冲击载荷下煤的动态破坏特性与工程应用研究

本研究论文深入探讨了冲击载荷作用下煤的破坏特性，针对这一关键领域，作者利用霍普金森压杆（SHPB）实验系统进行了一系列实验。SHPB是一种常用于研究材料动态响应和破坏行为的实验方法，通过控制加载速度，模拟了不同应变率条件下的煤样冲击测试。 首先，研究发现煤的动态应力-应变曲线呈现出独特的特征，基本没有明显的下凹段，这表明其在冲击载荷下的应力响应呈现出线性或接近线性的行为。这个过程可以被划分为三个阶段：线弹性阶段，即初始加载时的刚性反应；接着是弹塑性阶段，应力开始增加并导致材料变形；最后是塑性软化阶段，材料达到极限强度后开始破裂。 其次，实验数据揭示了冲击气压对煤的动态力学性能的影响。随着冲击气压的增加，煤的平均应变率和最大应变率表现出指数增长的规律，这意味着在更高压力下，煤的响应速度显著加快。动态弹性模量和动态抗压强度则与应变率呈线性关系，这表明应变率对煤的硬度和抵抗破坏的能力有直接影响。 在破坏形态方面，冲击载荷下煤的破坏主要表现为劈裂破坏和碎裂破坏两种形式，这有助于理解煤体在冲击载荷下的宏观破裂机制。值得注意的是，破碎后的煤样表现出明显的自相似性，这是分形理论的重要应用。分形维数的线性增加反映了煤体在破坏过程中尺寸分布的无标度性质。 最后，研究发现动态抗压强度和弹性模量与分形维数之间存在近似的正相关关系，这表明分形维数可能成为一个预测和评估煤体在冲击载荷下破坏程度的重要指标。这些研究成果对于深入理解深部矿山采掘工程中的冲击地压问题，优化设计防灾减灾措施，以及提升矿山开采的安全性和效率具有重要的理论指导和实践价值。 该研究通过对冲击载荷下煤的破坏特性的细致分析，不仅深化了我们对煤动态力学行为的认识，也为实际工程中的冲击灾害防控提供了宝贵的数据支持和技术依据。