基于应力波效应的磨料射流破煤能量准则
陈长江1
朱英2
李志平3
张慧栋1
刘勇3
1.重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室,重庆 400030;重庆大学复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室,重庆 4000302.中铁装备集团有限公司,河南郑州 4500163.河南理工大学瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室培育基地,河南焦作 454000;煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心,河南焦作 454000
摘要：磨料射流是一种操作简单、切割效率高的绿色加工技术.在矿山开采、油气开发等领域,被广泛应用于破碎煤岩.磨料射流破煤是射流能量传递、转化和释放的过程.射流能量以循环、冲击载荷形式直接加载于射流-煤岩接触区域,并以球面应力波形式向煤岩内部传递.当应力波能量高于煤体破坏阈值,煤体发生破坏.然而,目前磨料射流破煤过程中的应力波传播规律及有效破煤范围不明确.因此,基于应力波效应分析了局部微裂纹时起裂时的煤岩能量密度,结合磨料射流特性,建立了描述磨料射流破煤能量准则;采用能量等效方法,基于SHPB(Split Hopkinson Pressure Bar,分离式霍普金森杆)实验,研究了相同入射能量下煤样能耗规律及破坏特征,计算了能量准则中的煤岩参数;在此基础上,采用DIC(Digital Image Correlation,数字图像相关法)实验获取了磨料射流冲击下应力波传播规律,并采用能量准则计算了磨料射流破煤的理论范围;通过对比实际和理论破煤深度,验证了磨料射流破煤能量准则.结果表明:磨料射流冲击过程中,煤体发生破坏的能量阈值决定于应力波波速、煤岩破碎能耗密度、碎块平均粒径及磨料射流冲击频率.随入射能量增加,煤样应变率增大,能耗密度增加,但入射能量有效利用率降低;煤体吸收的能量,主要是被用于微裂纹扩展,且破碎后的碎块平均直径与煤样应变率呈一次函数关系.球面应力波传播过程中具有明显时空特征,且沿传播方向能量发生衰减;又由于煤体原生孔、裂隙发育,应力波会出现聚集、叠加,导致局部能量增加.当应力波能量高于煤体裂纹起裂时的能量阈值时,煤体出现破坏.
关键词：磨料射流能量准则SHPB实验DIC实验应力波效应
分类号：P618.11(矿床学)TD82(矿山开采)
资助基金：国家自然科学基金(51974109)中原千人-中原领军人才资助项目(ZYQR201912036)河南省高校科技创新人才资助项目(21HASTIT009)
论文发表日期：2022-09-28
在线出版日期：2025-08-15（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：8( 3320-3327 )
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