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水是影响煤矿安全?高效生产最活跃的因素之一,它对煤炭开采具有双重力学作用?一方面,煤层注水是厚煤层开采?防治冲击地压和煤与瓦斯突出?降低粉尘等的重要工业性措施;另一方面地下水渗透会造成顶板大面积垮落?矿井突水等灾害?此外,水也会导致构造软化易诱发矿震等动力灾害?因此,深入研究含水煤的力学特性及其变化规律对于防止矿井灾害事故的发生和指导优化注水或水力压裂参数都具有重要的理论和实际价值?
目前很少涉及含水煤体的断裂力学行为的研究?为此,本文以“含水煤样+静/动载荷”失稳断裂为工程背景与研究主题,综合运用理论分析?室内试验和数值模拟等手段,研究含水率为0?1.8%和3.6%煤体的单轴和常规三轴压缩?巴西劈裂下的力学特征,复合断裂静力学特性?及水对煤样动态断裂韧度及裂纹扩展速度的影响,最后探讨了煤饱水后的微细观结构对宏观力学性能的影响机制,研究结果将为含水煤体失稳断裂机制?动力灾害防治等提供理论基础和技术参考?主要结论如下:
(1)基于RMT-150C试验系统,开展单轴压缩和常规三轴压缩试验,研究含水率对煤样拉伸和压缩力学性能的影响?获得了含水率与煤样抗拉强度?单轴抗压强度和弹性模量之间的关系表达式?分析了不同围压下煤样三轴压缩强度?弹性模量与含水率的变化规律,研究了水对煤样应力-应变曲线特征?破坏模式的影响?定量得到了不同含水率下煤样内摩擦角和粘聚力的损失率?
(2)通过非对称加载的半圆盘弯曲(ASCB)试验方法,研究水对煤样复合断裂韧度?起裂角和破坏模式的影响?获得了获得含水煤样试样纯I型?纯Ⅱ型断裂韧度损失率,得到KIIC/KIC比值,分析了考虑T应力的复合断裂准则对复合断裂韧度的拟合精度,建立了煤样试样在不同混合度情况下最大环向应力预测的起裂角与实测值之间的关系?分析对比了NSCB试验与ASCB试验优缺点?
(3)针对含水半圆盘煤样等低强度材料,分析了传统SHPB试验存在的透射波弱等难点问题,并提出相应的解决方案?试验使用铝制入射杆和透射杆达到阻抗匹配?带底座支架的铝制透射杆减少透射波的衰减,并结合纺锤型冲头获得稳定的可重复加载的半正弦波形,消除波形振荡,最终获取较大的透射波信号?
(4)基于修改后的SHPB试验系统,开展了不同含水煤样的动态断裂试验,并通过裂纹扩展计(CPG)和高清摄像系统监测了裂纹扩展和破坏情况,研究了动力扰动下水对断裂韧度?裂纹扩展速度及破坏模式等力学特性的影响机制?获得煤样试样断裂韧度的率相关性,定量分析了一定加载率下水对煤样动态裂纹扩展速度的影响,得到了不同加载时刻煤样试样的应变变化特征及破坏行为?
(5)基于电镜扫描技术的煤样微观结构特征和超声波检测仪的纵波波速特征,获得了不同含水率煤样内部的微细观结构和纵波波速值,得到了浸水前?后煤样纵波波速与含水率的变化规律?通过核磁共振技术,获得煤样的孔隙度和T2曲线的分布特征,建立T2谱峰值幅度,谱峰面积?第二峰所占比例与含水率之间关系?最后结合论文试验结果和国内外研究结果,从微观角度探讨了水的弱化机理和增强作用机理?
目前很少涉及含水煤体的断裂力学行为的研究?为此,本文以“含水煤样+静/动载荷”失稳断裂为工程背景与研究主题,综合运用理论分析?室内试验和数值模拟等手段,研究含水率为0?1.8%和3.6%煤体的单轴和常规三轴压缩?巴西劈裂下的力学特征,复合断裂静力学特性?及水对煤样动态断裂韧度及裂纹扩展速度的影响,最后探讨了煤饱水后的微细观结构对宏观力学性能的影响机制,研究结果将为含水煤体失稳断裂机制?动力灾害防治等提供理论基础和技术参考?主要结论如下:
(1)基于RMT-150C试验系统,开展单轴压缩和常规三轴压缩试验,研究含水率对煤样拉伸和压缩力学性能的影响?获得了含水率与煤样抗拉强度?单轴抗压强度和弹性模量之间的关系表达式?分析了不同围压下煤样三轴压缩强度?弹性模量与含水率的变化规律,研究了水对煤样应力-应变曲线特征?破坏模式的影响?定量得到了不同含水率下煤样内摩擦角和粘聚力的损失率?
(2)通过非对称加载的半圆盘弯曲(ASCB)试验方法,研究水对煤样复合断裂韧度?起裂角和破坏模式的影响?获得了获得含水煤样试样纯I型?纯Ⅱ型断裂韧度损失率,得到KIIC/KIC比值,分析了考虑T应力的复合断裂准则对复合断裂韧度的拟合精度,建立了煤样试样在不同混合度情况下最大环向应力预测的起裂角与实测值之间的关系?分析对比了NSCB试验与ASCB试验优缺点?
(3)针对含水半圆盘煤样等低强度材料,分析了传统SHPB试验存在的透射波弱等难点问题,并提出相应的解决方案?试验使用铝制入射杆和透射杆达到阻抗匹配?带底座支架的铝制透射杆减少透射波的衰减,并结合纺锤型冲头获得稳定的可重复加载的半正弦波形,消除波形振荡,最终获取较大的透射波信号?
(4)基于修改后的SHPB试验系统,开展了不同含水煤样的动态断裂试验,并通过裂纹扩展计(CPG)和高清摄像系统监测了裂纹扩展和破坏情况,研究了动力扰动下水对断裂韧度?裂纹扩展速度及破坏模式等力学特性的影响机制?获得煤样试样断裂韧度的率相关性,定量分析了一定加载率下水对煤样动态裂纹扩展速度的影响,得到了不同加载时刻煤样试样的应变变化特征及破坏行为?
(5)基于电镜扫描技术的煤样微观结构特征和超声波检测仪的纵波波速特征,获得了不同含水率煤样内部的微细观结构和纵波波速值,得到了浸水前?后煤样纵波波速与含水率的变化规律?通过核磁共振技术,获得煤样的孔隙度和T2曲线的分布特征,建立T2谱峰值幅度,谱峰面积?第二峰所占比例与含水率之间关系?最后结合论文试验结果和国内外研究结果,从微观角度探讨了水的弱化机理和增强作用机理?