煤-岩-煤组合体冲击荷载作用下力学特性研究下载

weixin_39821228 2020-10-01 10:30:57

为了研究煤-岩-煤组合体在冲击荷载作用下的力学特性和破坏模式,利用分离式霍普金森压杆和高速摄像仪在不同的冲击荷载下对组合体试件进行动态冲击压缩试验。试验结果表明:煤-岩-煤组合体的应变率、应变、应力、动态弹性模量和破碎程度都与冲击荷载有较强的相关性,都随冲击荷载的增强而变大;组合体在动态冲击作用下应力-应变曲线变化规律大致可划分为弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段;高速摄像结果表明,组合体在冲击荷载作用下,裂纹先在两端产生,并沿轴向发展产生贯穿裂纹,且两端煤体破裂明显并有较大破碎变形,组合体中间岩体部分具有较高的强度,其裂纹的产生及扩展要比两端煤体缓慢;组合体随冲击荷载的加大,破碎程度显著增强。
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为了研究煤-岩-煤组合体在冲击荷载作用下的力学特性和破坏模式,利用分离式霍普金森压杆和高速摄像仪在不同的冲击荷载下对组合体试件进行动态冲击压缩试验。试验结果表明:煤-岩-煤组合体的应变率、应变、应力、动态弹性模量和破碎程度都与冲击荷载有较强的相关性,都随冲击荷载的增强而变大;组合体在动态冲击作用下应力-应变曲线变化规律大致可划分为弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段;高速摄像结果表明,组合体在冲击荷载作用下,裂纹先在两端产生,并沿轴向发展产生贯穿裂纹,且两端煤体破裂明显并有较大破碎变形,组合体中间岩体部分具有较高的强度,其裂纹的产生及扩展要比两端煤体缓慢;组合体随冲击荷载的加大,破碎程度显著增强。

为研究岩煤强度比与煤岩高度比对煤岩组合体力学特性的影响,利用颗粒流软件PFC2D对不同煤岩强度比和岩煤高度比的煤岩体进行模拟研究。结果表明:组合体破裂形态为煤体"V型"剪切破裂、煤体单一裂纹剪切破裂、煤体"X型"剪切破裂、煤岩共剪破裂4类;随着煤岩高度比的减小,冲击能量指数先增大后减小,但随着岩煤强度比的增加,冲击能量指数逐渐减小;随着煤岩高度比的减小,组合体的极限抗压强度及弹性模量均增大;随着岩煤强度比的增加,组合体的弹性模量在增大,但极限抗压强度会趋于一个稳定值。

通过颗粒离散元程序建立了3种不同煤岩高度比的煤岩组合模型,分析和比较了单轴压缩作用下的强度和破坏形态,并以此为基础建立煤岩力学结构模型,分析了煤岩组合体在压缩作用下的变形破坏过程。研究结果表明:煤岩组合体的强度介于煤体和岩体之间,其破坏形态主要受到煤体部分的影响;煤岩组合体的变形破坏过程比煤、岩单体更加复杂,尤其在塑性屈服和峰值破坏阶段;组合体的应力-应变曲线在峰值附近表现出明显的波动性,即组合体的变形破坏过程为典型的渐进式破坏。

为研究不同煤岩比例及组合方式的组合体力学特性和破坏机制，对19种不同煤岩比例和组合方式的二元、三元组合体开展轴向压缩试验，从抗压强度、弹性模量、峰前能量、冲击能量指数等参数入手，分析组合体的力学特性；对构建的煤岩组合体相互作用模型进行理论分析，探究煤岩组合体的失稳破坏机理；从煤岩组合体的不同破坏形态入手，研究组合体破坏过程中的能量传递机制。研究发现：组合体的抗压强度介于各组分抗压强度之间，且偏向于软弱组分的抗压强度，随着细砂岩比例的增加而增大；组合体的弹性模量随着细砂岩占比的增大而增大，且岩石的弹性模量越大，组合体的弹性模量也越大；有煤组分的组合体的峰前积聚能量较少，细砂岩与粗砂岩构成的组合体的峰前积聚能量较多，组合体的峰前能量随着细砂岩占比的增加而增多；组合体的冲击能量指数与细砂岩比例为线性关系，随着细砂岩占比的增加而增大；细砂岩组分对于组合体的抗压强度、峰前能量、冲击能量指数的影响较大，对组合体的力学特性和冲击效应起决定作用；推导了煤岩组合体的弹性模量计算公式，从理论上揭示了组合体的弹性模量随岩石占比的增加而增加的规律；构建了煤岩组合体的力学模型，分析了组合体的失稳破坏机制。研究结

为探讨组合方式对煤岩组合体力学特性和冲击倾向性的影响,基于煤岩单体试件单轴压缩实验,对自主构建的二元、三元组合体开展单轴压缩实验研究,探讨不同组合体力学特性和冲击倾向性规律。结果表明:组合体呈"碎状"、"锥形"、"Y形"破坏;应力应变曲线对比明显,有煤参与的组合体,压密阶段明显,无煤参与的组合体,弹、塑性阶段显著;组合体强度受中间试件和上下试件接触面积的影响:中间试件相同时,上下试件接触面积越大,组合体强度越小;组合体中弹性模量小的软弱岩层是能量积聚的主要载体;组合体组分之间硬度差别越大,冲击能量指数越大,冲击倾向性越强。

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