煤巖在沖擊荷載下破壞方式的數值模擬研究.pdf

1、我國的煤炭儲量豐富，但是由于其成煤特性和生產工藝（包括綜采、機運和轉載等）的影響，原煤到達用戶時較為破碎，成塊率低，嚴重制約了煤炭的使用價值，而且在開采過程中常伴有煤與瓦斯突出、沖擊地壓等動力災害，直接關系到煤礦的安全生產和人員的生命安全。煤巖不僅作為開采的對象，而且也是沖擊地壓等動力災害最直接、最脆弱的受體，所以不管是為提高煤巖的成塊率，還是從煤礦動力災害的治理的方面來講，研究動載下煤巖的動態(tài)力學性能都具有重要的實際意義。本文以計算動

2、力學為理論基礎，以淮南潘謝煤礦13-1煤層煤巖為研究對象，研究了煤巖試樣在碰撞沖擊荷載下的動態(tài)響應、破壞模式，并且對復雜應力狀態(tài)下煤巖的動態(tài)力學性能進行了數值模擬研究。主要內容如下:
　　1)利用φ75mm帶有高速攝像的霍普金森壓桿(SHPB)實驗裝置，研究了不同撞擊速度下煤巖的應變率效應及其破壞的方式，從細觀角度分析了裂紋產生和擴展的過程。
　　2)介紹了沖擊動力學問題的數值方法實現的過程，并以彈性桿撞擊為例，選取了幾個特

3、征參量，對比分析了解析解和數值模擬結果的有效性和計算的精度，驗證LS-DYNA程序求解沖擊動力學問題的適用性。
　　3)對HJC模型進行了詳細的說明，通過煤巖的靜態(tài)壓縮實驗、拉伸實驗、Hopkinson壓桿實驗，結合煤巖三軸實驗、Hugoniot實驗的文獻數據，確定了煤巖HJC本構模型參數的取值，將HJC本構模型推廣到煤巖材料，并且對關鍵參數的敏感性進行了研究。結果表明:該模型能夠在一定程度上反映煤巖在沖擊荷載下的應變率效應和應變

4、軟化性質，基本可以反映煤巖在沖擊荷載下的力學行為，可供工程設計與分析參考。
　　4)建立了煤巖SHPB實驗數值模型，驗證了試件的應力均勻性，對煤樣的動態(tài)應力應變曲線、破壞形態(tài)與實驗結果進行了對比，分析了煤巖破壞過程中裂紋擴展的規(guī)律及能量耗散特性。
　　5)對被動圍壓下煤巖SHPB實驗進行了數值模擬研究，分析了圍壓對動態(tài)強度、延性以及煤巖破壞方式的影響;推導了應力波理論在一維動靜組合加載中的適用性，通過ansys/ls-dyn