層理煤巖SHPB沖擊破壞動(dòng)態(tài)力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)

解北京， 王新艷， 呂平洋

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院，北京 100083)

層理煤巖SHPB沖擊破壞動(dòng)態(tài)力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)

解北京， 王新艷， 呂平洋

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院，北京 100083)

為了研究層理對(duì)煤巖動(dòng)態(tài)力學(xué)破壞特征的影響，利用?75mm大直徑分離式霍普金森壓桿(SHPB)動(dòng)載實(shí)驗(yàn)裝置，采用紡錘形子彈和超聲波檢測(cè)儀，開(kāi)展層理原煤試樣(垂直層理和水平層理取樣)和均質(zhì)性較好的砂巖試樣沖擊破壞動(dòng)態(tài)力學(xué)特征對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：①紡錘形子彈產(chǎn)生的近似半正弦波加載具有平緩應(yīng)力波上升沿特征，更適合煤巖類脆性材料動(dòng)載實(shí)驗(yàn)；②煤體層理使超聲波垂直穿過(guò)時(shí)產(chǎn)生層理效應(yīng),導(dǎo)致波速嚴(yán)重衰減，試驗(yàn)中水平層理取樣的原煤超聲波波速約為垂直層理的2倍；③層理原煤和砂巖的動(dòng)載破壞應(yīng)力-應(yīng)變曲線差異較大，層理特征是導(dǎo)致原煤具有較長(zhǎng)塑性變形階段和曲線波動(dòng)性的重要因素；④砂巖的動(dòng)態(tài)彈性模量比層理原煤試樣大1個(gè)數(shù)量級(jí)，層理影響了煤巖沖擊破壞動(dòng)力學(xué)特性。

層理；煤巖沖擊破壞；動(dòng)態(tài)力學(xué)特性；動(dòng)態(tài)彈性模量

在漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代中，由于成煤物質(zhì)的成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、膠結(jié)物、顆粒大小等不同，使得煤層具體有典型的層理特征[1]。煤層是煤系地層中力學(xué)強(qiáng)度最低的巖層，層理的存在一定程度上破壞了煤的均勻性和連續(xù)性，改變了煤層受載荷作用下的應(yīng)力分布[2-3]，也影響了瓦斯的滲流方向[4]。煤的力學(xué)性質(zhì)中煤抗臨界狀態(tài)破壞和抗破碎成塊、粉煤的能力是阻止煤巖動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的重要因素[5]。煤礦井下掘進(jìn)放炮等采掘過(guò)程以及發(fā)生煤巖動(dòng)力災(zāi)害時(shí)等都會(huì)使煤巖體承受強(qiáng)烈的動(dòng)載荷作用，研究層理煤巖動(dòng)態(tài)力學(xué)性質(zhì)和破壞形式對(duì)于煤礦安全生產(chǎn)有著重要的意義。

測(cè)試材料在較高應(yīng)變率(101～103s-1)的應(yīng)力應(yīng)變行為通常采用分離式霍普金森壓桿(Split Hopkinson Pressure Bar)裝置[6]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)大直徑和改進(jìn)型的SHPB技術(shù)在巖石和混凝土材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試方面得到了廣泛的應(yīng)用[7-9]，煤沖擊破壞動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試也取得了一定的成果。單仁亮等[10-11]對(duì)云駕嶺煤礦無(wú)煙煤沖擊破壞動(dòng)態(tài)力學(xué)特性展開(kāi)研究，建立適合于應(yīng)變率5～85 s-1的動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變的線性黏彈性模型，并探討了無(wú)煙煤的沖擊壓縮膨脹拉伸破裂機(jī)理。李成武等[12-13]進(jìn)行了速度為 4.174～17.652 ms-1條件下的煤沖擊破壞動(dòng)力學(xué)特性研究，認(rèn)為在一定應(yīng)變率范圍內(nèi)，隨著應(yīng)變率的增加煤材料的動(dòng)態(tài)響應(yīng)由硬化向軟化過(guò)渡，建立煤沖擊破壞損傷體-黏彈性本構(gòu)模型，并開(kāi)展了基于 HJC模型的煤巖 SHPB 實(shí)驗(yàn)數(shù)值模擬。劉曉輝等[14]研究發(fā)現(xiàn)不同應(yīng)變率下煤的破壞程度隨應(yīng)變率的增加逐漸升高，相應(yīng)的耗能越大。李明等[15]研究認(rèn)為高應(yīng)變率下煤應(yīng)力-應(yīng)變曲線大致分為5個(gè)階段：壓密階段、彈性變形階段、微裂紋演化階段、裂紋非穩(wěn)定擴(kuò)展階段以及卸載階段；應(yīng)變率由68.666 s-1增加到79.751 s-1，煤破壞程度對(duì)應(yīng)變率的敏感性最為顯著。

