煤巖在沖擊荷載下破壞方式的數(shù)值模擬研究.pdf

1、我國的煤炭儲量豐富，但是由于其成煤特性和生產(chǎn)工藝（包括綜采、機運和轉(zhuǎn)載等）的影響，原煤到達用戶時較為破碎，成塊率低，嚴(yán)重制約了煤炭的使用價值，而且在開采過程中常伴有煤與瓦斯突出、沖擊地壓等動力災(zāi)害，直接關(guān)系到煤礦的安全生產(chǎn)和人員的生命安全。煤巖不僅作為開采的對象，而且也是沖擊地壓等動力災(zāi)害最直接、最脆弱的受體，所以不管是為提高煤巖的成塊率，還是從煤礦動力災(zāi)害的治理的方面來講，研究動載下煤巖的動態(tài)力學(xué)性能都具有重要的實際意義。本文以計算動

2、力學(xué)為理論基礎(chǔ)，以淮南潘謝煤礦13-1煤層煤巖為研究對象，研究了煤巖試樣在碰撞沖擊荷載下的動態(tài)響應(yīng)、破壞模式，并且對復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下煤巖的動態(tài)力學(xué)性能進行了數(shù)值模擬研究。主要內(nèi)容如下:
　　1)利用φ75mm帶有高速攝像的霍普金森壓桿(SHPB)實驗裝置，研究了不同撞擊速度下煤巖的應(yīng)變率效應(yīng)及其破壞的方式，從細(xì)觀角度分析了裂紋產(chǎn)生和擴展的過程。
　　2)介紹了沖擊動力學(xué)問題的數(shù)值方法實現(xiàn)的過程，并以彈性桿撞擊為例，選取了幾個特

3、征參量，對比分析了解析解和數(shù)值模擬結(jié)果的有效性和計算的精度，驗證LS-DYNA程序求解沖擊動力學(xué)問題的適用性。
　　3)對HJC模型進行了詳細(xì)的說明，通過煤巖的靜態(tài)壓縮實驗、拉伸實驗、Hopkinson壓桿實驗，結(jié)合煤巖三軸實驗、Hugoniot實驗的文獻數(shù)據(jù)，確定了煤巖HJC本構(gòu)模型參數(shù)的取值，將HJC本構(gòu)模型推廣到煤巖材料，并且對關(guān)鍵參數(shù)的敏感性進行了研究。結(jié)果表明:該模型能夠在一定程度上反映煤巖在沖擊荷載下的應(yīng)變率效應(yīng)和應(yīng)變

4、軟化性質(zhì)，基本可以反映煤巖在沖擊荷載下的力學(xué)行為，可供工程設(shè)計與分析參考。
　　4)建立了煤巖SHPB實驗數(shù)值模型，驗證了試件的應(yīng)力均勻性，對煤樣的動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線、破壞形態(tài)與實驗結(jié)果進行了對比，分析了煤巖破壞過程中裂紋擴展的規(guī)律及能量耗散特性。
　　5)對被動圍壓下煤巖SHPB實驗進行了數(shù)值模擬研究，分析了圍壓對動態(tài)強度、延性以及煤巖破壞方式的影響;推導(dǎo)了應(yīng)力波理論在一維動靜組合加載中的適用性，通過ansys/ls-dyn