含水煤樣動(dòng)靜組合加載力學(xué)響應(yīng)試驗(yàn)研究.pdf

1、沖擊地壓是影響煤礦安全生產(chǎn)的重大災(zāi)害之一。沖擊地壓的形成常以震源沖擊應(yīng)力波的方式通過(guò)煤巖介質(zhì)傳遞至采掘空間，造成沖擊地壓事故，煤層注水是沖擊地壓防治常用方法之一，靜載型沖擊地壓煤層注水使沖擊傾向性降低，但深部煤層常處于動(dòng)靜組合加載的應(yīng)力環(huán)境下，含水煤層的應(yīng)力波傳播衰減、強(qiáng)度、能量耗散的強(qiáng)弱機(jī)理尚不清楚，含水煤樣沖擊動(dòng)力響應(yīng)是沖擊地壓防治亟待解決的理論問(wèn)題。利用RMT-150C和改進(jìn)SHPB系統(tǒng)進(jìn)行了煤樣靜載、動(dòng)靜組合加載試驗(yàn)，探討了不同

2、含水煤樣的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度、失穩(wěn)破壞、應(yīng)力波衰減、能量耗散、損傷斷裂等特征，主要結(jié)論及認(rèn)識(shí)如下：
　?。?）采用RMT-150C伺服試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)自然、飽水3d、7d煤樣進(jìn)行單軸和三軸抗壓強(qiáng)度的靜載試驗(yàn)，單軸及三軸抗壓強(qiáng)度隨飽水時(shí)間增加而逐漸降低；三軸壓縮作用下自然和飽水7d煤樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰后差異較明顯，自然狀態(tài)煤樣峰后應(yīng)力跌落速度較快（脆性破壞特征），飽水7d煤樣峰后應(yīng)力跌落較為緩慢（塑性破壞特征）；基于微元強(qiáng)度服從Weibull分布

3、，建立了單軸壓縮含水煤樣的統(tǒng)計(jì)損傷本構(gòu)模型，并進(jìn)行驗(yàn)證。
　?。?）探討了異形沖頭法消除彌散效應(yīng)和應(yīng)力均勻問(wèn)題，確定煤樣動(dòng)態(tài)加載尺寸為?50mm×30mm；飽水后煤樣橫波傳播速度基本不變，縱波傳播速度增加明顯，應(yīng)力波衰減系數(shù)減??；利用改進(jìn)SHPB系統(tǒng)對(duì)自然、飽水3d、飽水7d煤樣分別進(jìn)行了一維動(dòng)靜組合加載試驗(yàn)，煤樣的動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征與靜載差異較大，煤樣動(dòng)態(tài)強(qiáng)度隨飽水時(shí)間增加逐漸降低，但彈性模量少量升高，動(dòng)態(tài)強(qiáng)度與彈性模量高于

4、靜載強(qiáng)度及彈性模量；針對(duì)預(yù)加靜載對(duì)煤樣裂隙發(fā)展影響，將煤樣裂隙分為裂隙壓縮穩(wěn)定階段、裂隙急劇擴(kuò)展階段、裂隙貫通階段；煤樣的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，軸向預(yù)靜載大于靜載強(qiáng)度的50％-52%（臨界靜載點(diǎn)）后，一維動(dòng)靜組合動(dòng)態(tài)強(qiáng)度開始下降。
　?。?）三維動(dòng)靜組合加載的相同圍壓不同軸壓試驗(yàn)中，軸向靜載在煤樣彈性范圍內(nèi)其動(dòng)態(tài)強(qiáng)度隨軸向靜載增加而增加，飽水7d煤樣的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度比自然狀態(tài)煤樣有不同程度的增高，與靜載、一維動(dòng)靜組合加載結(jié)果相

5、反；相同軸壓不同圍壓加載時(shí)，隨著圍壓增大自然和飽水7d煤樣的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度均有增大，彈性模量也相應(yīng)增加；對(duì)一維、三維動(dòng)靜組合加載煤樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征分為4個(gè)階段：壓密階段、彈性階段、裂紋擴(kuò)展階段、卸載階段。
　?。?）運(yùn)用斷裂損傷力學(xué)理論，分析了裂隙尖端應(yīng)力場(chǎng)演化特征，建立了靜載、動(dòng)靜組合加載條件下含水張開翼型裂紋模型；分析了裂隙水壓作用下煤樣裂隙動(dòng)態(tài)起始、傳播與止裂判據(jù)，建立了靜載、單獨(dú)動(dòng)載、動(dòng)靜組合加載條件下含水煤樣的抗壓強(qiáng)度數(shù)

6、學(xué)表達(dá)式，并探討了含水煤樣及巖石類材料動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度增加或降低的原因；確定了一維動(dòng)靜組合加載含水煤樣損傷變量，建立了含水和動(dòng)靜組合加載條件下煤樣的本構(gòu)模型，并對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。
　?。?）一維動(dòng)靜組合加載自然煤樣破壞所需時(shí)間大于飽水煤樣破壞需要時(shí)間，煤樣破碎顆粒隨飽水時(shí)間增長(zhǎng)而逐漸變??；相同含水試樣破壞失穩(wěn)耗散能量越大，破碎塊度越小，分形維數(shù)越大；自然煤樣分形維數(shù)小于飽水3d、7d，分維數(shù)隨著能耗密度的增加而提高，能耗密度與分形維數(shù)增