塑性段割线模量应变率敏感性较小长径比试样更强;相同应变率下塑性段割线模量随长径比增加而增大,且应变率越大,塑性段割线模量的长径比效应越显著;三维动静加载下峰前段曲线存在的间歇性攀升行为使各试样50%动态峰值应力点呈无序分布,此为导致现有动态变形模量与应变率无规律性的主因。研究成果有利于探究动静载叠加作用下巷道围岩变形特性,为完善冲击地压巷道围岩控制理论提供参考。     

预制孔洞煤样冲击力学特性及能量耗散试验研究

为研究冲击载荷下预制孔洞煤样力学特性及能量耗散规律,制备含轴向孔洞的直径50 mm,高50 mm圆柱体煤样,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,开展8个孔洞尺寸和3个冲击气压水平的加载试验研究,借助平面场应变测量技术(VIC–2D)和高速摄像机,分析了冲击加载过程中试件动态应力、动态应变、裂纹演化、破坏失效及能量耗散特性。结果表明：(1)在试验涉及的孔洞直径范围内,冲击载荷下完整与孔洞煤样动态应力–应变过程均呈现微裂隙压密阶段、弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段。同一冲击气压下,随孔径增大,煤样动态抗压强度、动态峰值应变均降低;孔径由0增大至8 mm时,煤样动态抗压强度和峰值应变下降出现快–慢分区特征。与完整煤样以拉伸裂纹破坏为主不同,孔洞煤样主要以拉伸裂纹–剪切裂纹复合破坏为主,且随着孔径增加,试件内部裂纹扩展能力变弱。(2)揭示了冲击载荷下孔洞煤样的能量耗散规律：孔洞煤样透射能、吸收能与孔径呈负相关,反射能与孔径呈正相关,这主要由孔洞改变试件过波面积造成。随孔径增大,煤样过波面积降低,其吸收能和透射能随之降低,与冲击载荷下孔洞煤样破碎度与孔径负相关结论相一致。研究成果有利于明晰冲击地...     

岩石准静态和动态冲击试验及尺寸效应研究

为了研究尺寸效应对材料力学性能的影响,利用MTS(材料试验系统)和SHPB(分离式霍普金森压杆)试验装置,对不同长径比石灰岩试件进行了准静态和动态冲击压缩试验.试验结果表明:准静态加载条件下,岩石试件的强度随长径比的增大而减小;而动态冲击条件下,试件长径比对强度的影响存在一个临界值.长径比低于临界值,强度随长径比的增大而减小;长径比高于临界值,强度随长径比的增大而增大.对于高于临界长径比的岩石试件,存在临界加载速度,低于临界加载速度,静态尺寸效应占主导地位;高于临界加载速度,动态尺寸效应占主导地位.     

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。     

岩石冲击破碎块度分形与能量耗散特征研究

为研究冲击荷载作用下岩石能量吸收与破碎分形特征,应用霍普金森试验系统对0.6、0.8、1.0、1.2、1.4长径比花岗岩进行动态冲击试验,分析了应变率效应和尺寸效应对花岗岩试件的破碎能耗和破坏形态的影响;在考虑时间因素的基础上,提出一种新的能时密度指标来评价能量耗散,结合分形维数计算与能时密度分析,研究岩石在冲击过程中的能时密度与分形特征。结果表明：0.6 ~ 1.4长径比花岗岩试件的应变率和能时密度均符合乘幂关系,同种长径比试件的能时密度随应变率增大呈递增趋势;在48.8 ~124.2 s_^-1应变率区间内,分形维数随应变率增加显著增大;花岗岩试件在动荷载下的能时密度和分形维数符合乘幂关系,单位时间内岩石吸收能量越多,分形特征就越明显;引用能时密度结合岩石破碎块度的分形维数计算,能够定量研究岩石单位时间内的能量吸收规律。     

不同轴向静压下硬岩受频繁动力冲击作用下的力学特性研究

为了研究在不同轴向静压条件下硬岩受频繁动力冲击作用下的力学特性,对取自冬瓜山铜矿深部(900m)的矽卡岩试样进行动力冲击试验。试验结果表明:轴向静压对岩石累积冲击次数影响显著,累积冲击次数与轴向静压呈二次函数下降关系。随着冲击次数的增加,弹模整体呈下降趋势,不同轴向静压下,弹模随冲击次数表现出不同的变化特征;随着冲击次数的增加,峰值应力整体呈降低趋势,轴向静压对峰值应力的影响显著。不同轴向静压下,试样随冲击次数表现出不同的能量耗散规律,当轴向静压为75MPa时,试样出现了吸收能量的现象;当轴向静压为85 MPa和100 MPa时,试样在冲击作用下始终为释放能量,说明在高应力作用下,储存在试样内部的弹性应变能已经能够完全提供试样发生破坏所需要的能量,此时,岩石在动力扰动的诱导作用下极易发生破坏。这一现象为揭示深井开采过程中的岩爆发生机制提供了依据。     

