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冲击破坏条件下煤的强度型统计损伤本构模型与分析

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煤炭学报 2016年第12期41卷 3024-3031页

作者：王登科刘淑敏魏建平王洪磊彭明河南理工大学河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地河南焦作454000 河南理工大学安全科学与工程学院河南焦作454000 煤炭安全生产河南省协同创新中心河南焦作454000

为研究冲击作用下煤体破坏特征,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统对取自苇町矿的煤样进行了不同冲击载荷条件下的动态冲击试验,分析了煤在冲击载荷条件下的动态力学特性。试验结果表明煤是一种典型的率相关材料,弹性模量和抗压强... 详细信息

为研究冲击作用下煤体破坏特征,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统对取自苇町矿的煤样进行了不同冲击载荷条件下的动态冲击试验,分析了煤在冲击载荷条件下的动态力学特性。试验结果表明煤是一种典型的率相关材料,弹性模量和抗压强度均随应变率的增大而增大。根据岩石力学的强度理论和统计损伤理论,建立了煤的强度型统计损伤本构模型,给出了模型参数的确定方法,验证了模型的正确性。对比分析了元件型统计损伤本构模型和强度型统计损伤本构模型的优劣,分析确定了强度型统计损伤本构模型的准确性与合理性。研究结果表明:强度型统计损伤本构模型结构简单,引入参数少,物理意义清晰,能够有效地描述煤体冲击破坏过程中的动态力学性质;相较于元件型统计损伤本构模型,利用强度型统计损伤本构模型拟合的相关性系数更高,与试验结果保持了很好的一致性,具有更好的普适性。

关键词：冲击破坏动力学特性 SHPB 强度型统计损伤本构模型元件型统计损伤本构模型

煤应变型冲击破坏尺寸效应声发射特征试验研究

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采矿与岩层控制工程学报 2023年第3期5卷 60-72页

作者：彭相愿高富强原贵阳王烜辉煤炭科学研究总院开采研究分院北京100013 中煤科工开采研究院有限公司北京100013 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室北京100013 中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116

为探究煤冲击破坏过程中的尺寸效应现象,采用自主研发的煤岩冲击破坏试验装置对5种不同尺寸的方形试样开展单轴压缩试验,并重点监测其声发射特征。研究表明:煤的弹性模量随边长尺寸的增加而增加,抗压强度及峰值应变随尺寸的增加而减小,... 详细信息

为探究煤冲击破坏过程中的尺寸效应现象,采用自主研发的煤岩冲击破坏试验装置对5种不同尺寸的方形试样开展单轴压缩试验,并重点监测其声发射特征。研究表明:煤的弹性模量随边长尺寸的增加而增加,抗压强度及峰值应变随尺寸的增加而减小,尺寸较大的试样,在整体冲击破坏发生前会有局部小型冲击破坏的发生;随着边长尺寸的增加,声发射总振铃计数增长速度加快,声发射信号大能量更多在临近破坏阶段,但尺寸增加到300mm时,声发射能量尺寸效应不明显。大尺寸试样的声发射b值会因为局部冲击而产生突降;声发射定位信号反映了试样破坏方式,随着边长尺寸的变大,声发射定位信号愈加分散,试样破坏方式由剪切破坏为主转为张拉破坏为主。

关键词：冲击破坏尺寸效应裂隙扩展声发射单轴压缩

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动载扰动下巷道锚固承载结构冲击破坏机制

煤炭学报 2021年第S01期46卷 94-105页

作者：焦建康鞠文君中煤科工开采研究院有限公司北京100013 天地科技股份有限公司开采设计事业部北京100013 煤炭科学研究总院开采研究分院北京100013

冲击地压是威胁我国煤矿安全高效开采的主要矿井灾害之一。作为冲击地压的最后一道防线,预紧力锚杆支护系统与其作用范围内围岩共同形成的锚固承载结构决定了巷道围岩的整体稳定性。为研究冲击地压巷道锚固承载结构冲击破坏力学机制和... 详细信息

