动态加载下饱水煤样力学特性及能量耗散规律

为探究饱水煤样在动态加载下的力学特性和能量变化特征,采用直径50 mm的分离式霍普金森杆装置(SHPB)对饱水和自然状态2种煤样开展冲击加载试验,分析含水状态对煤样的动态强度、应变、损伤和能量传递效率的影响。结果表明:在应变率14.25~59.57 s^(-1)内,水体对煤样动态强度具有双重作用,表现为低应变率弱化和高应变率强化;相同冲击载荷下,自然、饱水煤的变形差异显著,最大应变相差38.46%;煤样含水状态显著影响能量传递效率,其中自然和饱水煤样的能耗密度均与入射能呈线性增长关系,且自然煤能量反射率大于饱水煤能量反射率,自然煤透射率小于饱水煤透射率,耗散率二者近似相等。

真三轴动静组合加载饱水煤样能量耗散特征

煤矿冲击地压发生与煤岩的物理力学性质、所受静载荷与动载荷的结构失稳等因素有关。煤岩体失稳过程伴随着能量的吸收、储存、转换和释放,现场煤岩体破坏是受多种环境影响下的复杂过程,较难完成定量描述煤岩体释放吸收能量的大小,真三轴动静组合加载条件煤岩变形破坏的机理和能量耗散特征值得深入研究。采用真三轴动静载霍普金森冲击加载系统对自然与饱水2种状态煤样进行不同动静组合加载试验,通过试验分析2种状态煤样真三轴动静组合加载变形破坏过程中各能量变化规律及占比特征。试验结果表明:通过饱水处理能够降低煤样对弹性能量的储存能力,饱水煤样的能量反射率比自然煤样高17.25%~37.04%,在相同Y轴静载作用下自然煤样的能量吸收率比饱水煤样高17.13%~55.95%;揭示了自由水在煤样裂隙中抑制能量的透射率,使入射能以反射能的方式进行无用耗散,减小煤样的能量吸收率;自然煤样的能耗密度大于饱水煤样,在冲击加载X方向煤样能耗密度与峰值动态应力呈正相关,在Y,Z轴方向呈负相关。证实了水在三维动静组合加载作用下对煤样吸能破坏的诱导作用,冲击能量在煤样中被煤样和水吸收,煤样吸收能量用于诱导形成新的裂隙,形成煤样宏观破坏,水吸收能量用于新旧裂隙的相互贯通,形成煤样内部微观结构破坏。

饱水煤样巴西劈裂强度和能量特征试验研究

针对赵固二矿二1煤层煤样在自然和饱水状态下进行巴西劈裂试验,分析了饱水对煤体劈裂强度和能量特征的影响。试验结果表明:加载过程采用载荷控制时峰值前拉应力与时间呈良好线性关系,达到峰值后应力瞬间跌落为零,表现出明显脆性破坏特征;采用位移控制时峰值前拉应力与时间呈非线性关系,峰值后出现分次破坏特征,但两种控制方式在试验破坏前没有本质区别;并得出两种状态下煤样抗拉强度和峰值能率存在差异,自然状态下抗拉强度为1.52MPa,峰值能率为881J/m2,但饱水后,煤样抗拉强度平均软化系数为0.65,平均峰值能率降幅为36.0%;两种状态下煤样抗拉强度与峰值能率大致呈线性关系,表明煤样抗拉强度越高,需要更多能量才能使煤样劈裂破坏。

自然和饱水煤样巴西劈裂过程声发射幅频特征试验

为研究水对煤样拉伸破裂过程中力学及声发射特性的影响,对自然和饱水煤样进行巴西劈裂试验,利用频谱分析法对声发射波形信息进行研究。试验结果表明:拉伸破裂过程中,饱水煤样主频集中范围小于自然煤样;破坏阶段饱水煤样释放的能量比自然煤样少,其最大主频幅值低于自然煤样;自然煤样声发射信号以低频低幅值、中频低幅值和高频低幅值信号为主,煤样破裂时低频和高频信号有向中频带转移的趋势,饱水煤样声发射信号以低频低幅值信号为主,煤样破裂时低频高幅值和中频低幅值信号增加;低频高幅值信号对应煤样破裂过程中大尺度裂纹产生;饱水煤样破裂时低频高幅值信号数量多于自然煤样,反映了饱水煤样破裂时产生的大尺度裂纹更多。

干燥和饱水条件下煤样破坏特征及红外辐射演化规律研究

为探究饱水煤样红外演化特征,对干燥和饱水煤样进行加载试验,对比分析干燥和饱水煤样受载过程中应力变化、温度变化以及红外辐射演化特征。结果表明:干燥煤样破坏产生喷射现象,而饱水煤样受载过程中较平静;相同应力条件下饱水煤样的位移量和塑性强度均大于干燥煤样的位移量和塑性强度,但弹性模量、载荷峰值均小于干燥煤样的弹性模量及载荷峰值;干燥煤样受载过程中平均热红外辐射温度整体为上升趋势,而饱水煤样表现为下降趋势;低温异常预示着发生张拉破坏,高温异常预示着发生剪切破坏;干燥和饱水煤样主要破坏方式分别为剪切破坏和张拉破坏。

