冲击载荷下煤岩多尺度断裂失稳机理及率响应模型研究

According to the complexity of dynamic fracture in coal, the mechanism of dynamic instability disaster of coal mass is still unclearly. In this study, the multi-scale mechanism and strain rate effect on dynamic fracture in coal will be investigated. The mechanism and the related propagation feature of micro cracking in coal under dynamic loading will be discussed. The multiscale criterion and the relationship of the microscopic and macroscopic characteristics of dynamic fractures in coal will be developed. The scale effect and the strain rate effect on the dynamic fracture properties of coal will be explored. Moreover, the interaction mechanism between the size effect and strain effect on the dynamic fracture will be discussed. Then, based on the established theory model, the nonlinear simulation will be carried out. The numerical simulation will focus on the multiscale dynamic fracture mechanism of coal and coal mass structure. The multi-scale spatial-temporal evolution of dynamic fracture and the dynamic responses of coal mechanical properties will be studied. Finally, the law of energy release and dissipation in multi-scale fracture process of coal under impact loading will be explored. The investigation will provide theoretical basis for early warning and prevention of dynamic failure of coal mass.

针对煤矿冲击动力失稳灾害孕育和发生过程中煤岩动态断裂机理这一复杂问题，以冲击载荷下煤岩断裂失稳的多尺度和多应变率响应规律为研究主线，系统研究不同冲击载荷下煤岩断裂裂纹演化规律和微观破裂机制，建立不同应变率下煤岩动态断裂裂纹微观和宏观特征之间的联系及跨尺度动态断裂破坏准则；揭示煤岩动态断裂力学性质的尺度效应和应变率效应，探讨煤岩动态断裂尺度效应和应变率效应之间的互馈机制；运用先进的非线性动力学数值模拟程序，利用所建立的理论模型，对煤岩样和煤岩工程结构体的动态断裂失稳机理进行多尺度模拟，分析煤岩动态断裂多尺度时空演化规律和动力学响应特征，探求冲击载荷下煤岩动态多尺度断裂过程中能量释放和耗散规律，为煤矿冲击动力失稳灾害孕灾机理和预警防治提供理论基础。

随着我国煤矿开采深度的加大和赋存条件的恶化，深部大空间快速推采的开采模式导致采动应力场的时空关系和动力学特征更加复杂，极易诱发矿山煤岩体动力失稳灾害，造成严重破坏和人员伤亡，因此研究煤岩冲击动力失稳机理具有重要意义。本项目针对煤矿冲击动力失稳灾害孕育和发生过程中煤岩动态断裂机理这一复杂问题，以冲击载荷下煤岩断裂失稳的多尺度和多应变率响应规律为研究主线，系统研究了冲击载荷下煤岩多尺度断裂裂纹演化特征和微观破裂机理、冲击载荷下煤岩动态断裂力学性质的层理效应与应变率效应和冲击载荷下煤岩多尺度断裂破坏准则。研究建立了煤岩动态多尺度断裂破坏微观和宏观特征之间的联系，揭示了冲击载荷下煤岩动态断裂破坏的微观机理；获得了煤岩动态断裂力学性质的层理效应和应变率效应，发现了煤岩动态断裂层理效应和应变率效应之间的互馈机制；获得了煤岩动态断裂多尺度时空演化和动力学响应规律，揭示了冲击载荷下煤岩动态多尺度断裂过程中能量释放和耗散规律；提出了冲击载荷下层理煤岩裂纹断裂准则及起裂偏转的能量判据。项目开展以来，在科学出版社出版专著1部；共发表论文69篇，其中SCI收录43篇，EI收录23篇，中文核心期刊3篇；申请专利4项；项目负责人获国家杰出青年科学基金项目资助，项目培养博士后2名，博士3名，硕士5名；举办国际会议2次，作特邀报告6次；获省部级科技进步一等奖1项，二等奖3项，并获国际先进材料协会（IAAM）科学家奖。研究成果有助于探寻煤岩体失稳灾变的主控因素，并为深部开采煤岩体动力灾害孕灾机理和预警防治提供理论基础。