煤巖是典型的非均質(zhì)、各向異性、多孔隙脆性材料，內(nèi)部存在著大量層理、節(jié)理、裂隙等不同尺度的微、宏觀缺陷[16]。節(jié)理和層理性質(zhì)對(duì)巖石動(dòng)力學(xué)性能存在著顯著的影響[17-18]。趙毅鑫等[19-20]開(kāi)展了層理煤樣動(dòng)態(tài)拉伸破壞試驗(yàn)，認(rèn)為抗拉強(qiáng)度隨層理傾角波動(dòng)變化；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。為開(kāi)展層理對(duì)煤巖沖擊壓縮破壞力學(xué)特性的影響研究，本文利用大直徑?75 mm分離式霍普金森桿(SHPB)動(dòng)載實(shí)驗(yàn)裝置、采用特制的紡錘形子彈和ZBL-U510非金屬超聲檢測(cè)儀，研究砂巖和層理原煤試樣(水平、垂直層理取樣)沖擊破壞動(dòng)態(tài)力學(xué)特征。

1 實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介

1.1煤試件的制備

試驗(yàn)所用煤巖試件均由大塊煤體和巖體加工而成，每個(gè)試樣端面和圓周都進(jìn)行磨床精密加工打磨，兩端不平行度小于0.02 mm，圓周與端面的不垂直度小于0.02 mm[21]。實(shí)驗(yàn)試樣共計(jì)12個(gè)，包括原煤試樣6個(gè)(3個(gè)水平節(jié)理M1-M3、3個(gè)垂直節(jié)理M4-M6)和砂巖試樣6個(gè)(Y1-Y6)。為了盡量減少試件的慣性效應(yīng)和滿足內(nèi)部應(yīng)力均勻化假設(shè)[22]，根據(jù)Davies等[23]所推薦的最佳長(zhǎng)徑比計(jì)算公式，將煤樣制成直徑75 mm，長(zhǎng)40 mm，L/D=8/15的圓柱試樣。實(shí)驗(yàn)時(shí)為了減少界面摩擦效應(yīng)，在彈性桿與試件界面間涂抹凡士林潤(rùn)滑[24]。實(shí)驗(yàn)煤巖試樣如圖1所示。

1.2超聲波波速測(cè)試實(shí)驗(yàn)

超聲波具有方向性好、穿透能力強(qiáng)及易于獲得較集中的聲能等特點(diǎn)，且超聲波在不同的介質(zhì)中具有不同的傳播速度，通過(guò)煤巖試件的超聲波測(cè)試可以反映煤巖試件的內(nèi)在特征[25]。利用ZBL-U510非金屬超聲檢測(cè)儀對(duì)煤巖試樣進(jìn)行超聲波波速測(cè)試，將發(fā)射換能器與接收換能器置于試樣兩端面中心處，使得發(fā)射換能器與接收換能器在同一水平線上進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試示意圖和超聲波檢測(cè)儀實(shí)物圖，如圖2(a)、(b)所示。為了減少測(cè)試誤差，每個(gè)煤巖試樣測(cè)試三次取平均值，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

