基于剩余能量释放速率指数的煤岩组合体冲击倾向性判定

作     者：陈光波 李谭 张国华 李建伟 刘刚 贺永亮 李元 CHEN Guangbo;LI Tan;ZHANG Guohua;LI Jianwei;LIU Gang;HE Yongliang;LI Yuan

作者机构：内蒙古科技大学矿业研究院内蒙古包头014010 山东科技大学能源与矿业工程学院山东青岛266590 黑龙江科技大学黑龙江哈尔滨150022 太原科技大学安全与应急管理工程学院山西太原030024 太原科技大学煤矿粉尘智能监测与防控山西省重点实验室山西太原030024 

出 版 物：《岩石力学与工程学报》 (Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering)

年 卷 期：2023年第42卷第6期

页      面：1366-1383页

核心收录：

学科分类：08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0818[工学-地质资源与地质工程] 080104[工学-工程力学] 0903[农学-农业资源与环境] 0815[工学-水利工程] 0823[工学-交通运输工程] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

基　　金：国家自然科学基金资助项目(51774122) 内蒙古自治区自然科学基金资助项目(2020BS05007) 内蒙古科技大学创新基金项目(2019QDL-B33) 

主　　题：岩石力学 冲击倾向性 煤岩组合体 弹性应变能 剩余能量释放速率 合理性验证 

摘      要：煤岩冲击倾向性是煤岩是否发生冲击地压的自然属性,是煤岩发生冲击地压灾害的关键影响因素。为准确评判煤岩冲击倾向性,以煤岩组合体为研究对象,对其开展单轴循环加卸载试验,获得组合体不同应力水平下弹性应变能,建立弹性应变能与应力水平之间的函数关系,提出一种峰值应力时刻弹性应变能计算新方法。据此,提出一种综合考虑试件峰值强度、弹性应变能、破坏过程能量耗散及破坏时间的剩余能量释放速率指数,并结合现有指标给出冲击倾向性判定区间,最后进行合理性验证。结果表明:(1)随着应力的增大,弹性应变能呈现“缓慢→快速→缓慢的增长规律,对应了应力-应变曲线的压密阶段、弹性阶段、塑性阶段。(2)输入应变能、弹性应变能、耗散应变能的演化规律与应力演化规律相似,均随应力的增大而增大,输入应变能增幅最大,耗散应变能增幅最小。(3)试验获得了组合体不同应力水平时刻的弹性应变能,建立弹性应变能与应力水平之间的函数关系,即任一时刻应力的平方与弹性应变能具有良好线性关系,据此,提出一种峰值应力时刻弹性应变能计算新方法。(4)综合考虑试件峰值强度、弹性应变能、破坏过程能量耗散及破坏时间等多种因素,提出一种新的冲击倾向性鉴定指标:剩余能量释放速度指数WT,该指数为试样峰前弹性应变能减去峰后耗散应变能得到的剩余能量与动态破坏时间的比值,表征煤岩发生冲击破坏时单位时间内能量释放情况。该指标与抗压强度Rc、冲击能量指数KE、弹性能量指数WET、动态破坏时间DT密切相关。给定了剩余能量释放速度指数WT的评判区间:当WT≤0时,煤岩无冲击倾向;当014.5时,煤岩为强冲击倾向。(5)采用多试样法对提出的剩余能量释放速率指数WT进行合理性验证。采用该指数对8个矿区煤层冲击倾向性进行评判,结果表明:剩余能量释放速率指数WT评价准确率高达93.75%。利用提出的新指标评价煤岩冲击倾向性,准确率高,合理性好,能够反映煤岩实际冲击倾向,具有较好的推广和应用价值。