全球能源结构转型背景下,煤层气(CBM)作为重要的非常规天然气资源,其开发对优化能源供给与应对气候变化具有双重战略意义。我国煤层气储量丰富,但我国煤层气储层具有地质复杂、含气饱和度低、渗透率低与资源丰度低等特点,导致国外煤层气开采技术在我国应用效果较差。故在煤层气开采前需要对煤层进行人工造缝致裂来提高煤层气产量,其中中高应变率致裂技术在煤层致裂中具有显著优势,因此研究中高应变率下煤岩体损伤及裂纹动态断裂规律对于煤层气的开发利用具有重要意义。 本文通过理论分析、物理试验和数值模拟相结合的方法,设置两种试验分别研究了冲击荷载作用下煤岩体损伤特性与裂纹动态断裂机理。利用分离式霍普金森压杆(SHPB)对不同围压、不同冲击速度下的标准圆柱煤岩体进行循环冲击试验,通过煤岩体的应力波特性、力学特性、变形特性、能量吸收特征以及破坏形态来研究冲击荷载作用下煤岩体损伤特性,推导并改进了损伤本构方程;利用大尺寸霍普金森压杆对侧开单裂纹半孔板(SCSCC)煤岩体进行冲击试验,设置不同冲击速度、不同预制裂纹与中轴线距离的变量,分析了煤岩体裂纹平均扩展速度、微观形貌以及破坏形态,结合ABAQUS软件研究了煤岩体裂纹动态断裂规律。 通过上述手段分别研究了冲击荷载作用下煤岩体损伤特性与裂纹动态断裂机制,主要得到以下结论: (1)冲击荷载作用下,围压越大,煤岩体的动态抗压强度以及动态弹性模量越大,变形越小,且围压增强了煤岩体的回弹效果;冲击速度越大,煤岩体的动态抗压强度及峰值应变越大,动态弹性模量呈波动性变化;冲击次数越多,煤岩体的动态抗压强度以及动态弹性模量越小,峰值应变整体上先降低后升高。 (2)围压的增加会促进煤岩体内部微裂纹的扩展,随着围压的增加,吸收能比逐渐降低,由43.7%逐渐减小至38.7%,煤岩体沿横截面方向出现剪切裂纹;冲击速度越大,煤岩体破碎程度越大,主要为沿轴向的拉伸破坏,吸收能比逐渐增加;随着冲击次数的增加,煤样破坏后主裂纹附近微裂纹的相互贯通,最终破坏形态为沿横截面方向的剪切破坏,吸收能比逐渐增加。 (3)冲击速度越大,裂纹微观断面破坏程度越大,裂纹平均扩展速度越大,最大裂纹平均扩展速度为555.89m/s,裂纹种类由单一沿晶裂纹向复合裂纹种类转变;预制裂纹与中轴线距离越大,裂纹起裂偏转角度越大,同时层状撕裂断口及层状滑移分离范围逐渐增大,裂纹扩展路径中拐点更多,更容易发生止裂,预制裂纹与中轴线距离对裂纹平均扩展速度影响较小。 (4)随着冲击速度的增加,煤岩体裂纹的动态断裂韧度逐渐增加,煤岩体抵抗裂纹断裂的能力越强,且裂纹的动态扩展韧度和止裂韧度均小于裂纹的动态起裂韧度;随着预制裂纹与煤岩体试件中轴线的距离增加,Ⅰ型裂纹动态断裂韧度基本不变,Ⅱ型裂纹动态起裂韧度、扩展韧度、止裂韧度明显增加。