多孔介质材料高速吸能特性与防冲支护技术研究

根据我国目前矿山动力灾害十分严重的现状，应用岩石力学、材料科学、井下支护技术的最新研究成果，优选具有良好高速吸能特性的多孔介质材料，利用高速冲击实验和霍普金森压杆(SHPB)实验方法，借助电镜扫描(SEM)技术，对不同基体材料动态力学特性进行研究，得到不同材料应力-应变曲线、峰值应力、峰值应变和弹性模量的变化规律。从细观和宏观两方面出发，考察不同基体材料应变率效应，分析材料基体、密度、孔隙度和孔径及尺寸效应对其动态力学特性的影响；通过不同应变速率和基体材料破裂细观形貌特征分析，研究细观结构变化对材料吸能特性的影响，揭示高应变率条件下材料吸能机理。研制高速吸能防冲装置，提高支护体系的抗冲击能力，形成具有高速吸能特性的防冲支护技术，并通过现场实验验证其有效性。最大程度地降低矿山动力灾害造成的经济损失和人员伤亡，保障煤炭资源的安全高效开采，具有重要的科学意义和十分广阔的推广应用前景。

项目背景：冲击地压是煤矿严重灾害之一。加强支护是防治冲击地压的重要措施。增加支护体系中吸能性能，可以提高防冲支护的有效性，具有重要科学意义和广阔推广应用前景。.主要研究内容和重要成果：①不同基体材料对多孔介质材料动态力学特性的影响研究。采用准静态、落锤冲击和SHPB试验研究方法，借助电镜扫描手段，对泡沫Al、Al-Si12基、Al-Si6基、泡沫Mg、Al-纤维和Al-稀土闭孔泡沫材料进行了吸能特性试验研究。结果表明：基体材料不同，应力-应变曲线和吸能性能关系差异较大；泡沫Al材料是冲击吸能性能良好的多孔介质材料。②材料参数影响的多孔介质材料动态力学特性分析。选择材料不同密度、孔隙度、孔径，进行了SHPB试验。结果表明：缓冲吸能性能良好的泡沫材料参数以密度为0.35-0.70g/cm3、孔隙度为65%-87%、孔径为1.0-4.0mm为宜。③试件几何尺寸影响的多孔介质材料动态力学特性分析。选择不同尺寸的立方体和圆柱体Al-Si6基CCAF材料，采用落锤式冲击实验方法进行了动态力学特性分析。结果表明：立方体试件高宽比在1.0-1.5之间为宜；圆柱体试件高宽比在1.0-2.0之间时缓冲吸能作用发挥较好。④多孔介质材料高应变率条件下吸能机理研究。根据落锤冲击实验和SHPB实验结果，利用电镜扫描技术，研究了细观结构变化对材料吸能影响，从细观角度揭示了高应变率条件下材料吸能机理。⑤防冲支护装置及其吸能性能研究。通过对多孔介质材料动态力学特性及吸能特性研究，研究了防治煤矿井下冲击破坏的防冲支护装置及其吸能性能。⑥防冲支护技术的应用基础研究。研究了不同支护条件下巷道冲击变形破坏规律，研制了吸能构件和快速吸能让位防冲液压支架，用于防治冲击地压等煤矿动力灾害，提高了防治的有效性。.发表学术论文16篇（EI收录5篇）；授权发明专利6项；培养博士生4名、硕士生3名。