霍普金森桿沖擊加載煤樣巴西圓盤劈裂試驗(yàn)研究

趙毅鑫，肖 漢，黃亞瓊

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)

霍普金森桿沖擊加載煤樣巴西圓盤劈裂試驗(yàn)研究

趙毅鑫1,2，肖 漢2，黃亞瓊2

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)

為研究煤樣動(dòng)態(tài)拉伸變形破壞特征，利用分離式霍普金森桿沖擊加載系統(tǒng)，對(duì)煤樣進(jìn)行沖擊條件下巴西圓盤劈裂試驗(yàn)，探討了沖擊速度和煤樣中層理傾角對(duì)煤樣動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度、破壞應(yīng)變及應(yīng)變率的影響；并通過(guò)高速相機(jī)和數(shù)字散斑圖像分析方法，對(duì)樣品的動(dòng)態(tài)劈裂及表面應(yīng)變場(chǎng)變化過(guò)程進(jìn)行了初步分析。研究表明：沖擊速度和層理傾角對(duì)煤樣動(dòng)態(tài)拉伸破壞特征有明顯影響。沖擊速度越大，煤樣動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度則越大，但其隨沖擊速度增加的幅度逐漸減??；樣品破壞應(yīng)變?cè)跊_擊速度為3.5 m/s時(shí)出現(xiàn)最大值。在沖擊速度相近的情況下，層理與加載方向夾角相垂直時(shí)，樣品的破壞應(yīng)變相對(duì)較大，而應(yīng)變率則最小?？估瓘?qiáng)度隨層理傾角波動(dòng)變化。在層理傾角與加載方向平行或非垂直時(shí)，煤樣主要表現(xiàn)為拉伸破壞；在層理與加載方向非平行或非垂直時(shí)，樣品表現(xiàn)出基質(zhì)的拉伸和層理的剪切破壞相伴生。

霍普金森壓桿；煤巖；動(dòng)態(tài)拉伸；層理；數(shù)字散斑

煤巖動(dòng)態(tài)抗拉性能作為巖石力學(xué)研究的熱點(diǎn)之一，其對(duì)于煤巖穩(wěn)定性控制、爆破工程參數(shù)選取、沖擊地壓災(zāi)害機(jī)理研究等均具有重要意義[1]。通過(guò)動(dòng)載條件下抗拉試驗(yàn)獲取煤巖樣品的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能參數(shù)是最直接的分析手段。然而，由于煤巖直接拉伸試驗(yàn)難度大，利用分離式霍普金森壓桿(Split Hopkinson Pressure Bar，SHPB)試驗(yàn)裝置針對(duì)圓盤形試件開展動(dòng)態(tài)劈裂拉伸試驗(yàn)已成為研究樣品動(dòng)態(tài)力學(xué)性能最簡(jiǎn)單而有效的方法。截止目前，該方法已成功應(yīng)用于大理巖[2-3]、泥巖[4]、砂巖[5-6]、花崗巖[7]、頁(yè)巖[8]等巖石材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)的測(cè)定，但對(duì)煤在動(dòng)載條件下的抗拉特性試驗(yàn)則鮮有報(bào)道。同時(shí)，煤中富含層理等原生結(jié)構(gòu)，使得煤的SHPB測(cè)試結(jié)果離散性增加，因此有必要研究煤中層理對(duì)其動(dòng)態(tài)劈裂拉伸破壞特征的影響[8]。

本文采用動(dòng)態(tài)巴西劈裂試驗(yàn)對(duì)煤的動(dòng)態(tài)抗拉特性進(jìn)行分析，開展了30個(gè)圓盤形煤樣的SHPB沖擊劈裂試驗(yàn)，探討了沖擊速度和煤樣層理傾角的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征；并結(jié)合高速攝影機(jī)對(duì)煤樣變形破壞過(guò)程進(jìn)行觀測(cè)，記錄沖擊加載過(guò)程中煤樣表面變形破壞的散斑圖像。將散斑圖像用Matlab軟件進(jìn)行處理，獲得試件的應(yīng)變場(chǎng)信息，由此分析煤樣沖擊加載下拉伸變形破壞的演化特征。