冲击地压是威胁我国煤矿安全高效开采的主要矿井灾害之一。作为冲击地压的最后一道防线,预紧力锚杆支护系统与其作用范围内围岩共同形成的锚固承载结构决定了巷道围岩的整体稳定性。为研究冲击地压巷道锚固承载结构冲击破坏力学机制和能量机制,以发生过冲击破坏的回采巷道为地质原型,建立了动静载联合作用下巷道锚固围岩数值模型,采用FLAC^(3D)内置动力模块模拟分析了动静载联合作用下巷道锚固承载结构动载响应特征及冲击破坏过程;根据锚固承载结构的受力状态、强度特征、能量特征以及冲击破坏演化过程,提出了巷道锚固承载结构冲击破坏准则;基于弹性波动力学、弹塑性岩石力学,建立了动载和静载荷联合作用下巷道锚固承载结构稳定性力学和能量模型,得到了动载扰动冲击地压巷道锚固承载结构破坏的力学判据和能量判据。研究结果表明:动载扰动下巷道锚固承载结构冲击破坏演化过程为:动载扰动→浅部围岩损伤变形破坏→锚固系统失效→锚固承载结构失去对深部围岩控制→围岩损伤破坏范围骤增→深部围岩能量瞬时释放→锚固承载结构冲击破坏;动载扰动冲击地压巷道锚固承载结构冲击破坏必须满足应力和能量的双重“超载”条件,必要条件是:动载和巷道围岩静载叠加强度大于锚固承载结构的承载能力,即应力“超载”;充分条件是:动载余能和巷道围岩释放的弹性能量大于锚固承载结构冲击破坏耗能,且有盈余能量并可转化为冲击动能,即能量“超载”;从力学角度分析,锚固承载结构稳定性与锚固围岩体参数、支护强度、所受静载大小和动载荷特征(震源强度、震源距离、衰减系数)相关;从能量角度分析,锚固承载结构动态稳定性主要与动载能量、动载距离和能量衰减系数、主应力量值、锚固承载结构强度、锚杆(索)动载强度和延展性相关。最后通过冲击实例验证了力学判据和能量判据的正确性。

关键词：冲击地压锚固承载结构动载扰动冲击破坏巷道

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特厚煤层掘进巷道冲击破坏能量机制

煤炭技术 2023年第1期42卷 39-44页

作者：焦建康中煤科工开采研究院有限公司北京100013 天地科技股份有限公司开采设计事业部北京100013 煤炭科学研究总院开采研究分院北京100013

针对特厚煤层掘进巷道围岩冲击破坏频率高、释放能量大、破坏范围广的特点,以陕西彬长矿区特厚煤层掘进巷道为工程背景,分析了特厚煤层巷道围岩冲击破坏能量演化过程,建立了稳定性能量判据,得到了特厚煤层巷道围岩冲击破坏的内在原因和... 详细信息

针对特厚煤层掘进巷道围岩冲击破坏频率高、释放能量大、破坏范围广的特点,以陕西彬长矿区特厚煤层掘进巷道为工程背景,分析了特厚煤层巷道围岩冲击破坏能量演化过程,建立了稳定性能量判据,得到了特厚煤层巷道围岩冲击破坏的内在原因和关键影响因素。研究结果表明:厚煤层掘进巷道围岩从能量角度可划分为储能区、释能区和吸能区;释能区可释放的弹性能与主应力量值、围岩卸载弹性模量呈正比,与卸载泊松比呈反比;吸能区可吸收的能量与围岩强度和锚杆(索)最大应变值呈正比。巷道围岩冲击破坏的能量条件是释能区释放的弹性能大于围岩冲击破坏耗能,同时能提供煤体弹射或抛出所需要的动能。特厚煤层巷道围岩释能区单元煤体可释放的弹性能是岩体的1.87倍,为冲击破坏提供了必要的能量条件;吸能区单元煤体耗散的能量是岩层的0.42倍,为剩余能量转化为冲击破坏动能提供了外在突破口。通过优化巷道布置降低弹性能集聚,及时卸压减小弹性能释放,加强巷道支护增加弹性能耗散,可有效防范特厚煤层巷道冲击破坏的发生。