(a)煤試樣M1-M6

(b)砂巖試樣Y1-Y6

(a)超聲波測(cè)速示意圖

(b)超聲波檢測(cè)儀

1.3煤巖試樣沖擊破壞實(shí)驗(yàn)

1.3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及裝置

實(shí)驗(yàn)采用大直徑?75 mm分離式霍普金森桿，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)室完成。實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)及子彈尺寸如圖3所示。

SHPB實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括：子彈、壓桿、測(cè)速系統(tǒng)、超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)處理系統(tǒng)，如圖3(a)、(b)所示。本實(shí)驗(yàn)中壓桿為直徑為75 mm的鋼質(zhì)壓桿，子彈為紡錘型。長(zhǎng)期以來(lái)，SHPB實(shí)驗(yàn)大多采用矩形波加載法，即采用圓柱形子彈。矩形波在傳播過(guò)程中會(huì)受到彌散效應(yīng)的影響，產(chǎn)生明顯的P-C(Pochhammer-Chree)振蕩，且對(duì)于巖石、陶瓷等脆性材料來(lái)說(shuō)極限應(yīng)變很小，而矩形加載波的波形上升階段太快，使得試件常常在波形上升階段就會(huì)發(fā)生破壞，而此時(shí)試件內(nèi)部尚未達(dá)到應(yīng)力平衡，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果失真。為了避免上述試驗(yàn)缺點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)采用特制的紡錘形子彈總長(zhǎng)540 mm，錐段比為310∶100∶130的異型雙錐紡錘體子彈[26]，子彈具體尺寸如圖3(c)所示。

(a)裝置系統(tǒng)示意圖

(b)實(shí)驗(yàn)裝置圖

(c)紡錘形子彈

試件編號(hào)沖擊位置試件尺寸/D×L/(mm×mm)超聲波波速/(km·s-1)ν/(m·s-1)ε·max/(s-1)破壞應(yīng)變?chǔ)舃/‰峰值應(yīng)力σmax/MPa混合動(dòng)態(tài)彈性模量/GPa破壞情況M1水平?75×502．3533．47282．89????3．970．60損傷M2水平?75×502．9884．467109．457．339．391．28粉碎M3水平?75×502．7345．289132．0314．6810．640．72粉碎M4垂直?75×501．2415．745136．307．9320．922．64粉碎M5垂直?75×501．1326．389159．5113．6818．981．39粉碎M6垂直?75×501．0426．870172．6213．2720．391．54粉碎Y1?????75×502．9414．75871．80????71．5216．04損傷Y2?????75×502．9715．04188．20????71．9610．58損傷Y3?????75×503．0305．377101．108．9166．087．42破裂Y4?????75×502．9716．167115．90????94．9520．91損傷Y5?????75×503．0306．504131．628．3274．578．96粉碎Y6?????75×503．0627．165137．978．2194．3611．49粉碎

1.3.2 實(shí)驗(yàn)方法及原理

實(shí)驗(yàn)通過(guò)調(diào)整驅(qū)動(dòng)氣壓，給予子彈不同的速度撞擊入射桿，可以實(shí)現(xiàn)給煤巖試件施加不同強(qiáng)度的動(dòng)載荷。子彈沖擊速度由激光測(cè)速器測(cè)定，入射桿和透射桿上應(yīng)變計(jì)記錄的應(yīng)變脈沖信號(hào)經(jīng)超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀放大后由瞬態(tài)波形存儲(chǔ)器采集存儲(chǔ)，采樣速率設(shè)定為1.25×107s-1，滿足瞬態(tài)測(cè)試的要求[27]。

