沖擊載荷下松軟煤力學(xué)特性及對煤與瓦斯突出的影響.pdf

1、隨著煤炭開采向深部延伸，沖擊地壓、煤與瓦斯突出等煤巖動力災(zāi)害日趨嚴(yán)重，如何預(yù)防和減少災(zāi)害發(fā)生，保證煤炭開采安全、合理、高效顯得更為迫切。根據(jù)對材料力學(xué)性能的研究發(fā)現(xiàn)，材料在靜載與動載破壞時往往表現(xiàn)出不同的破壞形式和力學(xué)特征。現(xiàn)有文獻(xiàn)對煤的力學(xué)特性的研究以準(zhǔn)靜態(tài)居多，但專門針對煤動態(tài)特性的研究較少，國內(nèi)僅有幾位學(xué)者對無煙煤在單軸沖擊作用下的力學(xué)特性進(jìn)行了少量研究。
　　本論文以潘謝煤田13-1煤層氣煤為主要研究對象，選取軟硬程度不同

2、的原煤制作成實體煤和型煤兩種不同的煤樣試件，進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)實驗和單軸沖擊壓縮實驗。采用實驗室實驗研究、理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場案例比對相結(jié)合的方法，對其動態(tài)力學(xué)特性、本構(gòu)關(guān)系以及沖擊破壞過程中的能量耗散規(guī)律進(jìn)行了研究，并探索了動載荷對煤與瓦斯突出的影響。論文主要完成以下工作:
　　采用分離式霍普金森壓桿實驗裝置對兩組試件進(jìn)行了不同應(yīng)變率條件下的單軸沖擊壓縮實驗（以下簡稱SHPB實驗），采集實驗波形，并利用三波法進(jìn)行分析處理，得到了

3、兩種煤樣在不同應(yīng)變率條件下的動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線和相關(guān)的動力學(xué)參數(shù)。實驗結(jié)果分析表明:兩種煤樣在沖擊載荷作用下的變形過程可概括為初始非線性階段、屈服階段、應(yīng)變強化階段和卸載破壞階段四個階段;煤體的動態(tài)強度、峰值應(yīng)變、動態(tài)彈性模量等均具有顯著的應(yīng)變率相關(guān)性，表現(xiàn)出顯著的應(yīng)變硬化和應(yīng)變率強化等動態(tài)力學(xué)特性。通過動、靜態(tài)實驗對比，得到了兩種煤的動態(tài)應(yīng)力增長因子DIF和動態(tài)應(yīng)變增長因子DEIF，發(fā)現(xiàn)型煤的應(yīng)變率強化效應(yīng)較實體煤更為明顯。
　　

4、對兩種煤樣在沖擊載荷下變形特征分析的基礎(chǔ)上，參考前人對巖石類材料和無煙煤本構(gòu)關(guān)系的研究成果，根據(jù)粘彈性理論和損傷力學(xué)理論，對朱-王-唐模型本構(gòu)方程進(jìn)行了合理的簡化，并引入一個依賴應(yīng)變率和應(yīng)變的損傷量，構(gòu)建了適用于氣煤的包含損傷效應(yīng)和應(yīng)變率效應(yīng)的、能夠較好地反映其峰值應(yīng)力前應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的動態(tài)本構(gòu)方程。結(jié)合SHPB實驗數(shù)據(jù)，對本構(gòu)方程的未知參數(shù)進(jìn)行了擬合，得了到相應(yīng)的再生動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。擬合結(jié)果表明:再生動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線與實驗曲線能夠較

5、好地吻合，煤體材料具有高應(yīng)變率響應(yīng)敏感性，且在高應(yīng)變率條件下氣煤比無煙煤表征更明顯的脆性特征。
　　依照已建立的煤體動態(tài)本構(gòu)方程，采用Fortran語言開發(fā)了VUMAT煤體材料子程序，同時結(jié)合有限元軟件ABAQUS中的用戶材料接口，將煤體動態(tài)本構(gòu)方程進(jìn)行嵌入，對不同應(yīng)變率條件下煤體的動態(tài)力學(xué)行為進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明，該子程序能較好地模擬煤體在沖擊載荷下的動態(tài)力學(xué)性能。
　　論文在準(zhǔn)靜態(tài)實驗和SHPB實驗的基礎(chǔ)上，分別計算

6、得出了兩種煤樣在不同應(yīng)變率條件下破碎功密度、總吸收能密度等，并進(jìn)行了應(yīng)變率相關(guān)性分析。結(jié)果表明:兩種煤樣的破碎吸收能量密度均隨應(yīng)變率的增大而指數(shù)提高，與準(zhǔn)靜態(tài)加載相比，型煤的能量密度提高更快，應(yīng)變率效應(yīng)更為顯著。同時，采用0.5mm、1mm、10mm、20mm和30mm煤樣篩對實驗碎塊進(jìn)行了塊度分形研究，結(jié)果表明:隨著應(yīng)變率的提高，碎塊分形維數(shù)增大，試件破碎程度加劇，碎塊粒徑越小，分形維數(shù)與應(yīng)變率之間呈對數(shù)增長關(guān)系;碎塊的平均粒徑與應(yīng)變

7、率之間基本滿足負(fù)指數(shù)關(guān)系，說明使碎塊進(jìn)一步破碎，所需的能量越大。
　　將已構(gòu)建的煤體動態(tài)本構(gòu)方程嵌入大型有限元分析軟件，分別對峰值荷載Pmax=30MPa、50MPa、70MPa三種強度動荷載作用下的煤體損傷進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)合煤與瓦斯突出過程的能量分析和現(xiàn)場案例解析，將突出過程分為臨界突出和突出兩個不同階段，并提出了一個達(dá)到臨界突出的煤體最小破壞能量標(biāo)準(zhǔn)范圍(5～10)×104J/m3。通過數(shù)值分析，有效地研究了不同沖擊荷載作用

8、下煤體劈裂裂紋演化的過程。結(jié)果表明，煤體在動荷載作用下出現(xiàn)間隔劈裂的結(jié)構(gòu)，具有兩種劈裂損傷形式:強拉伸應(yīng)力為主導(dǎo)的“躍升式”損傷和拉剪-壓剪損傷累積為主導(dǎo)的“階梯式”損傷。
　　綜合分析可知，煤與瓦斯突出是由瓦斯膨脹能和突加載荷（如采掘、放炮、構(gòu)造應(yīng)力、圍巖應(yīng)力等）輸入能共同作用引起的。在某些低瓦斯、高應(yīng)力或者強擾動條件下，突加載荷可以通過兩種損傷方式造成煤體臨界破壞，從而成為導(dǎo)致煤與瓦斯突出發(fā)生的主要動力。
　　研究成果可