动静载与温度耦合作用下煤岩动力学特征及损伤机理研究

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随煤矿采深加大,地应力和地温逐渐增高,动静载荷与温度对煤岩体力学性质及稳定性影响越来越显著,深部煤炭资源开采过程中冲击地压危险性日趋严重,其发生、演化过程与煤岩体动力学性质及破坏过程密切相关。目前针对动静载与温度耦合作用下煤岩体冲击破坏动力学方面缺乏深入研究,动静载与温度耦合作用下煤岩体冲击动力学特征规律与损伤破坏机理不清。本文采用实验室实验、理论分析、数值模拟等方法,研究动静载与温度耦合作用下煤岩动力学响应特征,分析煤岩应力场、应变场及位移场时空分布特性,建立动静载与温度耦合作用下煤岩冲击动力学本构模型,揭示动静载与温度耦合作用下煤岩冲击失稳破坏损伤机制。主要研究工作及结论如下:建立了动静载与温度耦合作用一体化霍普金森压杆实验系统,开展了常温~100oC条件下煤岩冲击动力学实验,揭示了煤岩在不同温度、轴向静载、动载强度与温度作用时间条件下应力、应变规律及不同温度条件下煤岩能量耗散特征。结果表明:细砂岩动态峰值应力与温度、轴向静载、动载强度呈正相关性;细砂岩的动态峰值应力与温度作用时间呈负相关性。煤样的动态峰值应力与轴向静载、动载强度呈正相关性;煤样的动态峰值应力与温度、温度作用时间呈负相关性。煤岩冲击破坏过程中入射能、反射能、透射能、耗散能随动载作用时间呈现先持续上升至一稳定值后保持相对稳定的趋势;随着温度的增加,细砂岩的入射能、反射能、耗散能的稳定峰值呈现先降低后升高的特性;而煤样的入射能、反射能、耗散能呈现先降低后升高再降低的规律。基于近似模型方法,建立了多因素条件下煤岩动态应力响应的近似逼近模型,研究了单一因素(温度、轴向静载、动载强度、温度作用时间)与耦合因素(温度与轴向静载、温度与动载强度、温度与温度作用时间、轴向静载与动载强度、轴向静载与温度作用时间、动载强度与温度作用时间)对于煤岩动态峰值应力的影响。在常温~100oC条件下,细砂岩动态峰值应力影响因素的影响程度从大到小依次为动载强度、动载强度耦合因子、轴向静载、温度作用时间、温度;煤样动态峰值应力影响因素的影响程度从大到小依次为动载强度、轴向静载、轴向静载耦合因子、温度、温度作用时间。应用数字图像分析和数值模拟方法,研究了煤岩在温度与动静载耦合作用下应力场、位移场的时空分布特征,并计算了试样表面水平、垂直裂纹的扩展速度。细砂岩与煤样表面应变随动载应力的增加而增加,在应力波传播方向存在应变区划现象,表面位移加速度呈带状分布。在时间上,煤岩试样端面应力及其内部应力表征出应力振荡,呈现多峰现象;在空间上,细砂岩在其中心及边缘出现高应力,煤样中心区域应力高于边缘区域。煤岩试样不同位置单元位移在时空上存在交叉,产生位错。细砂岩表面水平裂纹扩展速度在42.10~88.16m/s之间,煤样表面水平裂纹扩展速度在11.13~87.87m/s之间。研究了动静载与温度耦合作用下煤岩断口微观形貌特征和矿物组分特性,揭示了动静载与温度耦合作用下煤岩损伤破裂的微观机制,建立了煤岩损伤过程裂纹组扩展模型,得到了温度与动静载耦合作用下煤岩损伤动态应力强度因子判断准则。煤岩冲击破坏过程均为脆性破坏,细砂岩呈X型共轭剪切破坏,断口存在明显解理台阶与解理平面;煤样呈层状破坏,断口以河流状花样为主。基于损伤力学等理论,建立了动静载与温度耦合作用下煤岩体损伤本构模型,确定了模型参数。以某矿2233工作面地质条件与采场结构为基础,实验研究了温度对煤岩层力学、应力波波速及煤岩冲击倾向性指标值等参数的影响,通过建立常温、温度范围(33~43oC)两种工况条件下工作面采场数值模拟模型,确定了冲击地压发生前工作面的应力与塑性区分布特征。结果表明:随着温度的升高,煤岩试样的密度及应力波波速有不同程度的下降;煤样的冲击倾向性指标值下降;在数值模拟分析中,表现为工作面最大垂直应力集中系数增加,工作面塑性区域影响范围扩大。本文研究成果对于进一步揭示动静载与温度耦合作用下煤岩体的动力学损伤机制,促进冲击地压灾害防治技术的发展具有重要的理论意义和实践价值。该论文有图109幅,表23个,参考文献191篇。
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