為避免應(yīng)變片靈敏度誤差和電阻誤差的影響，在不加試件的情況下進(jìn)行一次沖擊標(biāo)定試驗(yàn)，根據(jù)沖擊速度v得到應(yīng)變?chǔ)?，再與超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀測(cè)量的電壓值U對(duì)比，得電壓-應(yīng)變的比例關(guān)系：K=ε/U(K為標(biāo)定系數(shù))，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得K=0.000 194 792。根據(jù)K值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，結(jié)合沖擊試件所對(duì)應(yīng)的電壓值，求出入射波、反射波、透射波的應(yīng)變，然后根據(jù)簡(jiǎn)化的“三波公式”計(jì)算出試件中的應(yīng)變率、應(yīng)變和應(yīng)力，并繪出試件不同應(yīng)變率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖，得出煤巖試樣的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能[28]。簡(jiǎn)化的公式如下：

(1)

(2)

(3)

2 沖擊破壞實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1實(shí)驗(yàn)測(cè)試信號(hào)特征及去噪

由于SHPB 測(cè)試信號(hào)具有高噪聲、持時(shí)短、突變快的特點(diǎn)，需要將煤巖沖擊破壞的測(cè)試信號(hào)采用希爾伯特-黃變換(HHT) 分析技術(shù)進(jìn)行去噪處理。限于篇幅，僅以標(biāo)定信號(hào)去噪結(jié)果為例說(shuō)明濾波效果(如圖4所示)，煤巖沖擊破壞應(yīng)力應(yīng)變信號(hào)采用同樣的處理方法不再贅述。圖4(a)、(b)分別為標(biāo)定實(shí)驗(yàn)(沖擊速度為4.404 m/s)測(cè)到的入射波、反射波和透射波原始信號(hào)和去噪后的信號(hào)。從圖4(a)可見(jiàn)，原始信號(hào)具有高頻噪聲特別是透射信號(hào)，需要進(jìn)行去噪處理；入射桿中有一脈沖反射信號(hào)但數(shù)值較小，說(shuō)明紡錘子彈與桿之間基本滿足一維線性度要求。從圖4(b)可見(jiàn)，濾波后的信號(hào)幅值幾乎沒(méi)有變化，高頻噪聲被很好的去除；紡錘形子彈產(chǎn)生了半正弦波加載，具有應(yīng)力波上升沿平緩的特征(上升時(shí)間達(dá)110 μs以上)，更適合煤巖類脆性材料動(dòng)載實(shí)驗(yàn)。

(a)原始標(biāo)定信號(hào)

(b)去噪后標(biāo)定信號(hào)

2.2測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

實(shí)驗(yàn)中鋼質(zhì)壓桿的彈性模量E=206 000 MPa、波速C=5 060 ms-1、橫截面積A=A0=1 406.25 πmm2，試件的橫截面積As為1 406.25 πmm2，厚度L0為40 mm。共完成了12次沖擊壓縮，沖擊速度(v)為3.472～7.165 ms-1，對(duì)所有的信號(hào)進(jìn)行去噪處理后，利用式(1)～(3)計(jì)算，最終獲得不同應(yīng)變率下煤巖試樣動(dòng)態(tài)力學(xué)特性曲線(如圖8所示)，詳細(xì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

2.3層理煤巖超聲波速度變化規(guī)律

如圖5為煤巖試樣的超聲波波速對(duì)比，可見(jiàn)砂巖試樣Y1～Y6超聲波波速(2.941～3.062 km/s)略高于水平層理取樣的原煤試樣M1～M3(2.353～2.988 km/s)，遠(yuǎn)高于垂直層理原煤試樣M4～M6(1.402～1.241 km/s)。試驗(yàn)中水平層理原煤試樣超聲波波速約為垂直層理取樣的2倍?？梢?jiàn)，由于層理面之間存在明顯薄弱的膠結(jié)面，當(dāng)超聲波垂直穿過(guò)煤體層理面時(shí)波速會(huì)產(chǎn)生層理效應(yīng)發(fā)生嚴(yán)重的衰減與文獻(xiàn)[25]試驗(yàn)結(jié)論一致。