岩石剪切带单轴压缩应变软化影响因素研究

岩石属于准脆性材料,在单轴压缩的条件下的应力先是随着应变的增加而增加,当应力达到最大值时,应力开始下降,试件呈现应变软化行为。为研究岩石试件单轴压缩时应力-应变软化段的影响因素,基于位移法得到岩石试件单轴压缩时应力-应变曲线软化段的斜率的解析式,并利用FLAC2D软件针对不同剪切带与主应力的方向的夹角α和不同高宽比的岩石试件进行单轴加载数值模拟结果分析并对解析式进行结果验证。     

煤矿高浓度胶结充填体能量演化特征试验研究

为了研究煤矿高浓度胶结充填体的能量演化特征,借助RTR-2000高压岩石三轴动态测试系统开展了高浓度胶结充填体不同围压下的常规三轴压缩试验,分析了试件变形破坏过程中的应变能演化规律及围压效应。研究结果表明:(1)对于围压不为0的试件,峰值强度对应的耗散应变能占吸收应变能的比例超过70 %,试件在达到峰值强度前已经发生剧烈的塑性变形和破坏;(2)试件变形破坏过程中,吸收应变能快速增加,弹性应变能先积累后释放,峰值强度时达到储能极限,耗散应变能自屈服变形阶段开始快速增长;(3)相同轴向应变条件下,围压越大,试件的吸收应变能、弹性应变能越大,高围压试件的耗散应变能随轴向应变的增加将超过低围压试件的耗散应变能,围压可以大幅改善试件的应力水平,限制试件的径向变形,提高试件的储能能力,抑制试件的变形破坏。     

无烟煤在冲击载荷下破坏模式与强度特性

大直径单轴分离式霍普金森压杆试验表明：无烟煤在冲击载荷作用下,存在一个门槛速度4.3 m/s。这个门槛值为提高无烟煤块率,进行生产系统、储运系统改造优化等方面提供了可参考数量依据。根据试验曲线的特征,无烟煤具有显著的应变软化和应变硬化特征,初始弹性模量、屈服强度与极限强度都随着应变率的增加而提高,屈服强度最为显著。无烟煤在冲击载荷作用下破坏分为4种类型：压剪破坏、拉应力破坏、张应变破坏和卸载破坏,并以拉应力破坏、张应变破坏和卸载破坏为主要破坏形式。     

不同配比全尾砂胶结充填体的动态损伤特性

为得到不同配比下某铜矿尾砂胶结充填体的动力学特性及损伤度,对灰砂比分别为1:4、1:6、1:8和1:10,质量浓度为72％的充填体试件开展了相似加载应变率下的常规单轴冲击试验.结果表明:1)加载应变率为30 s-1,灰砂比为1:4和1:6的试件内部胶结力较强,受到冲击荷载后残余强度较高,仅在边缘处出现少量层状剥落,相同...     

轴压和循环冲击次数对砂岩动态力学特性的影响

利用岩石动静组合加载SHPB试验装置,研究不同轴压的岩石在循环冲击过程中动态强度和变形特性。首先,对具有不同轴压的岩石进行循环冲击;进而考察了在循环冲击过程中岩石的典型动态应力-应变曲线;最后,研究轴压和循环冲击次数对岩石动态强度和变形特性的影响。研究结果表明：随着循环冲击次数的增加,加载段和第2卸载段的变形模量、峰值应力、恢复的应变与峰值应变之比和恢复的应力与临界卸载应力之比值逐渐降低;平均应变率、峰值应变、第1卸载段的变形模量以及单位体积吸收能逐渐增大。当轴压为其单轴抗压强度的22%,51%和65%时,岩石对外部冲击载荷的抵抗能力与冲击次数间的关系整体上呈现“平缓发展-急剧下降”,当轴压为0或为其单轴抗压强度的87%时,岩石抵抗冲击的能力随冲击次数的增加基本呈现匀速降低的趋势。当轴压为其单轴抗压强度的22%时,抵抗外部循环冲击载荷的能力最高。     

含倾角结构面的胶结充填体动态力学特性研究北大核心

为探求充填过程中多次充填产生不同倾角充填面对充填体产生的影响,制备含不同倾角结构面的胶结充填体(CTB)试件以及完整试件,并采用分离式霍普金森压杆(SHPB),对CTB试件进行单次与循环冲击破坏试验。试验得出:在单次冲击试验中,完整试件峰值应变和平均应变率小于含结构面倾角的试件,随着试件倾角的增加,试件的动态抗压强度逐渐降低;含结构面倾角试件表现出两种不同的应力-应变曲线特征。循环冲击试验下,结构面倾角越大试件抵抗冲击的能力越弱;含结构面倾角试件在第一次循环冲击下的应力-应变曲线与完整试件特征一致,而当循环次数增加时,应力-应变曲线特征与单次冲击下类似,在达到动态峰值应力前后,出现了显著的低应力波峰现象。随着结构面倾角的增加,充填体基体之间结构的致密性降低,导致结构面上裂纹数量的增多以及裂纹宽度的扩大,在微观结构上验证了结构面倾角的增加会引起结构面处剪应力的增大及充填体破坏模式发生改变,同时充填体容易沿着结构面处发生断裂。     

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。