1 煤巖樣機(jī)動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 煤巖樣品

煤樣取自大同忻州窯礦11煤的二盤區(qū)8935工作面，該工作面因開采壓力大所導(dǎo)致的煤巖動(dòng)力失穩(wěn)現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生[9]。為保證樣品的物理和力學(xué)特征具有一定的關(guān)聯(lián)性，所有樣品均由一塊較完整的煤樣切割加工而成。共加工測(cè)試用煤樣30塊，為φ50 mm×25 mm，兩端面打磨后不平整度在±0.05 mm，端面垂直軸線，最大偏差不大于0.25°。同時(shí)，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定了11煤層煤樣的單軸抗壓強(qiáng)度為27.64 MPa，抗拉強(qiáng)度為1.75 MPa，黏聚力7.85 MPa，內(nèi)摩擦角32.64°，彈性模量2.29 GPa，泊松比0.24。

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

煤巖沖擊巴西圓盤劈裂試驗(yàn)在中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的SHPB系統(tǒng)上完成，該系統(tǒng)及樣品情況如圖1所示。 試驗(yàn)時(shí)采用鋼質(zhì)SHPB圓柱型子彈直徑50 mm，長(zhǎng)400 mm；鋼質(zhì)輸入桿和輸出桿直徑均為50 mm，長(zhǎng)為2 000 mm；分別在輸入桿和輸出桿上距試件端部1 m位置處貼應(yīng)變片，以記錄試驗(yàn)過(guò)程中桿體應(yīng)變[10]。子彈初速通過(guò)氣室內(nèi)氣體壓力控制，而輸入桿速則采用光電法測(cè)量。

圖1 SHPB實(shí)驗(yàn)原理及系統(tǒng)情況Fig.1 Diagram of SHPB system

1.3 數(shù)據(jù)處理

(3)

式中，E為桿彈性模量，取200 GPa；A為桿的橫截面面積；D為試件直徑，取50 mm；B為試件厚度，取25 mm；c0為桿中彈性波速，取5 060 m/s；εI(t)為試件左端面入射應(yīng)變信號(hào)；εR(t)為試件左端面反射應(yīng)變信號(hào)；εT(t)為試件右端面透射應(yīng)變信號(hào)；式中應(yīng)力應(yīng)變均以壓為正。

SHPB各桿上應(yīng)變片信號(hào)以電壓-時(shí)間曲線形式輸出。試驗(yàn)中原始波形易受試驗(yàn)條件影響而出現(xiàn)波動(dòng)，采用低通濾波法對(duì)于數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，隨后根據(jù)處理后結(jié)果計(jì)算得到煤樣各動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)。濾波前后入射、反射和透射波形如圖2所示。

圖2 濾波前后入射、透射和反射波波形(樣品編號(hào)162)Fig.2 Incident wave,reflected wave and penetrated wave before and after filtering

同時(shí)，采用高速攝像機(jī)對(duì)沖擊荷載下煤樣破壞過(guò)程進(jìn)行拍攝。并且實(shí)驗(yàn)前在試樣表面噴涂極薄的散斑涂層，以便通過(guò)數(shù)字散斑分析方法獲取煤樣動(dòng)態(tài)劈裂過(guò)程中表面應(yīng)變場(chǎng)分布特征[12]。

2 煤樣巴西圓盤劈裂SHPB試驗(yàn)結(jié)果

2.1 煤動(dòng)態(tài)抗拉特性對(duì)沖擊速度的響應(yīng)

為分析煤樣動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度對(duì)沖擊速度的響應(yīng)特征，試驗(yàn)獲取了30個(gè)樣品的動(dòng)態(tài)拉伸強(qiáng)度隨沖擊速度變化情況，如圖3(a)所示。分析發(fā)現(xiàn)：沖擊速度在2～4 m/s時(shí)，動(dòng)態(tài)拉伸強(qiáng)度為3.75～5.70 MPa，是靜態(tài)抗拉強(qiáng)度的2.14～3.26倍。并且，總體上煤樣動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度隨沖擊速度的增加而增強(qiáng)；沖擊速度每增加0.5 m/s，煤樣的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度升高10%～20%。但隨沖擊速度增加，動(dòng)態(tài)拉伸強(qiáng)度的增加幅度明顯變緩。