圖5 煤巖試樣的超聲波波速

2.4沖擊速度與加載應(yīng)變率的關(guān)系

應(yīng)變率表征試樣變形破壞速度，將試驗(yàn)中不同沖擊速度下煤巖試樣加載最大應(yīng)變率與沖擊速度進(jìn)行線性擬合，如圖6所示。圖6說(shuō)明應(yīng)變率的大小與沖擊速度呈較好線性關(guān)系，隨著子彈速度的增大，應(yīng)變率增大，該結(jié)論表明實(shí)驗(yàn)測(cè)得的入射波與應(yīng)力波傳播基本理論具有較好一致性。

圖6 沖擊速度與最大應(yīng)變率的關(guān)系

3 煤巖沖擊破壞動(dòng)態(tài)力學(xué)特征分析

圖7為煤巖加載應(yīng)變率時(shí)程曲線。由圖7可知，不同的子彈度沖擊條件下，煤巖試樣均對(duì)應(yīng)一段應(yīng)變率平緩上升的曲線，說(shuō)明特制的紡錘形子彈加載達(dá)到了初始?jí)毫ι仙骄彽哪康?，進(jìn)行煤巖動(dòng)態(tài)力學(xué)分析結(jié)論有一定的可靠性。

(a)原煤試樣

(b)砂巖試樣

3.1煤巖沖擊破壞應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征

圖8為不同應(yīng)變率下的煤巖試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

(a)砂巖試樣

(b)原煤試樣

由圖8(a)可見(jiàn)，不同應(yīng)變率下砂巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線過(guò)程大體相同，均具有較長(zhǎng)的彈性上升階段和較短的塑性變形階段，試樣達(dá)到應(yīng)力極值后快速進(jìn)入應(yīng)變軟化階段。由圖8(b)可見(jiàn)，層理煤樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線總體上均具有較短的彈性上升階段和較長(zhǎng)的塑性變形階段。試樣隨著應(yīng)變率的升高，整體上線彈性上升應(yīng)力最大值逐漸變大，但應(yīng)力上升階段波動(dòng)性較大。

3.2煤巖試樣破壞特征

沖擊載荷作用下煤巖試樣存在相應(yīng)程度的應(yīng)變率敏感性[29]。圖9為不同應(yīng)變率沖擊下下各個(gè)煤巖試樣的破壞形態(tài)。

71．80s-188．20s-1101．10s-1115．90s-1131．62s-1137．97s-182．89s-1109．45s-1132．03s-1136．30s-1159．51s-1172．62s-1

圖9 不同應(yīng)變率下的煤巖試樣破壞形態(tài)

Fig.9 Failure modes of coal and rock samples under different strain rates

由圖9中砂巖試樣破壞形態(tài)來(lái)看，在71.80 s-1～115.90 s-1應(yīng)變率范圍內(nèi)，砂巖不破壞或者破壞程度較低，破壞后的試件呈塊狀劈裂結(jié)構(gòu)，為張拉破壞。在131.62 s-1～137.97 s-1應(yīng)變率范圍內(nèi)，隨著應(yīng)變率的升高，試件破碎塊度隨著應(yīng)變率的提高而減小，破碎體數(shù)量顯著增加。

由圖9中原煤試樣的破壞形態(tài)來(lái)看，在82.89 s-1～109.45 s-1應(yīng)變率范圍內(nèi)，煤樣不破壞或破壞程度低，存在與原試件等高的碎塊；當(dāng)應(yīng)變率由132.03 s-1增大到172.62 s-1，煤樣破碎產(chǎn)生的碎塊體積越來(lái)越?。煌瑫r(shí)發(fā)現(xiàn)在應(yīng)變率為132.03 s-1和136.30 s-1時(shí)，即使應(yīng)變率十分接近，但破碎形態(tài)有很大差異，后者產(chǎn)生的小體積碎塊數(shù)明顯增多，分析原因是因?qū)永聿煌?，其所擁有的層理薄弱膠結(jié)面受力方向有很大不同，直接影響了試樣破壞形態(tài)。

