含瓦斯煤循环载荷冲击破坏力学特征研究

作     者：高昂 

作者单位：中国矿业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘晓斐

授予年度：2023年

学科分类：081901[工学-采矿工程] 0819[工学-矿业工程] 081903[工学-安全技术及工程] 08[工学] 

主      题：含瓦斯煤 循环载荷 冲击破坏 力学特性 破坏形态 

摘      要：在中国的能源生产和消费中,煤炭将在未来很长一段时间内一直占据着主导地位,并且这种状况短时间内也难以改变。煤炭在开采过程中,受到频繁的动力扰动,导致煤层内部产生能量聚集与释放,微裂缝不断发育,煤体失稳进而发生煤矿灾害。循环冲击荷载作用是频繁动力扰动的一种典型形式,研究含瓦斯煤循环载荷冲击破坏的力学特征对于煤矿安全具有重要的意义。本文主要以中强度煤样为研究对象,基于SHPB试验系统,分析不同加载条件下含瓦斯煤在循环载荷的冲击下的力学特性,并运用正交实验和极差分析含瓦斯煤循环冲击破坏力学因素敏感性。主要结论如下:(1)循环动载下的含瓦斯煤冲击破坏力学特征实验研究结论(1)在煤样循环冲击载荷下,应力-应变曲线的基本形态保持一致,这表明在循环冲击载荷条件下不会改变煤样的本构特征。随着冲击能量的增加,应变增长速率加快,导致“应变软化现象的出现。煤样的疲劳寿命受冲击速度的影响显著,随着冲击速度的增加,疲劳寿命会减小。在相同的冲击速度下,不同瓦斯压力对应的疲劳寿命随着瓦斯压力的增加而减少,这是游离瓦斯和吸附瓦斯共同作用的结果。(2)随着循环次数的增加,煤样承受的冲击也不断增大,内部裂纹数量逐渐增多,整体动态强度的趋势是持续减小的,煤样的应变率呈递减趋势。煤样的波阻抗逐渐减少,抵抗外部载荷能力不断削弱,进而导致动态强度随循环次数的增大而降低。同梯度下的冲击速度,随着瓦斯压力的升高,煤样的动态强度逐渐减小。煤样破坏前后的动态强度变化在0.7～0.8上下波动。伴随着瓦斯压力的增大,应变率随之呈现递增的趋势,其原因是瓦斯对煤体强度的影响,使其内部的裂隙更容易发展。(3)分析煤体破坏的形态,得出煤样在承受轴向静载荷和围压的情况下,施加具有不同瓦斯压力和冲击速度的循环冲击,含瓦斯煤循环冲击破坏形态主要以轴向拉伸破坏为主。(2)含瓦斯煤循环冲击破坏力学因素敏感性分析结论含瓦斯煤循环冲击中的动态强度影响因素敏感性强弱依次为:冲击速度、瓦斯压力、循环次数;含瓦斯煤循环冲击中的峰值应变影响因素敏感性强弱依次为:冲击速度、循环次数、瓦斯压力;含瓦斯煤循环冲击中的应变率影响因素敏感性强弱依次为:冲击速度、瓦斯压力、循环次数。本文有图28幅,表10个,参考文献98篇。