煤岩动力学相似准则下的相似材料配比研究

摘要

冲击地压是一种动静载叠加作用下的突发性动力灾害，致灾机制复杂、破坏剧烈，严重威胁矿井安全.为在实验室中真实再现冲击地压的破坏过程，亟需一种模拟冲击地压灾害的煤岩动力学相似准则.因此，提出了一种以加速度相似比为核心的动力学相似准则系数，构建了以动力学相似准则系数为控制参量的煤岩动力学相似准则体系，分析了动力学相似准则系数与应力、弹性模量、时间及应变率相似比之间的耦合关系，规定了不同几何相似比下模型应力曲线的适用范围及动力学相似准则系数的取值范围，为冲击地压的动力学物理模拟提供了理论基础.在相似材料方面，以氟硅酸钠、滑石粉和水玻璃为基础原料，通过正交试验的方法，设计了4组相似材料配比方案，制备了16种相似材料的标准试样并开展了单轴压缩试验与循环加卸载试验，系统分析了不同配比方案对相似材料力学性能的影响.结果表明：增加氟硅酸钠和滑石粉的含量可显著提高材料密度、强度和刚度，增强模型的冲击倾向性.通过多元线性回归的方法分析了材料占比与抗压强度、弹性模量、密度及动态破坏时间之间的定量关系，建立了一种可调控、多指标优化的相似材料设计方法 .以深部冲击危险煤层为例，结合动力学相似准则与相似材料回归结果，确定了模型物理参数及相似材料配比，分析了煤岩动力学相似准则与相似材料之间的匹配特性.研究成果为冲击地压动力学物理模型的构建与相似材料选型提供了系统方法与实践参考.

关键词

冲击地压 / 相似准则 / 相似材料 / 物理模型 / 动力学

基金资助

国家重大科研仪器研制项目（部门推荐）（52227901）; 国家重点研发计划项目（2022YFC3004603）