真三轴动静组合加载饱水煤样动态强度特征研究

为探讨含水煤样在动静组合加载条件下煤样的受力特性及强度变化特征,分析在真三轴与常规三轴动静组合加载条件下动态强度的差异性,采用真三轴动静载霍普金森冲击加载系统对自然和饱水7d煤样进行试验。结果表明,饱水7d煤样在X轴方向的动态强度比自然煤样平均低约17.43%,Y轴方向的动态强度比自然煤样平均高约15.88%,Z轴方向的动态强度比自然煤样平均高约14.23%。随着中间主应力的变化,自然和饱水7 d煤样的动态强度均表现先增大后减小的现象,且转折点均为中间主应力为6 MPa,表明煤样对三轴静载约束力的依赖性,揭示饱水对煤样的强度及变形影响比较显著。分析了2种加载系统作用下煤样内部含水裂隙扩展方式的差异性是导致煤样强度变化规律相反的主要原因。

自然和饱水煤样受载破坏声发射特征实验研究

开展了单轴压缩自然和饱水煤样受载破坏实验,测试了煤样在整个加载过程中声发射信号脉冲、能量及主频等各参数的变化规律,对比分析了这2种煤样破坏声发射各参数随加载应力变化的差异性,总结了煤样失稳过程中声发射信号的前兆特征。结果表明:在压密阶段,2种煤样脉冲数和能量值较小,频带范围较宽,主频不突出;在线弹性阶段,自然煤样声发射脉冲数、能量值及主频波动上升,而饱水煤样在该阶段中后期声发射现象才开始明显出现;随着加载的进行,2种煤样声发射都出现了平静期,饱水煤样平静期出现较晚,持续时间也较短;煤样主频逐渐向低频移动,主频振幅却呈现出快速增高后下降趋势。

天然与饱水状态下煤样动静力学特性

为了研究煤层中水含量对冲击震动波衰减及冲击能量的散射影响,采用霍普金森杆(SHPB)和伺服液压试验系统对自然状态和7 d饱水状态下煤样进行了力学特性试验。在静态单轴压缩和无围压SHPB试验下,7 d饱水煤样与天然状态煤样的强度软化系数最大值分别为0.69和0.59;在围压SHPB试验施加5 MPa的围压和8 MPa的轴压下,7 d饱水状态下煤样的动载强度比天然煤样高7.85%~18.44%;在三轴围压加载试验施加围压分别为3、6和9 MPa下,7d饱水状态下煤样的动强度比天然状态下动强度高7.85%~18.44%。天然状态下煤体试件从开始破坏到完全破坏的时间较长,破坏的颗粒较大,饱水状态下煤体破坏的时间较短,煤样破坏颗粒较小,三轴加载和动载围压作用加载前后煤样粒径没有明显差异。

动静组合加载含水煤样的力学特征及细观力学分析

为分析含水煤样在动静组合加载下的力学性质,利用改进SHPB和RMT-150试验系统对义马矿区二1煤样进行动静组合加载、静载对比试验。结果表明：静载加载,煤样的应力-应变关系形态与动静组合加载应力-应变关系形态明显不同,煤样的峰值强度、弹性模量随饱水时间增加而降低,饱水3 d和7 d煤样抗压强度软化系数分别为0.66和0.52;动静组合加载,煤样动态峰值强度随饱水时间增加而降低,饱水3 d和7 d抗压强度软化系数分别为0.65和0.60,动态弹性模量却逐渐升高,提高系数分别为1.15和1.37,与饱水砂岩试验结果相比不同;动静组合加载煤样随饱水时间增加煤样破坏颗粒度逐渐减小,水对煤样动态破坏影响较显著;基于翼形裂纹受压扩展原理,推导出动静组合加载下饱水煤样动态强度计算公式;煤样动态强度比静态强度试验结果提高10%~30%,表明动静组合加载下煤样的变形、强度特征与煤样自身结构、含水状态和加载方式多重因素有关。

三维动静组合加载含水煤样强度特征试验研究

为探讨含水煤样动静组合加载下的力学特征,利用改进split Hopkinson pressure bar(SHPB)和RMT–150试验系统对自然和饱水7 d煤样进行了三维动静组合加载、三维静载对比试验。结果表明:三维静载试验中,自然煤样峰值强度变化幅度为10.49%,饱水7 d煤样峰值强度变化幅度为59.98%,饱水强度软化系数为0.81;三维动静组合加载试验中,轴压强度低于单轴静载煤样强度的55%时,饱水7 d煤样的动态强度高于自然煤样动态强度,饱水7 d煤样比自然煤样动态强度分别提高了7.85%~18.44%(围压4 MPa)和8.71%~19.84%(围压8 MPa);不同围压相同轴压试验中,自然和饱水7 d煤样的动态强度随着围压增大均呈增大趋势,饱水7 d煤样动态强度增加幅度比自然煤样动态强度增加幅度大,表明饱水煤样对围压变化的响应较强。揭示饱水对煤样的强度影响较显著,但应变率起到控制作用,中或高应变率条件下裂隙水与裂隙耦合形成较大刚度,三维动静组合加载饱水煤样动态强度呈增高特征。