力-热耦合作用下煤岩动力学特性和破碎机理研究

摘要

为了安全高效地进军深部煤炭资源开采，开展深地“三高一扰动”环境下煤岩的动态力学特性和破碎机理研究，采用自主改进的?50 mm高温同步分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统，对25～200℃温度下煤岩进行动态冲击试验研究，并改进ZWT粘弹性本构模型建立考虑温度效应的煤岩动态本构方程，基于有限差分-离散元数值模拟研究高温效应对煤岩裂纹发育规律及其动态强度的影响。研究表明：高温冲击作用下煤岩的动态应力应变曲线可划分为四个阶段：压密阶段、弹性阶段、裂纹增长阶段和软化失效阶段；随着温度的增加，煤岩的动态抗压强度和动态弹性模量劣化明显，失效应变呈现增加趋势，吸收能则呈现W型波动趋势；破碎粒径减小，分形维数则呈现明显的线性增加，抗压强度越低，破碎程度越高，破碎模式更为复杂；基于ZWT改进后的动态本构模型良好地表达高温冲击后的应力应变关系，但对压密阶段的表达不甚理想；模拟和试验结果显示煤岩在150℃高温后水成分和吸附气体活跃析出，煤基质受热膨胀破裂，出现明显细观裂纹，并逐渐发育为贯通裂纹，其中以剪切裂纹为主。煤岩在100℃下动态压缩的裂纹发育从受撞击面发育贯通，高温劣化煤岩强度。研究结论为“三高一扰动”深部复杂地况下煤炭资源安全高效开采提供基础理论支持。

关键词

深部煤岩 / 力-热耦合 / 分离式霍普金森压杆 / 动态本构模型 / 有限差分-离散元

基金资助

国家重点研发计划项目(2020YFA0711800); 国家自然基金项目(12072363)