圖3(b)和(c)分別為破壞應(yīng)變和應(yīng)變率隨沖擊速度的變化情況?？梢钥闯觯茐膽?yīng)變隨沖擊速度表現(xiàn)為先升后降的變化規(guī)律，即在沖擊速度2.0～3.5 m/s時(shí)，破壞應(yīng)變隨沖擊速度的增加而增大，當(dāng)沖擊速度大于3.5 m/s時(shí)其隨速度的增加而降低。在沖擊速度大于3.5 m/s時(shí)，因沖擊力較大使得樣品來(lái)不及變形就產(chǎn)生破壞。同時(shí)，沖擊速度在2～4 m/s時(shí)，破壞應(yīng)變?yōu)?90×10-6～1 060×10-6，應(yīng)變率為24～81 s-1。應(yīng)變率隨沖擊速度增加表現(xiàn)出波動(dòng)上升的趨勢(shì)，即隨沖擊速度增加，應(yīng)變率增量先增加，后減小，隨后再次增加。

2.2 動(dòng)態(tài)抗拉性能對(duì)樣品層理的響應(yīng)特征

在沖擊速度相同的條件下，由于煤樣內(nèi)的層理影響，煤樣的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能間仍存在差異。考慮沖擊速度的波動(dòng)性，為較好地分析樣品動(dòng)態(tài)抗拉性能對(duì)煤樣層理的響應(yīng)特征，從30個(gè)樣品的試驗(yàn)結(jié)果中選取沖擊速度較接近者進(jìn)行分組，每組樣品盡可能包含5種層理傾角(即層理與加載方向夾角θ成0，22.5°，45.0°，67.5°和90.0°)，具體如圖1(b)和表1所示。

圖3 煤樣動(dòng)態(tài)抗拉參數(shù)隨沖擊速度變化情況Fig.3 Relationship between the impact speed and dynamic tensile parameters of samples

圖4為3組樣品的沖擊速度及對(duì)應(yīng)的層理傾角情況，3組樣品的平均沖擊速度依次約為2.7，3.2和3.8 m/s。圖5為3組樣品的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度、破壞應(yīng)變和應(yīng)變率隨層理傾角的變化情況。由圖5(a)可以看出，沖擊速度越高，煤樣動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度越大；這也說(shuō)明動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度主要影響因素是沖擊速度，而非層理傾角。在沖擊速度相近且層理與加載方向垂直時(shí)，其動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度相對(duì)較大。在層理傾角為22.5°時(shí)，3組樣品均表現(xiàn)出較低的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度。

表1樣品破壞特征參數(shù)情況
Table1Resultsofdynamicparametersofsamples

組別樣品編號(hào)層理傾角/(°)加載速度/(m·s-1)抗拉強(qiáng)度/MPa破壞應(yīng)變/10-6應(yīng)變率/s-1第1組42102 7074 5673254054 85423322 52 5654 3010159155 24916145 02 6244 5832057250 50948267 52 6894 3622763654 03341190 02 7794 8621767248 723第2組21103 2135 1822664955 48012122 53 2985 1001269264 84447245 03 2265 1934871560 80315167 53 2865 3756472752 04549390 03 0185 0517570451 674第3組45322 53 8035 4415565073 105311145 03 8825 9056865875 88716467 53 7035 5076768971 66414390 03 8435 8601370873 557

圖4 3組煤樣沖擊速度與層理傾角情況Fig.4 Impact speed and bedding plane degree of samples

破壞應(yīng)變隨層理傾角變化情況如圖5(b)所示。3組樣品的破壞應(yīng)變范圍在540×10-6～720×10-6?？梢钥闯觯弘S層理傾角的加大，煤樣破壞應(yīng)變總體也隨之增大，即隨層理傾角增加，樣品破壞逐漸由層理的拉伸破壞向基質(zhì)和層理的拉剪耦合破壞轉(zhuǎn)變；而當(dāng)層理與加載方向垂直時(shí)，煤樣破壞主要為基質(zhì)的拉伸破壞。層理的拉破壞最為容易，樣品破壞應(yīng)變最??；基質(zhì)的拉破壞最為困難，因此樣品破壞應(yīng)變相對(duì)較大。同時(shí)，平均沖擊速度在3.2 m/s左右時(shí)，各層理傾角樣品對(duì)應(yīng)的破壞應(yīng)變較其它沖擊速度條件下高。該結(jié)果說(shuō)明樣品的破壞應(yīng)變對(duì)于沖擊速度的響應(yīng)明顯高于對(duì)樣品內(nèi)層理傾角變化的響應(yīng)。

