瓦斯赋存对煤体动态力学特性影响的实验研究

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处于高瓦斯赋存状态下的煤体在采掘动力扰动作用下发生的剧烈损伤破坏是矿井煤与瓦斯动力灾害的本质描述。由于地下煤炭资源开采深度的增加以致大埋深煤层煤岩体内瓦斯富含状态日益严重,瓦斯的存在使含瓦斯煤岩动态力学特性与无瓦斯赋存状态下截然不同,因此通过冲击动力学实验科学认识含瓦斯煤岩动态力学特性对指导矿井安全生产具有重要意义,也是当前煤岩力学领域亟待开展的工作。本文选取淮南矿区谢桥矿11426工作面原煤煤样为例,采用含瓦斯煤动态力学特性实验与断裂力学理论分析相结合,开展瓦斯赋存对煤体动态力学特性影响的研究。论文的研究内容和成果有如下几个方面:(1)利用含瓦斯煤动力扰动SHPB装置开展不同瓦斯压力下(OMPa、0.5MPa、1MPa、1.5MPa)含瓦斯煤SHPB冲击实验。实验结果表明:随着气压的增大,透射波逐渐减小,反射波逐渐增大;随着气压的增大,煤样平均动态强度、割线模量、能量利用率降低,动态应力增长因子提高,小尺寸碎片百分比重增加。(2)由断裂力学理论和有效应力叠加原理建立了考虑瓦斯压力的应力强度因子数学模型,通过给定常量的算例分析得出:张开型裂纹I型应力强度因子随瓦斯压力、瓦斯解吸率的增大而增大,裂纹倾角的增大而减小;张开型裂纹Ⅱ型应力强度因子与瓦斯解吸系数和瓦斯赋存压力无关;随瓦斯压力的增加,裂纹起裂角、起裂强度减小。含瓦斯煤断裂力学理论分析验证了实验结果的正确性,理论分析为认识瓦斯赋存如何改变煤体动态力学特性提供了基本理论依据,为深部含瓦斯煤层快速推采及灾害防治提供一定理论基础。
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