煤巖在沖擊荷載下破壞方式的數(shù)值模擬研究.pdf

1、我國的煤炭儲(chǔ)量豐富，但是由于其成煤特性和生產(chǎn)工藝（包括綜采、機(jī)運(yùn)和轉(zhuǎn)載等）的影響，原煤到達(dá)用戶時(shí)較為破碎，成塊率低，嚴(yán)重制約了煤炭的使用價(jià)值，而且在開采過程中常伴有煤與瓦斯突出、沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害，直接關(guān)系到煤礦的安全生產(chǎn)和人員的生命安全。煤巖不僅作為開采的對(duì)象，而且也是沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害最直接、最脆弱的受體，所以不管是為提高煤巖的成塊率，還是從煤礦動(dòng)力災(zāi)害的治理的方面來講，研究動(dòng)載下煤巖的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能都具有重要的實(shí)際意義。本文以計(jì)算動(dòng)

2、力學(xué)為理論基礎(chǔ)，以淮南潘謝煤礦13-1煤層煤巖為研究對(duì)象，研究了煤巖試樣在碰撞沖擊荷載下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、破壞模式，并且對(duì)復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下煤巖的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。主要內(nèi)容如下:
　　1)利用φ75mm帶有高速攝像的霍普金森壓桿(SHPB)實(shí)驗(yàn)裝置，研究了不同撞擊速度下煤巖的應(yīng)變率效應(yīng)及其破壞的方式，從細(xì)觀角度分析了裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的過程。
　　2)介紹了沖擊動(dòng)力學(xué)問題的數(shù)值方法實(shí)現(xiàn)的過程，并以彈性桿撞擊為例，選取了幾個(gè)特

3、征參量，對(duì)比分析了解析解和數(shù)值模擬結(jié)果的有效性和計(jì)算的精度，驗(yàn)證LS-DYNA程序求解沖擊動(dòng)力學(xué)問題的適用性。
　　3)對(duì)HJC模型進(jìn)行了詳細(xì)的說明，通過煤巖的靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)、拉伸實(shí)驗(yàn)、Hopkinson壓桿實(shí)驗(yàn)，結(jié)合煤巖三軸實(shí)驗(yàn)、Hugoniot實(shí)驗(yàn)的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，確定了煤巖HJC本構(gòu)模型參數(shù)的取值，將HJC本構(gòu)模型推廣到煤巖材料，并且對(duì)關(guān)鍵參數(shù)的敏感性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:該模型能夠在一定程度上反映煤巖在沖擊荷載下的應(yīng)變率效應(yīng)和應(yīng)變

4、軟化性質(zhì)，基本可以反映煤巖在沖擊荷載下的力學(xué)行為，可供工程設(shè)計(jì)與分析參考。
　　4)建立了煤巖SHPB實(shí)驗(yàn)數(shù)值模型，驗(yàn)證了試件的應(yīng)力均勻性，對(duì)煤樣的動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線、破壞形態(tài)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，分析了煤巖破壞過程中裂紋擴(kuò)展的規(guī)律及能量耗散特性。
　　5)對(duì)被動(dòng)圍壓下煤巖SHPB實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，分析了圍壓對(duì)動(dòng)態(tài)強(qiáng)度、延性以及煤巖破壞方式的影響;推導(dǎo)了應(yīng)力波理論在一維動(dòng)靜組合加載中的適用性，通過ansys/ls-dyn