圖5 煤樣動(dòng)態(tài)拉伸破壞參數(shù)與層理傾角間的關(guān)系Fig.5 Relationship between the dynamic tensile properties and bedding plane angle in coals

圖5(c)為應(yīng)變率與層理傾角的關(guān)系曲線?？梢钥闯觯寒?dāng)沖擊速度較高時(shí)(平均速度約3.8 m/s)，層理傾角對(duì)煤樣應(yīng)變率的影響并不明顯。當(dāng)沖擊速度較低時(shí)(平均速度約3.2和2.6 m/s)，應(yīng)變率隨層理傾角波動(dòng)變化；且當(dāng)層理傾角為22.5°時(shí)，應(yīng)變率則為同沖擊速度下的其它層理傾角對(duì)應(yīng)應(yīng)變率中最大值，說(shuō)明此時(shí)樣品最易破壞；而當(dāng)層理傾角為90°時(shí)，應(yīng)變率則相對(duì)最低，說(shuō)明樣品相對(duì)較難劈裂。

2.3 動(dòng)態(tài)拉伸破壞過(guò)程分析

圖6中,左側(cè)3列為沖擊試驗(yàn)條件下不同層理傾角下煤樣動(dòng)態(tài)破壞過(guò)程高速相機(jī)拍攝圖，右側(cè)3列圖則為對(duì)應(yīng)的樣品動(dòng)態(tài)劈裂位移場(chǎng)演化數(shù)字散斑結(jié)果。

綜合分析30個(gè)煤樣的動(dòng)態(tài)劈裂過(guò)程發(fā)現(xiàn)：樣品內(nèi)層理傾角對(duì)于動(dòng)載條件下煤樣劈裂過(guò)程有明顯影響。當(dāng)層理垂直和平行于入射方向時(shí)，樣品破壞主要為沿加載方向的拉伸劈裂；而當(dāng)層理與入射方向成一定夾角時(shí)(非垂直或平行)，樣品內(nèi)除沿入射方向的拉伸劈裂外，沿層理方向的剪切破壞也較為明顯，即基質(zhì)的拉伸破壞和層理的剪切破壞相互伴生。同時(shí)，在沖擊荷載作用下煤樣中裂紋啟裂多沿入射方向，而后在試件與輸入桿和輸出桿接觸位置附近萌生出多條微裂紋，隨后微裂紋匯聚、貫穿形成最終破裂面。同時(shí)，隨著試樣變形的逐漸加大，試樣在層理處逐漸開裂，進(jìn)而形成最終的破裂面。

需要注意的是,由于層理面影響，裂紋的擴(kuò)展路徑并不光滑，煤樣會(huì)沿層理面逐漸剝離和分解。

圖6 不同層理傾角時(shí)煤樣沖擊劈裂破壞過(guò)程及拉應(yīng)變數(shù)字散斑分析結(jié)果Fig.6 Dynamic split failure process of coal samples with various bedding plane angle and tensile strain distribution

分析數(shù)字散斑法提取的試樣表面拉伸應(yīng)變場(chǎng)可發(fā)現(xiàn)：樣品內(nèi)拉應(yīng)變改變是從入射端附近區(qū)域逐漸向輸出端方向擴(kuò)展。最后在圓盤內(nèi)沿入射方向附近形成帶狀拉應(yīng)變集中區(qū)。然而，拉應(yīng)變集中區(qū)在層理的影響下并非沿入射方向直線演化。因此，層理對(duì)試樣的動(dòng)態(tài)變形具有直接影響，當(dāng)然隨著加載速度的增大，層理的影響將有所降低；而在本試驗(yàn)所對(duì)應(yīng)的沖擊速度范圍內(nèi)，層理對(duì)煤樣沖擊破壞的影響仍不容忽視。本試驗(yàn)不僅證實(shí)了層理對(duì)煤巖沖擊破壞特征的影響，也說(shuō)明了數(shù)字散斑技術(shù)可有效地分析煤樣高速破斷過(guò)程中裂紋形成和擴(kuò)展區(qū)域的全場(chǎng)位移變化情況，為類似試驗(yàn)研究提供了參考。

