高压水射流冲击煤体损伤的数值模拟研究 优先出版.pdf

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1、工业安全与环保2017年第43卷第4期·4·IndustrialSafetyandEnvironmentalProtectionApril2017*高压水射流冲击煤体损伤的数值模拟研究1121张嘉勇崔啸韩凌玲许慎(1．华北理工大学矿业工程学院河北唐山063009;2．河北能源职业技术学院河北唐山063004)摘要为研究高压水射流破煤过程中煤体的损伤状态及压力的分布状态，论文采用J－H－C含损伤本构模型，水射流采用Bridgman状态方程，通过拉格朗日－欧拉有限元法模拟计算高压水射流冲击煤体的损伤机制，得出了煤体在高压水射流冲击作用下不同时刻的损伤变化情况。结

2、果表明，煤体在高压水射流作用下，在接触点两边形成“肺叶状”负压力区，煤体所受压力逐渐减小;冲击速度和产生的损伤随时间变化逐渐减小，损伤主要集中于坑洞底部。关键词高压水射流冲击损伤本构模型NumericalSimulationＲesearchonDamageofCoalunderHigh－PressureWaterJet1121ZHANGJiayongCUIXiaoHANLinglingXUShen(1．CollegeofMiningengineering，NorthChinaUniversityofScienceandTechnologyTangshan，H

3、ebei063009)AbstractToinvestigatemechanismofthecoaldamagestatusandthecontactpressuredistributioninimpactprocessofhigh－pressurewaterjet，theJ－H－Cconstitutivemodelisadopted，andthewaterjetisdescribedwiththeequa-tionofBridgmanstate．Theinjurymechanismofhigh－pressurewaterjetimpactcoaliscal

4、culatedbyLagrange－Eulerfiniteelementmethod，findingoutthetraumaticchangesofcoalatdifferenttime．Theresultsshowthatthecoalformsa“lung”negativepressurezoneonthecontactpointunderhigh－pressurewaterjetandthepressureonthecoaldecreasesgradually．Theimpactspeedanddamageofcoaldecreasewiththein

5、creaseoftimeandthedamageismainlydistributedatthebottomofthehole．KeyWordshigh－pressurewaterjetimpactdamageconstitutivemodel0引言用任意拉格朗日－欧拉流固耦合模型对高压水射流早在19世纪中期，矿业领域就已经开始采用水冲击煤体损伤机制进行了有限元数值计算，得出了射流技术辅助开采矿物质，从最初利用水射流开采煤体在高压水射流冲击作用下不同时刻损伤变化情非固结的矿体发展到如今，水射流作用范围很广，应况。用形式也越来越多种多样。随着该技术应用范围的1

6、数值计算模型不断扩展，对于高压水射流的研究也越来越多。倪由于射流冲击破坏煤体的模型为流－固耦合模红坚、王瑞和、卢义玉等人对高压水射流冲孔过程及型，在运用拉格朗日－欧拉有限元法构建模型时，将［1－4］破煤、岩机制进行了研究;廖华林、李根生等人射流和靶向煤体视为彼此接触的两个物体。数值模对淹没条件下超高压水射流冲击岩石破碎条件的影拟中水射流以较高速度冲击作用煤体，故不对作用［5－6］响因素进行了分析;穆朝民、张文华、刘佳亮、秦面上的受力状态进行假设分析，使构建的模型与两超等人对高压水射流的破煤机理及煤体破裂的动态者的力学参数状态更切合。［7－11］［12］变化进

7、行了数值模拟;司鹄等通过数值模1．1本构及损伤模型拟围岩在冲击波下的损伤，得出高围压状态下的岩煤体的裂隙和孔隙分布不均匀，造成煤体力学石损伤沿轴向的演化速率明显低于无围压状态下的性质变化呈现各向异性。在高压水射流冲击作用岩石，这些研究极大地促进了高压水射流破岩/煤机下，媒体的力学性质相继表现出弹性、塑性，然后在制的理论。而煤体在高压水射流冲击作用下煤体的巨大冲击荷载下，其孔隙和裂隙会出现结构上不可损伤形式及压力分布仍需进一步研究，这有助于高逆转的损伤。论文采用的Johnson－Holmquist－Con-压水射流防突设备设计和技术参数的确定。论文采crete

8、(简称J－H－C)含损伤本构模型如式(1)所示。*基