论文部分内容阅读
目前,在西部矿区冻结法立井建设过程中,常遇到侏罗系煤层上覆巨厚白垩系富水弱胶结软岩,而对于这类地层的冻结凿井设计缺乏完善的理论依据和可靠工程经验,使得在实际工程中因施工爆破、机械破岩等不同梯度冲击荷载引起的冻结壁失稳出水事故频发,造成工期延误及重大经济损失。因此,开展梯度冲击作用下冻结饱水红砂岩的动力学特性和损伤效应试验研究具有重要意义。本文以甘肃省五举煤矿冻结凿井穿越的白垩系富水软岩为研究对象,通过现场取样进行室内SHPB梯度冲击和核磁共振试验,同时结合理论分析和数值模拟技术进行综合分析研究,主要研究内容和结论如下:(1)通过室内静力学试验、矿物成分分析以及电镜扫描,对西部地区富水弱胶结红砂岩的基本物理参数指标、矿物成分及细观结构进行了测定,得出西部矿区红砂岩为高孔隙度(孔隙度高达25.8%)弱胶结砂岩,饱水状态下静力学参数弱化现象突出。(2)利用φ50mm霍普金森压杆(SHPB)系统对冻结红砂岩进行冲击压缩试验,依据试验结果,研究了在不同梯度冲击作用下冻结红砂岩的应力-应变曲线特征、峰值强度、峰值应变及动态弹性模量与应变率的关系。发现梯度冲击与低温耦合作用下的红砂岩动态应力应变曲线特征,可分为3个阶段:线弹性上升段、较长屈服阶段和卸载破坏段。随着冻结温度降低,正梯度冲击试样的各项动力学参数均小幅弱于负梯度冲击,表明冻结红砂岩在正梯度冲击下抵抗变形能力弱于负梯度冲击。同时在高应变率冲击下,正、负梯度冲击均在-5℃～-10℃区间内存在冻结不稳定减弱区。(3)结合SHPB冲击压缩试验和核磁共振试验结果,分析了冻结红砂岩的累积损伤演化过程,揭示了冻结红砂岩在梯度动荷载作用下的损伤机理。得出正梯度冲击下的损伤度及扩展演化速率均高于负梯度冲击;正梯度冲击的拐点温度出现在-10℃,而负梯度冲击的拐点温度较正梯度提前出现在-5℃;正、负梯度冲击下,在拐点温度之前,冻结温度的降低对试样损伤演化起劣化作用,而在拐点温度之后,则起到强化作用。(4)依据动力学试验结果,对梯度冲击下冻结红砂岩的HJC本构模型参数进行识别,采用数值模拟软件ANSYS/LS-DYNA对不同梯度冲击压缩试验数据进行数值模拟,研究了应力波在试样内部的传播过程以及试样的损伤演化过程。结果表明:HJC本构模型可以反映冻结红砂岩在SHPB冲击试验中的动力学行为及损伤演化规律。