关键词：特厚煤层冲击破坏巷道围岩能量演化

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巨厚砾岩下回采巷道冲击破坏机理

采矿与安全工程学报 2019年第2期36卷 290-297页

作者：曹光明镐振刘洪涛郭林峰赵希栋张国华中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院北京100083 华北科技学院安全工程学院河北廊坊065201 河南能源化工集团义煤公司千秋煤矿河南义马472300

为探究巨厚砾岩下回采巷道冲击破坏机理,以千秋煤矿21141工作面(半孤岛面)运输巷为工程背景,首先采用数值模拟手段分析正常工作面和半孤岛面主应力场特征和回采巷道围岩区域主应力场特征,以及顶板破断产生的扰动作用对巷道围岩塑性区的... 详细信息

为探究巨厚砾岩下回采巷道冲击破坏机理,以千秋煤矿21141工作面(半孤岛面)运输巷为工程背景,首先采用数值模拟手段分析正常工作面和半孤岛面主应力场特征和回采巷道围岩区域主应力场特征,以及顶板破断产生的扰动作用对巷道围岩塑性区的影响。结果显示半孤岛开采引起的最大主应力较大,巷道围岩塑性区呈蝶形分布且在煤层中出现急剧扩展。然后分析巷道围岩蝶形塑性区急剧扩展的力学机制,得出巷道RPP曲线,阐述巷道冲击破坏的敏感因素,并揭示巨厚砾岩下回采巷道冲击破坏机理:处于半孤岛面中部的回采巷道在受到顶板破断产生的扰动作用后,巷道围岩区域主应力场突然发生改变,导致围岩蝶形塑性区急剧扩展,并以声响、震动和煤岩体抛出的形式释放存储于体内和围岩系统中的大量弹性能,出现爆炸式破坏的动力现象。

关键词：巨厚砾岩回采巷道冲击破坏塑性区

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含瓦斯煤循环载荷冲击破坏力学特征研究

含瓦斯煤循环载荷冲击破坏力学特征研究

作者：高昂中国矿业大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：含瓦斯煤循环载荷冲击破坏力学特性破坏形态

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煤应变型冲击破坏尺寸效应试验研究

煤应变型冲击破坏尺寸效应试验研究

作者：彭相愿煤炭科学研究总院

学位级别：硕士

尺寸效应作为材料中普遍存在一种现象,在煤岩体中同样存在。目前对于煤岩力学性质尺寸效应研究已较为深入,而对于煤岩冲击破坏特征是否存在尺寸效应研究较少。为了提高关系实验室煤岩动力破坏实验取得的力学参数、冲击破坏前兆信息及破... 详细信息

尺寸效应作为材料中普遍存在一种现象,在煤岩体中同样存在。目前对于煤岩力学性质尺寸效应研究已较为深入,而对于煤岩冲击破坏特征是否存在尺寸效应研究较少。为了提高关系实验室煤岩动力破坏实验取得的力学参数、冲击破坏前兆信息及破坏机制等反映现场实际情况的准确性,本文通过五种尺寸(50 mm、100 mm、150 mm、200 mm、300 mm)的1:1:1方形煤样单轴压缩实验研究煤应变型冲击破坏特征尺寸效应及冲击倾向性指标尺寸效应,并分析了其作用机制,主要结论如下:(1)冲击破坏力学参数存在尺寸效应。抗压强度及峰值应变随尺寸增加而降低,弹性模量随煤样尺寸增加而增加。大尺寸试样应力应变曲线在峰值阶段产生波动的“应力平台期”。(2)冲击破坏特征存在尺寸效应。随煤样尺寸增加,冲击破坏持续时间增长。小尺寸煤样冲击更为剧烈,冲击速度更快。大尺寸煤样在整体冲击发生前已产生局部破坏。(3)声发射特征存在一定尺寸效应。随煤样尺寸的增加,累计振铃计数增长速度更快且增长幅度较大,在临近破坏阶段尺寸越大的试样高绝对能量值声发射信号分布更多,声发射定位信号从试样内部中心集中分布变为整体散布,这与煤样破坏方式密切相关。(4)煤样能量演化存在尺寸效应。随着煤样尺寸的增加,煤样单位体积吸收总能、弹性应变能及耗散能均会降低,煤样整体破坏能增加。随着加载进行,小尺寸试样应变能转化率逐渐下降而大尺寸试样应变能转化率上升。细微粒径和中粒径随煤样尺寸的增加而降低,粗粒径随煤样尺寸的增加而增大,试样平均粒径随尺寸的增加而增加,并表现为良好的线性关系。(5)冲击倾向性指标存在尺寸效应。动态破坏时间(DT)随煤样尺寸增加而增加,弹性能指数(W)随煤样尺寸增加表现为先增大后减小,冲击能指数(K)随煤样尺寸增加表现为先增大后减小,通过层次分析法可以很好的考虑尺寸因素对冲击倾向性评价的影响。

