冲击载荷作用下煤的动态拉伸及Ⅰ型断裂力学特性研究

发布时间：2020-08-29 09:07

　　煤的动态拉伸及断裂特性包括煤的抗拉特性和I型断裂韧度特性,以及煤在变形破坏过程中的变形、强度和能量耗散规律,该类力学指标对于煤岩稳定性控制、巷道支护和冲击地压防治等均具有重要意义。本文综合运用理论分析、实验室试验和数值模拟等手段,对冲击载荷下含层理煤岩的动态抗拉及I型断裂特性、破断过程中裂纹扩展特征和能量耗散规律,以及各种影响因素之间的关系开展了系统研究。主要内容和结论性成果如下:(1)基于热力学和统计物理理论,对岩石类材料中的微裂纹演化及成核过程进行了理论探讨,得到缺陷生长速度为v=v_0exp[-(U-βσ)/(kT)],并分析了岩石破裂成核的分形特征。根据断裂力学理论,采用K-M应力函数和威斯特嘎德(Westergaard)函数计算得到含I型裂纹无限大板应力场分布,以及含I型裂纹无限大板位移场分布和裂纹端部的应力和位移解析解。从微观和宏观两个尺度对以往岩石类材料的动态断裂准则进行了总结综述,归纳了基于微观力学的岩石率响应本构模型以及岩石类材料的宏观断裂准则。总结得出冲击载荷作用下岩石中裂纹起裂的三类判据:最大应力强度因子判据、最短时间判据和最小作用力判据。建立了煤体预裂爆破的断裂动力学模型,运用最大应力强度因子判据得到炮孔内爆炸临界准静态压力为K_(I d)/(πaf(a/r))~(1/2)。(2)为研究准静态加载条件下煤的抗拉及I型断裂性能,采用巴西圆盘劈裂法和半圆弯拉法对煤样进行抗拉性能对比测试;并开展不同切缝深度的半圆弯拉煤样I型断裂性能测试分析,探讨平面应变断裂韧度K_(IC)和J积分断裂韧度对评价煤的I型断裂性能的适用性,对比分析了两种评价方法对断裂韧度测试结果的影响;并结合CT扫描技术对煤样的裂纹分布特征进行了研究。结果表明:半圆弯拉试验更适于测定煤的抗拉强度;当量纲归一化的切缝深度β=0.28时半圆弯拉煤样平面应变断裂韧度K_(IC)离散度最小;煤样的J积分断裂韧度离散度更小,且更适用于评价煤的I型断裂性能。(3)利用SHPB冲击试验方法对煤的动态抗拉力学性能开展研究,讨论了冲击速度、煤中层理及饱和含水三种因素对煤动态抗拉力学特性的影响,分析了不同因素影响下煤样在冲击变形破坏过程中的能量耗散规律等。研究表明:自然干燥和饱水煤样动态抗拉强度测试值随着冲击速度、应变率和加载率的增大而不断增加。饱和含水煤样相比自然干燥煤样发生较大的峰后变形,并且其动态抗拉强度比自然干燥煤样更大,推测是由于史蒂芬效应(Stefan Effect)所致。当煤样层理面与冲击荷载作用方向成一定夹角时,最终破断模式为拉伸破坏与剪切破坏相耦合伴生。和冲击速度相比,层理角度对于煤的动态抗拉强度的影响较弱。随着冲击速度的增大,煤样破坏的损伤变量随之增加,并且饱和含水煤样整体损伤变量随着冲击速度的增大呈指数函数趋势增加。(4)采用直切槽半圆弯拉法和霍普金森加载装置对135个煤样进行动态I型断裂韧性测试,以探讨动态载荷条件下加载率及层理方位对煤样I型断裂韧度的影响。开展了不同层理角度和切缝深度煤样在多种加载速率下的I型断裂性能测试,分析了不同冲击速度和层理角度对半圆弯拉煤样的动态裂纹扩展特征的影响,得出半圆弯拉煤样在不同加载率下的I型断裂韧度率响应特征模型;并且探讨了煤样I型动态断裂韧度测试的最佳切缝深度范围。研究表明:煤样I型动态断裂韧度为准静态断裂韧度的3.52~8.64倍,随着煤样加载率和切缝深度的增加,层理面对裂纹扩展特征的影响逐渐减小;冲击速度对煤样I型动态断裂韧度的影响最大,不同层理角度引起的各向异性效应次之,切缝深度的变化对其影响最小;层理角度对于I型动态断裂韧度的影响随着冲击速度的增大而减弱;当煤样的加载率超过临界值后,I型动态断裂韧度的增长趋势发生显著变化,并给出了煤样I型动态断裂韧度变化的率响应特征模型。(5)为研究含层理煤样中裂纹扩展的分形特征以及裂纹速度与分形维数等参数的变化情况,采用高速摄影机对煤样动态破断过程进行记录,并结合图像处理软件和分形维数计算软件对其动态裂纹扩展规律和分形特征进行了探讨。研究表明:煤中层理对其裂纹扩展形态具有显著影响,45°层理煤样裂纹扩展速度为最大,0°层理煤样扩展速度为最小。层理对煤中裂纹的扩展分形维数亦有显著影响,层理倾角45°煤样裂纹扩展路径的分形维数为最大,22.5°和67.5°煤样裂纹扩展分形维数值居中,0°和90°煤样裂纹扩展分形维数为最小。此外煤样某些时刻裂纹瞬时分形裂纹扩展速度值接近瑞利波速,当层理倾角为22.5°,45°和67.5°时,裂纹瞬时分形扩展速度更易达到最大值。(6)采用CDEM数值模拟开展了冲击荷载作用下巴西圆盘煤样动态劈裂应力场和应变场的演化过程及应力波在煤岩试样中的传播、反射和叠加特征研究,发现与试验结果有较好的吻合性。煤样的拉伸破坏模式在层理与加载方向平行或垂直时表现得最为明显;但当层理与加载方向呈一定夹角时,煤样主要表现为拉伸与剪切破坏伴生。该数值模拟结果与试验所得结论一致。此外,数值模拟结果还可以观察到一些沿层理弱面的次生裂纹,这是由于层理面引起的额外剪切破坏所致。随着冲击速度的不断增大,煤中裂纹的起裂时间不断减小,但抗拉强度测试值不断增大。基于CDEM方法开展了NSCB煤样动态断裂过程应力场和应变场的演化及应力波在煤岩试样中的传播过程模拟研究,发现当层理面与加载方向成平行或垂直时,裂纹扩展路径较为平直,即分形维数值较小;而当层理面与加载方向成一定夹角时,裂纹扩展路径会沿层理弱面倾斜,最终路径并非平直且分形维数值较大。随着冲击速度的不断增大,煤样I型动态断裂韧度测试值也随之增大。此外,支座处约束方式的不同对于I型断裂韧度模拟结果具有显著影响。
【学位单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TD324
【部分图文】：

