冲击荷载对高阶煤微纳观孔隙结构影响及其作用机理研究

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为了研究冲击荷载对高阶煤微纳观孔隙结构的影响,利用霍普金森冲击试验系统(SHPB)模拟不同冲击荷载对各向异性煤体不同取芯方向煤样实施冲击加载,对比冲击前后煤样压汞、低温液氮及扫描电镜测试数据,结合分形及位错理论,获得了冲击荷载对高阶煤微纳观孔隙结构的影响规律及作用机理,主要成果如下:(1)研究了受载前后高阶煤的力学特征差异及冲击损伤特性。受冲击煤样应力-应变曲线,在达到应力峰值前存在类似钢材的强化变形过程,应力峰值后应力-应变曲线存在明显的应变硬化阶段,具有应力平台,表现出明显的塑性特性;未受载煤样只表现出明显的脆性特性。在冲击荷载作用下,煤样峰值压力值,垂直层理方向最大,平行层理方向次之,45°斜交层理方向最小;冲击损伤值,45°斜交层理方向最大,平行层理方向次之,垂直层理方向最小。(2)揭示了冲击荷载对高阶煤微纳观孔隙结构的影响规律。冲击荷载总体上增加了孔容及孔径,减小了比表面积,均化了微小孔及中大孔比例结构,改变了孔径结构配置;受载后孔隙结构具有明显的冲击方向相异性,垂直层理方向和斜交层理方向以增加中孔和大孔为主,平行层理方向以增加中孔和小孔为主。冲击荷载改变了煤体孔隙形貌及孔径分布,增大了孔隙直径及孔深,增强了孔隙连通性;微观孔隙的面孔率和圆度随冲击荷载增加呈先增加后减小的波动变化态势,但总体上冲击后的面孔率及圆度值大于冲击前。(3)分析了冲击荷载对高阶煤微观孔隙的分形特征。随冲击荷载增加煤体微观孔隙的分形维数呈先减小后增大的变化特征,冲击后煤体微观孔隙的分形维数总体小于冲击前,表明冲击荷载能够改变煤体内部孔隙结构,降低孔隙表面粗糙度,减小孔壁摩阻力,有利于提高瓦斯渗流与运移速度。同一方向、同一冲击荷载吸附孔分形维数变化率始终大于渗流孔,表明相对冲击荷载提高瓦斯渗流与运移速度来说,冲击荷载更能够较大程度的促进瓦斯的解吸。(4)提出了冲击荷载对煤体微纳观孔隙结构的两种冲击破坏模式。基于冲击荷载对高阶煤微纳观孔隙结构的影响规律,将冲击荷载对高阶煤微纳观孔隙的破坏模式分为两种,一种是始于微晶结构、基于位错塞积效应的破坏模式;另一种是始于宏观孔裂隙、基于煤基质破碎的破坏模式。(5)阐释了冲击荷载对高阶煤微纳观孔隙结构的作用机理。当煤体受到冲击荷载作用时,冲击能量首先会在微晶结构的原始位错处激活位错源,促使位错成核,导致位错塞积,致使微观孔洞成核,当对应滑移系上的位错对进入孔洞以后,就会实现孔洞长大与聚合,也会在孔洞长大与聚合过程中形成应力集中效应,此时的集中应力就会破坏微观孔隙,最终导致煤体微观孔隙结构参数的变化。本文图79幅,表22个,参考文献265篇。
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