3.3煤巖動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度和破壞應(yīng)變特征

峰值應(yīng)力是材料在沖擊破壞時(shí)的極限應(yīng)力，可用來(lái)表征材料的承載能力。在動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)中，當(dāng)材料破壞時(shí)，其峰值應(yīng)力也稱為動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度，因砂巖Y1、Y2和Y4試樣未破壞，故其峰值應(yīng)力幅值不是動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度值，不予考慮。圖10(a)表示了煤巖試樣動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)變率的變化。破壞應(yīng)變是材料的基本力學(xué)特征之一，表征材料極限變形程度。破壞應(yīng)變隨應(yīng)變率的變化圖像，如圖10(b)所示。

由圖10(a)看出，在試驗(yàn)的應(yīng)變率范圍內(nèi)，砂巖試樣的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)變率的增大而增大；水平層理原煤試樣的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)變率的增大有增加的趨勢(shì)；垂直層理煤試樣的峰值應(yīng)力隨應(yīng)變率的變化不明顯。砂巖試樣的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原煤試樣的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度，由圖9不同應(yīng)變率下的煤巖試樣破壞形態(tài)可以明顯看出巖樣破壞明顯小于原煤試樣。由圖10(a)還可以看出垂直層理原煤試樣的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度略大于平行層理，但兩者的加載應(yīng)變率差別較大，具體原因還需要進(jìn)一步試驗(yàn)分析。同樣由圖10(b)可見(jiàn)，砂巖和原煤試樣的破壞應(yīng)變隨著沖擊速度增加的變化規(guī)律不明顯，這可能與層理、微裂隙等內(nèi)部初始損傷不均勻有關(guān)系[30]。

(a)應(yīng)變率與動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

(b)應(yīng)變率與破壞應(yīng)變的關(guān)系

3.4層理煤巖動(dòng)態(tài)彈性模量變化特征

彈性模量是衡量材料剛度特征的重要參數(shù)，宏觀層面可以用來(lái)表征材料抵抗變形的能力，微觀上用來(lái)反映材料內(nèi)部顆粒、晶體之間的結(jié)合方式及程度。動(dòng)態(tài)彈性模量是變化反應(yīng)了材料動(dòng)載破壞的動(dòng)力學(xué)特性,利用SHPB桿可以研究一定應(yīng)變率條件下材料的動(dòng)態(tài)彈性模量變化[31]。由于煤巖破壞前的應(yīng)力-應(yīng)變曲線為非線性，因此彈性模量的數(shù)值與選擇的參考點(diǎn)有關(guān)。巖石、混凝土類材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線在屈服應(yīng)力以前可用粘彈性模型來(lái)模擬[32]，而煤的本構(gòu)方程也可以用粘彈性模型來(lái)表征。在一維單軸應(yīng)力σ(t)作用下，相應(yīng)的應(yīng)變響應(yīng)為ε(t)，則動(dòng)態(tài)彈性模量為Ed=σ(t)/ε(t)，也即任意時(shí)刻t的割線模量。對(duì)所測(cè)應(yīng)力-應(yīng)變達(dá)到應(yīng)力極限前的曲線進(jìn)行處理可以獲得動(dòng)態(tài)彈性模量，為了方便分析采用峰值應(yīng)力與其對(duì)應(yīng)的應(yīng)變計(jì)算出的混合動(dòng)態(tài)彈性模量值做比較，具體數(shù)值如表1所示。圖11為應(yīng)變率與混合動(dòng)態(tài)彈性模量關(guān)系圖。

