含水煤樣動靜組合加載力學響應(yīng)試驗研究.pdf

1、沖擊地壓是影響煤礦安全生產(chǎn)的重大災(zāi)害之一。沖擊地壓的形成常以震源沖擊應(yīng)力波的方式通過煤巖介質(zhì)傳遞至采掘空間，造成沖擊地壓事故，煤層注水是沖擊地壓防治常用方法之一，靜載型沖擊地壓煤層注水使沖擊傾向性降低，但深部煤層常處于動靜組合加載的應(yīng)力環(huán)境下，含水煤層的應(yīng)力波傳播衰減、強度、能量耗散的強弱機理尚不清楚，含水煤樣沖擊動力響應(yīng)是沖擊地壓防治亟待解決的理論問題。利用RMT-150C和改進SHPB系統(tǒng)進行了煤樣靜載、動靜組合加載試驗，探討了不同

2、含水煤樣的動態(tài)強度、失穩(wěn)破壞、應(yīng)力波衰減、能量耗散、損傷斷裂等特征，主要結(jié)論及認識如下：
　?。?）采用RMT-150C伺服試驗系統(tǒng)對自然、飽水3d、7d煤樣進行單軸和三軸抗壓強度的靜載試驗，單軸及三軸抗壓強度隨飽水時間增加而逐漸降低；三軸壓縮作用下自然和飽水7d煤樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰后差異較明顯，自然狀態(tài)煤樣峰后應(yīng)力跌落速度較快（脆性破壞特征），飽水7d煤樣峰后應(yīng)力跌落較為緩慢（塑性破壞特征）；基于微元強度服從Weibull分布

3、，建立了單軸壓縮含水煤樣的統(tǒng)計損傷本構(gòu)模型，并進行驗證。
　?。?）探討了異形沖頭法消除彌散效應(yīng)和應(yīng)力均勻問題，確定煤樣動態(tài)加載尺寸為?50mm×30mm；飽水后煤樣橫波傳播速度基本不變，縱波傳播速度增加明顯，應(yīng)力波衰減系數(shù)減小；利用改進SHPB系統(tǒng)對自然、飽水3d、飽水7d煤樣分別進行了一維動靜組合加載試驗，煤樣的動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征與靜載差異較大，煤樣動態(tài)強度隨飽水時間增加逐漸降低，但彈性模量少量升高，動態(tài)強度與彈性模量高于

4、靜載強度及彈性模量；針對預(yù)加靜載對煤樣裂隙發(fā)展影響，將煤樣裂隙分為裂隙壓縮穩(wěn)定階段、裂隙急劇擴展階段、裂隙貫通階段；煤樣的動態(tài)強度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，軸向預(yù)靜載大于靜載強度的50％-52%（臨界靜載點）后，一維動靜組合動態(tài)強度開始下降。
　　（3）三維動靜組合加載的相同圍壓不同軸壓試驗中，軸向靜載在煤樣彈性范圍內(nèi)其動態(tài)強度隨軸向靜載增加而增加，飽水7d煤樣的動態(tài)強度比自然狀態(tài)煤樣有不同程度的增高，與靜載、一維動靜組合加載結(jié)果相

5、反；相同軸壓不同圍壓加載時，隨著圍壓增大自然和飽水7d煤樣的動態(tài)強度均有增大，彈性模量也相應(yīng)增加；對一維、三維動靜組合加載煤樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征分為4個階段：壓密階段、彈性階段、裂紋擴展階段、卸載階段。
　?。?）運用斷裂損傷力學理論，分析了裂隙尖端應(yīng)力場演化特征，建立了靜載、動靜組合加載條件下含水張開翼型裂紋模型；分析了裂隙水壓作用下煤樣裂隙動態(tài)起始、傳播與止裂判據(jù)，建立了靜載、單獨動載、動靜組合加載條件下含水煤樣的抗壓強度數(shù)

6、學表達式，并探討了含水煤樣及巖石類材料動態(tài)抗壓強度增加或降低的原因；確定了一維動靜組合加載含水煤樣損傷變量，建立了含水和動靜組合加載條件下煤樣的本構(gòu)模型，并對模型進行驗證。
　?。?）一維動靜組合加載自然煤樣破壞所需時間大于飽水煤樣破壞需要時間，煤樣破碎顆粒隨飽水時間增長而逐漸變??；相同含水試樣破壞失穩(wěn)耗散能量越大，破碎塊度越小，分形維數(shù)越大；自然煤樣分形維數(shù)小于飽水3d、7d，分維數(shù)隨著能耗密度的增加而提高，能耗密度與分形維數(shù)增