温度与加载速率影响下的煤岩力学行为及强度特性研究

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在地下资源实际开采工程中,煤岩体常常受到高温、次生应力、构造应力、推进速度、采掘扰动等因素的影响,时常发生冲击矿压、底板突出、顶板冒落等动力灾害。通过试验的方式对动载荷下岩石力学行为的研究是目前最常用的措施。本文拟对高温、围压、静、动力加载下的岩样进行试验研究,并对其加载全过程所表现出的动态力学行为、分形破坏特征和能量演化规律进行分析研究。在此基础上,基于分形理论、弹性力学、损伤力学理论对不同冲击载荷下岩样的破碎烈度进行分析,拟重新构建考虑温度作用下的岩石动态损伤本构方程。且基于岩石材料变形、破裂全过程中的能量演化规律建立新的强度准则。(1)利用MTS815电液伺服试验机对煤样进行不同围压、不同加载速率下的三轴压缩试验。结果表明,煤的峰值强度随加载速率的增大而增大,随围压增大而增大。在围压一定的情况下,峰值应变随加载速率的增大而增大,且施加的围压越高,峰值应变增长的幅度越快。通过分析煤岩三轴压缩试验的能量密度曲线,发现围压对在峰值强度处耗散能所占比例的影响要远远大于加载速率作用的影响。结合岩石的破坏模式图,发现在围压一定时,加载速率越大,试样破坏程度也越严重。(2)对煤和红砂岩进行了单轴条件下的不同加载应变率的冲击试验,发现煤和红砂岩的峰值强度随着加载应变率的增高呈现平稳上升的趋势,说明煤和红砂岩具有明显的应变率效应,在同一冲击气压下,煤的应变率要高于红砂岩的应变率,煤和红砂岩的分形维数均表现出随着加载应变率的增加而增加的现象,并且红砂岩的分形维数对应变率的敏感度要高于煤的分形维数对于应变率的敏感度。煤的耗散能占比随冲击气压(或者说加载应变率)增加呈现先增加后稳定的趋势,红砂岩的耗散能占比随冲击气压增加一直呈现增加的趋势。在较低加载应变率下,岩石的破坏方式为沿一条直径的劈裂破坏,高应变率下,岩石以剪切破坏为主,破碎成众多的小颗粒。(3)对煤进行了围压条件下的冲击压缩试验,发现随着冲击气压的增大、围压的增加,煤的动态抗压强度越高,其中冲击载荷的影响要高于围压的影响。在三轴冲击压缩试验中,煤样仍旧保持相对完整的样子,以边边角角的小地方破坏以及整体出现浅裂缝为主,极少出现大裂缝的交汇贯穿。综合来看,随着围压的增加破坏程度逐渐减小,随着冲击气压增加,破坏程度逐渐增加。(4)对煤和红砂岩进行了高温下的单轴冲击压缩试验,通过分析试验所得数据发现煤的动态抗压强度和弹性模量随温度升高呈现逐渐降低的趋势,红砂岩的动态抗压强度和弹性模量呈现随温度升高呈现先增加后降低的趋势。煤的破碎程度随温度升高加剧,分形维数随温度升高呈现逐渐增加的趋势,红砂岩的破碎程度在温度从100℃升至300℃时,破碎程度逐渐减弱,在300~700℃时,破碎程度随温度升高而加剧。(5)基于损伤力学理论,考虑温度的影响,对朱-王-唐本构模型进行了简化和修正,并利用此模型将试验数据与计算结果进行了对比,发现其对煤在冲击荷载作用下的适用性较好,而对红砂岩的适用性要稍差一些。(6)基于以上试验结果,对岩样在复杂环境下的冲击加载变形破坏全过程中的弹性变形能、耗散能演化规律进行了研究,研究岩石破坏过程中能量转换以及应变率之间的关系,结合能量理论建立冲击载荷作用下的动态能量强度准则,该准则可以从能量角度判断岩石在冲击载荷作用下是否发生破坏。该论文共有图104幅,表17个,参考文献80篇。
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