3 結(jié) 論

(1)煤樣動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度隨沖擊速度的增加而增強(qiáng)；沖擊速度在2～4 m/s范圍內(nèi)每增加0.5 m/s，煤樣的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度升高10%～20%。但隨沖擊速度增加，動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度的增加幅度明顯變緩。破壞應(yīng)變?cè)跊_擊速度為3.5 m/s時(shí)達(dá)到最大值，隨后隨沖擊速度的增加而降低。應(yīng)變率隨沖擊速度增加表現(xiàn)出波動(dòng)上升的趨勢(shì)。

(2)煤樣動(dòng)態(tài)抗拉特性對(duì)于沖擊速度的響應(yīng)明顯高于對(duì)樣品內(nèi)層理傾角變化的響應(yīng)。在沖擊速度相近或相同且層理與沖擊方向垂直時(shí)，其動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度相對(duì)較大；而層理傾角為22.5°時(shí)，樣品動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度則相對(duì)較小。隨層理傾角的加大，煤樣破壞應(yīng)變總體也隨之增大，即隨層理傾角增加，樣品破壞逐漸由層理的拉伸破壞向基質(zhì)和層理的拉剪耦合破壞轉(zhuǎn)變；而當(dāng)層理與加載方向垂直時(shí)，煤樣破壞則主要為基質(zhì)的拉伸破壞。當(dāng)沖擊速度較高時(shí)，層理傾角對(duì)煤樣應(yīng)變率的影響并不明顯。

(3)沖擊荷載作用下煤樣劈裂過(guò)程中裂紋啟裂多沿入射方向，先在試件與輸入桿和輸出桿接觸位置附近萌生出多條微裂紋，隨后微裂紋匯聚、貫穿形成最終破裂面，受層理面影響，裂紋的擴(kuò)展路徑并不光滑。層理對(duì)試樣的動(dòng)態(tài)變形具有直接影響，當(dāng)然隨著加載速度的增大，層理的影響將有所降低。

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DynamicsplittensiletestofBraziliandiscofcoalwithsplitHopkinsonpressurebarloading

ZHAO Yi-xin1,2,XIAO Han2，HUANG Ya-qiong2

(1.StateKeyLaboratoryofCoalResourcesandSafeMining，ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing)，Beijing100083，China;2.SchoolofMechanicsandCivilEngineering，ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing)，Beijing100083，China)

In order to study the tensile failure characterization of coal under impact loading,the split Hopkinson pressure bar was applied in the test of dynamic Brazilian disc split tension test of coals.The effects of impact velocity and bedding plane in the coals on the dynamic failure parameters,such as tensile strength,failure strain and strain rate,were discussed.A high speed camera and the Digital Speckle Correlation Method were used to analyze the dynamic failure process of coal samples.It is found that there are great effects of impacting speed and bedding plane of coal on the dynamic tensile failure features.With the increase of impacting speed,the dynamic tensile strength raises,but the rate of increase reduces.The failure strain reaches the maximum value as the impacting speed equal to 3.5 m/s.Moreover,at the almost same impacting speed and as the bedding plane of coal vertical to the loading direction,the failure strain is almost the maximum,but the strain rate reaches the minimum value.However,the dynamic tensile strengthfluctuates with the change of bedding plane.The split tensile failure dominate the failure process of coal as the bedding plane in coals vertical or parallel to the impact direction.In other directions of bedding plane,the tension-shear failure model was observed.

split Hopkinson pressure bar;coal;dynamic tensile;layers;digital speckle correlation method

10.13225/j.cnki.jccs.2013.2011

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)資助項(xiàng)目(2010CB226801)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51174213)；新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃資助項(xiàng)目(NCET-10-0775)

趙毅鑫(1977—)，男，河北樂亭人，副教授。Tel:010-62339851,E-mail:zhaoyx@cumtb.edu.cn

TD315

A

0253-9993(2014)02-0286-06

趙毅鑫，肖 漢,黃亞瓊.霍普金森桿沖擊加載煤樣巴西圓盤劈裂試驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(2):286-291.

Zhao Yixin,Xiao Han,Huang Yaqiong.Dynamic split tensile test of Brazilian disc of coal withsplit Hopkinson pressure barloading[J].Journal of China Coal Society,2014,39(2):286-291.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.2011