示意图,矿山岩体,冲击地压,动力扰动

3(b) 冲击地压发生时刻矿山岩体裂纹自相似性及其分形特征图 1.1 冲击地压发生前后矿山岩体不同尺度结构面及动力扰动示意图Fig.1.1 A sketch map of different scale structure surface and dynamic disturbance of rock mabefore and after the occurrence of rock burst

煤岩,采矿工程,地质力学,化学过程

图 1.2 不同应变率对应的测试方法及采矿工程应用Fig.1.2 Corresponding test method of different strain rates and application on mining engineering就煤的性质而言，煤是一种形成于三百多万年前的沉积岩，经历了复杂的地质力学、热力学及化学过程，进而形成了煤岩复杂的非均质性结构特征[5, 6]，主要表现为：交错纵横的裂隙网络、形状复杂的三维孔隙构造及层理和气液固多相耦合结构等[7]。这种内部结构的复杂性决定了煤岩宏观力学行为表现的多样性，即煤岩在外部荷载下的宏观变形常表现出明显的非均质性、不连续性、各向异性和非弹性等特点[8-10]。煤的破坏是一个在外荷载下内部发生的裂纹快速成核、贯通、扩展引起煤材料损伤并丧失承载能力的力学过程。深入研究煤岩在动态荷载作用下的破断机理有着重要的理论及工程意义，因为材料的断裂问题一直是力学研究的难点和热点。从最初的材料破坏强度理论到断裂力学，再到损伤力学和分形力学，其最主要的研究对象都是材料的损伤和断裂。不同尺度下材料的破断机理研究一直推动着工程技术的进步，例如，在原子尺度下的断裂是新材料和新能源等领域的重点研究对象，形成了核能开发中的核子裂变反应技术等；在地质体尺度的断裂则是地震、大型滑坡等地质灾害研究的重点对象，形成了地震预测等相关技术；

不同尺度,岩石,人工材料,破坏规律

1 绪论结构和非均质性，其破坏规律比金属或人工材料（如混凝土和陶瓷等）更为，因而研究其破断机理和规律将更具有理论上的挑战。研究煤岩动态加载下裂机理不但在理论上可解释煤岩体宏观破断机理，而且为煤炭安全生产和高用中的诸多技术问题提供了理论基础和技术参考。

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