突出煤沖擊動態(tài)力學(xué)特性研究

突出煤沖擊動態(tài)力學(xué)特性研究

隨著采煤深度的增加，煤炭、磚瓦、地壓等煤炭巖石的動態(tài)破壞日益嚴(yán)重。目前，關(guān)于煤炭，尤其是容易發(fā)生突出等動態(tài)破壞的突出煤炭，關(guān)于動載功能下的力學(xué)特性和結(jié)構(gòu)關(guān)系的研究很少?，F(xiàn)在有單仁良。1試件的制備實驗選用的煤巖取自淮南礦業(yè)集團(tuán)張集煤礦B由于突出煤較軟,不易鉆取符合實驗要求的圓柱體,故實驗采用型煤壓制的方法制取試件。先將其破碎,篩取180~380μm煤粉,再利用自制的壓煤罐在大型剛性壓力機(jī)上用100MPa的壓力壓制成型煤試件。通過嚴(yán)格控制加入煤粉的質(zhì)量和成型壓力,可以將型煤試件的尺寸控制在符合SHPB實驗要求2shpb單軸沖擊實驗2.1霍普金森壓桿系統(tǒng)實驗是在安徽理工大學(xué)沖擊實驗室的ue78875mmSHPB實驗系統(tǒng)上完成的,分離式霍普金森壓桿系統(tǒng)示意圖如圖1。系統(tǒng)采用的撞擊桿、入射桿、輸出桿直徑均為75mm,長度分別為400、4000、2500mm,材質(zhì)均為高強(qiáng)度合金鋼,彈性模量為195GPa。2.2應(yīng)變率對實驗結(jié)果的影響在0.2~0.6MPa驅(qū)動氣壓范圍內(nèi),共成功地對6個突出煤試件實現(xiàn)了不同應(yīng)變率條件下的單軸沖擊壓縮實驗,實驗結(jié)果統(tǒng)計見表1。由表1可以發(fā)現(xiàn),隨著應(yīng)變率的提高,試件從開始的破而不散,到碎成大塊,直至處于粉碎狀態(tài),說明隨著動載強(qiáng)度的加大,應(yīng)力波攜帶的能量增加,試件的破碎程度越來越劇烈。2.3突出煤非線性變形力學(xué)過程實驗分析得到的突出煤的動態(tài)力學(xué)特性參數(shù)見表2。利用DHHP應(yīng)力波數(shù)據(jù)分析處理軟件對采集到的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行“三波法”解算,得到不同應(yīng)變率下突出煤的動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2。分析圖2可以發(fā)現(xiàn),突出煤在沖擊載荷作用下的變形破壞過程大體可概括為初始非線性階段、屈服階段、應(yīng)變強(qiáng)化階段和卸載破壞階段4個階段,與巖石有較大區(qū)別,一開始即呈現(xiàn)明顯的非線性變形。同時,對于不同應(yīng)變率條件下突出煤的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈規(guī)律性變化,峰值強(qiáng)度和峰值應(yīng)變均隨應(yīng)變率的提高而增大,體現(xiàn)出了顯著的應(yīng)變率效應(yīng)。3強(qiáng)調(diào)煤炭動態(tài)結(jié)構(gòu)的關(guān)系3.1凝土材料本構(gòu)關(guān)系ZWT模型即朱-王-唐模型,是近年來大量應(yīng)用于描述巖石、混凝土材料本構(gòu)關(guān)系的一種模型。它是1981年由朱兆祥、王禮立、唐志平ZWT模型的本構(gòu)方程的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:式中:第1項多項式部分用來描述平衡態(tài)應(yīng)力,第1個積分項用來描述松弛時間為φ3.2突出煤動態(tài)本構(gòu)模型考慮現(xiàn)有的動態(tài)本構(gòu)方程,并結(jié)合實驗中突出煤動態(tài)本構(gòu)曲線所表現(xiàn)出顯著的應(yīng)變硬化和應(yīng)變率相關(guān)性,朱-王-唐本構(gòu)方程能較好的描述這種動態(tài)力學(xué)性能。但針對突出煤的實際情況,尚需對朱-王-唐本構(gòu)方程作以下改進(jìn):1)考慮到煤巖的變形量小(102)當(dāng)試件在中高應(yīng)變率條件下的沖擊載荷作用,其加載時間尺度以103)煤巖為非均質(zhì)材料,內(nèi)部存在著微裂紋、微孔洞等缺陷,在研究其動態(tài)本構(gòu)關(guān)系時必須考慮損傷因素,根據(jù)Lemaitre應(yīng)變等效原理式中:σ式中:綜上,突出煤動態(tài)本構(gòu)方程的表達(dá)式為:式中:E考慮損傷的黏彈性動態(tài)本構(gòu)模型如圖4。本次SHPB實驗可以認(rèn)為是近似恒應(yīng)變率實驗,則式(4)可以寫為:式(5)即為突出煤在沖擊載荷作用下,考慮損傷效應(yīng)和應(yīng)變率效應(yīng)的動態(tài)本構(gòu)方程。3.3極限抗壓強(qiáng)度仿真利用已構(gòu)建的動態(tài)本構(gòu)方程式(5)對突出煤在不同應(yīng)變率作用下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行擬合。由于在沖擊壓縮過程中,試件在極限抗壓強(qiáng)度以后已發(fā)生破壞,應(yīng)力急劇下降,此時實驗得到的應(yīng)變不是煤巖試件的真實應(yīng)變,故只對峰值應(yīng)力以前的應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行擬合。對于動態(tài)本構(gòu)方程中的A、α、β、E由于篇幅所限,給出部分突出煤試件的實驗應(yīng)力應(yīng)變曲線與本構(gòu)方程擬合曲線的對比,如圖5。4本構(gòu)方程的建構(gòu)1)突出煤在沖擊載荷作用下的變形破壞過程大體可概括為初始非線性階段、屈服階段、應(yīng)變強(qiáng)化階段和卸載破壞階段4個階段,與巖石有較大區(qū)別,一開始即呈現(xiàn)明顯的非線性變形。2)不同應(yīng)變率條件下突出煤的峰值強(qiáng)度和峰值應(yīng)變均隨應(yīng)變率的提高而增大,體現(xiàn)出了顯著的應(yīng)變率效應(yīng),說明突出煤與眾多巖石類材料一樣屬于率敏感性材料。3)通過采用構(gòu)建的突出煤動態(tài)本構(gòu)方程對不同應(yīng)變率條件下的實驗應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行擬合,發(fā)現(xiàn)擬合曲線與實驗曲線有較好的一致性,表明所構(gòu)建的包含損傷效應(yīng)和應(yīng)變率效應(yīng)的動態(tài)本構(gòu)方程能較好反映突出煤在峰值應(yīng)力前動態(tài)