本文選題：沖擊載荷 + 動態(tài)力學(xué)特性�。� 參考：《安徽理工大學(xué)》2015年博士論文

【摘要】：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(shí)往往表現(xiàn)出不同的破壞形式和力學(xué)特征�，F(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,選取軟硬程度不同的原煤制作成實(shí)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(shí)驗(yàn)和單軸沖擊壓縮實(shí)驗(yàn)。采用實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)(以下簡稱SHPB實(shí)驗(yàn)),采集實(shí)驗(yàn)波形,并利用三波法進(jìn)行分析處理,得到了兩種煤樣在不同應(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(shí)驗(yàn)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(qiáng)化階段和卸載破壞階段四個(gè)階段；煤體的動態(tài)強(qiáng)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(qiáng)化等動態(tài)力學(xué)特性。通過動、靜態(tài)實(shí)驗(yàn)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(qiáng)化效應(yīng)較實(shí)體煤更為明顯。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(gè)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)曲線能夠較好地吻合,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(shí)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(shí)驗(yàn)和SHPB實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,分別計(jì)算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(shí),采用0.5mm、 1mm、10mm、 20mm 和 30mm煤樣篩對實(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(gè)不同階段,并提出了一個(gè)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(qiáng)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(qiáng)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?jiǎng)恿�。研究成果可以進(jìn)一步認(rèn)識深部開采過程中,低瓦斯、高應(yīng)力、強(qiáng)擾動條件下的瓦斯動力現(xiàn)象發(fā)生的機(jī)理,為防治礦山爆破、采掘等引起的動力災(zāi)害事故提供了理論依據(jù)。
[Abstract]:With the extension of coal mining to the deep, rock burst and coal and gas outburst, coal and rock dynamic disasters are becoming more and more serious. How to prevent and reduce the occurrence of disasters and ensure the safety, rationality and efficiency of coal mining is more urgent. According to the study of the mechanical properties of materials, the material often shows different damage forms in the static and dynamic load damage. The research on mechanical properties of coal is mostly quasi-static, but the research on dynamic characteristics of coal is less. Only a few scholars have studied the mechanical properties of anthracite under Uniaxial Impact in China. In this paper, the 13-1 coal seam gas coal in Pan Xie coalfield is the main research object, and the soft and hard work is selected. Two different coal samples of different degree coal are made into solid coal and briquette sample, and the quasi static mechanical experiment and single axis impact compression test are carried out. The method of laboratory experiment, theoretical analysis, numerical simulation and case comparison is combined, and the dynamic mechanics, constitutive relation and energy in the process of impact failure are used. The dissipative law is studied and the influence of dynamic load on coal and gas outburst is explored. The following work is completed in this paper: a single axis impact compression test under the conditions of different strain rate (SHPB experiment) is carried out with a separate Hopkinson pressure bar experimental device. The experimental waveform is collected and the three wave method is used. The dynamic stress-strain curves and related dynamic parameters of two kinds of coal samples under different strain rate conditions are obtained by line analysis. The experimental results show that the deformation process of the two kinds of coal samples under the impact load can be summarized as the initial nonlinear stage, the yield stage, the stress-strain stage and the unloading failure stage in four stages. The dynamic strength, peak strain and dynamic elastic modulus of coal have significant strain rate correlation, showing significant dynamic mechanical properties such as strain hardening and strain rate strengthening. Through dynamic and static experiments, the dynamic stress growth factor DIF and dynamic strain growth factor DEIF of two kinds of coal are obtained, and the strain rate of briquette is strong. On the basis of the analysis of the deformation characteristics of two kinds of coal samples under the impact load, on the basis of the previous research results on the constitutive relation of rock materials and anthracite, according to the viscoelastic theory and the theory of damage mechanics, the constitutive equation of Zhu Wang Tang model is reasonably simplified, and a dependent strain rate is introduced. The damage effect and strain rate of the gas coal are constructed, which can reflect the dynamic constitutive equation of the stress-strain relationship before the peak stress. Combined with the SHPB experimental data, the unknown parameters of the constitutive equation are fitted, and the corresponding regenerated dynamic stress-strain curve is obtained. It is shown that the dynamic stress-strain curve of the regeneration is in good agreement with the experimental curve. The coal material has the sensitivity to the response of high strain rate, and the characteristics of the gas coal are more obvious than the anthracite under the high strain rate. According to the established dynamic constitutive equation of the coal body, the subprogram of the VUMAT coal material is developed by Fortran language. In conjunction with the user material interface in the finite element software ABAQUS, the dynamic constitutive equation of the coal body is embedded and the dynamic mechanical behavior of the coal body under different strain rates is simulated. The results show that the subprogram can better simulate the dynamic mechanical properties of the coal under the impact load. The paper is in the quasi static experiment and the SHPB experiment. On the basis of this, the work density and total absorption density of two kinds of coal samples under different strain rates were calculated, and the correlation analysis of strain rate was carried out. The results showed that the energy density of the two kinds of coal samples increased exponentially with the increase of the strain rate, and the energy density of the briquette increased more than that of the quasi-static loading. Fast, the strain rate effect is more significant. At the same time, the fractal dimension of 0.5mm, 1mm, 10mm, 20mm and 30mm coal samples is studied. The results show that the fractal dimension of the fragment increases with the increase of the strain rate, the fragmentation degree increases, the particle size is smaller, the fractal dimension and the strain rate are logarithmic growth relations; the fragments are broken. The relationship between the average particle size and the strain rate basically satisfies the negative exponential relation, indicating that the broken blocks are further broken and the energy required is greater. The coal body dynamic constitutive equations which have been constructed are embedded in the large finite element analysis software, and the numerical simulation of the coal body damage under three kinds of dynamic load loading of the peak load Pmax=30MPa, 50MPa and 70MPa is carried out respectively. The energy analysis and field case analysis of coal and gas outburst process are divided into two different stages of critical outburst and outburst, and a standard range of minimum failure energy of coal body (5-10) * 104J/m3. to reach critical outburst is proposed. Through numerical analysis, the splitting crack of coal under different impact loads is effectively studied. The process of evolution shows that the structure of the split split of the coal body under the action of dynamic load has two types of splitting damage: the "jump type" and the accumulation of shear and shear damage leading by the strong tensile stress and the leading "ladder type" damage. Load (such as mining, blasting, tectonic stress, surrounding rock stress, etc.) can be caused by the joint action. Under some low gas, high stress or strong disturbance conditions, the sudden loading can cause the critical failure of coal through two kinds of damage methods, thus becoming the main motive force of coal and gas outburst. The research results can further understand the deep part. In the process of mining, the mechanism of gas dynamic phenomenon occurring under the conditions of low gas, high stress and strong disturbance provides a theoretical basis for the prevention and control of dynamic disasters caused by mine blasting and mining.
【學(xué)位授予單位】：安徽理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TD713

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本文編號：1938238