关键词：煤岩尺寸效应冲击破坏冲击倾向性声发射

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基于内聚力模型的夹层玻璃冲击破坏仿真分析

机械工程学报 2017年第22期53卷 176-181页

作者：林德佳臧孟炎华南理工大学机械与汽车工程学院广州510640

夹层玻璃冲击破坏特性的研究对于风挡玻璃设计、行人保护及交通事故再现具有重要意义。针对传统有限元方法不能有效描述脆性材料冲击破坏的问题,在介绍双线性内聚力模型基本理论的基础上,建立适用于夹层玻璃冲击破坏现象的有限元模型,... 详细信息

夹层玻璃冲击破坏特性的研究对于风挡玻璃设计、行人保护及交通事故再现具有重要意义。针对传统有限元方法不能有效描述脆性材料冲击破坏的问题,在介绍双线性内聚力模型基本理论的基础上,建立适用于夹层玻璃冲击破坏现象的有限元模型,使用已嵌入内聚力模型的有限元软件LS-DYNA仿真分析夹层玻璃的冲击破坏过程。同时,设计简易夹层玻璃板落锤试验装置,以评价仿真分析结果。夹层玻璃板的裂纹分布和冲击加速度的仿真与试验结果的良好一致性,验证了内聚力模型与仿真分析方法的有效性。

关键词：内聚力模型夹层玻璃冲击破坏内聚力-分离量法则

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回采巷道围岩冲击破坏能量特征分析

煤炭学报 2020年第12期45卷 3995-4005页

作者：镐振郭林峰赵希栋陈国祥张国华河南工程学院安全工程学院河南郑州451191 中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083 华北科技学院安全工程学院河北廊坊065201 河南能源化工集团义煤公司千秋煤矿河南义马472300

由冲击动力造成的巷道破坏是一种典型的煤岩动力灾害,严重威胁着矿井的安全生产。针对义马煤田千秋矿21141工作面运输巷频繁发生冲击破坏的问题,在分析典型巷道冲击破坏微震监测能量特征的基础上,开展了常规三轴压缩试验并结合理论分析... 详细信息

由冲击动力造成的巷道破坏是一种典型的煤岩动力灾害,严重威胁着矿井的安全生产。针对义马煤田千秋矿21141工作面运输巷频繁发生冲击破坏的问题,在分析典型巷道冲击破坏微震监测能量特征的基础上,开展了常规三轴压缩试验并结合理论分析、数值模拟等手段,研究了煤岩体发生冲击破坏时的能量特征。研究结果表明:巷道围岩冲击破坏发生前,微震监测最大能量波动幅度较小,但是每次巷道围岩冲击破坏事件的发生均伴随有微震监测能量的急剧增大;试件双向载荷比值(轴压/围压)对声发射能量特征有显著影响,加载速率相同时,围压越大,能量峰值越小;在一定条件下,采动应力、巷道扩修、巷内爆破等事件产生的扰动加载作用能够改变区域应力场中巷道双向载荷比值,使得塑性区形态特征由非蝶形转化为蝶形,或导致塑性区蝶叶出现瞬时扩展,并以震动、声响和煤岩碎块抛出的形式释放存储于围岩系统中的大量能量,从而诱发巷道围岩冲击破坏。在实际的工程实践中,可以采取降低采煤工作面推进速度、控制开采截深、调控巷道围岩区域应力场等措施,以减小煤岩体的加载速率,防止大能量事件的产生,避免巷道蝶形塑性区瞬时扩展过程中能量的突然释放。

关键词：回采巷道冲击破坏能量塑性区蝶形