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  • ISSN:0253-9993
  • CN: 11-2190/TD

《煤炭学报》

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基于应力波效应的磨料射流破煤能量准则

作者(Author):

  • 陈长江
  • 朱英
  • 李志平
  • 张慧栋
  • 刘勇

作者单位:

  • 重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室
  • 重庆大学 复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室
  • 中铁装备集团有限公司
  • 河南理工大学 瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室培育基地
  • 煤炭安全生产 与清洁高效利用省部共建协同创新中心

关键词:

  • 磨料射流
  • 能量准则
  • SHPB 实验
  • DIC实验
  • 应力波效应
  • 摘要
  • 论文图表
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  • 引用格式

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。

:陈长江,朱英,李志平,等.基于应力波效应的磨料射流破煤能量准则[J].煤炭学报,2022,47(9):3320-3327.
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