由圖11可知，砂巖的動(dòng)態(tài)彈性模量比層理原煤試樣大1個(gè)數(shù)量級(jí)。砂巖試樣的動(dòng)態(tài)彈性模量隨著加載應(yīng)變率的增大先減小后增大，而具有層理的原煤試樣隨應(yīng)變率的增大動(dòng)態(tài)彈性模量變化很小，表現(xiàn)出較強(qiáng)的塑性變化。層理的存在影響試樣的動(dòng)力學(xué)特性。

圖11 應(yīng)變率與混合動(dòng)態(tài)彈性模量關(guān)系圖

4 結(jié) 論

(1)?75 mm大直徑分離式霍普金森壓桿(SHPB)煤巖動(dòng)載實(shí)驗(yàn)中采用紡錘形子彈產(chǎn)生的近似半正弦波加載具有平緩應(yīng)力波上升沿特征(上升時(shí)間達(dá)110 μs以上)，更適合煤巖類脆性材料動(dòng)載實(shí)驗(yàn)。

(2)超聲波測(cè)速實(shí)驗(yàn)表明，煤體層理使超聲波垂直穿過(guò)時(shí)產(chǎn)生層理效應(yīng)導(dǎo)致波速嚴(yán)重衰減，試驗(yàn)中水平層理取樣的原煤超聲波波速約為垂直層理的2倍；

(3)層理原煤和砂巖的動(dòng)載破壞應(yīng)力-應(yīng)變曲線差異較大，砂巖試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線均具有較長(zhǎng)的彈性上升階段和較短的塑性變形階段，達(dá)到應(yīng)力極值后快速進(jìn)入應(yīng)變軟化階段；而層理煤樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線總體上均具有較短的彈性上升階段和較長(zhǎng)的塑性變形階段。層理特征是導(dǎo)致原煤具有較長(zhǎng)塑性變形階段和曲線波動(dòng)性的重要因素。

(4)砂巖的動(dòng)態(tài)彈性模量比層理原煤試樣大1個(gè)數(shù)量級(jí)。砂巖試樣的動(dòng)態(tài)彈性模量隨著加載應(yīng)變率的增大先減小后增大，而具有層理的原煤試樣隨應(yīng)變率的增大動(dòng)態(tài)彈性模量變化很小，具有較大塑性變形。層理的存在影響試樣的動(dòng)力學(xué)特性。

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DynamicpropertiesofbeddingcoalandrockandtheSHPBtestingforitsimpactdamage

XIEBeijing,WANGXinyan,LüPingyang

(China University of Mining & Technology (Beijing), College of Resources & Safety Engineering, Beijing,100083, China)

In order to study the influence of bedding on the dynamic failure characteristics of coal and rock, the impact experiments on bedding coal samples (vertical bedding and horizontal bedding sampling) and sandstone samples with good homogeneity were conducted by using a ?75 mm large diameter split Hopkinson pressure bar (SHPB) dynamic load test device, with the combined use of spindle bullets and ultrasonic detector. The experimental results show that: the approximate half sine wave generated by the spindle bullet has the rising edge feature of a gentle stress wave, which is more suitable for dynamic load tests on the brittle material of coal rock; ultrasonic wave passing vertically through the coal bedding surface will produce serious attenuation effect, leading the ultrasonic wave velocity of passing through the horizontal bedding coal samples to be 2 times of that passing through the samples under vertical stratification sampling; there are great differences between the dynamic load stress-strain curves of bedding coal and sandstone, and the bedding is an important factor for the coal to have a long plastic deformation stage and the curvel volatility; the dynamic elastic modulus ratio of sandstone is 1 order of magnitude greater than that of bedding coal, and the bedding has an obvious effect on the impact damage properties of coal and rock.

bedding; coal and rock impact damage; dynamic mechanical properties; dynamic elastic modulus

X936

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.21.018

國(guó)家自然科學(xué)青年基金(51404277)；國(guó)家自然科學(xué)基金(51274206)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(2014QZ05)；中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)本科生創(chuàng)新訓(xùn)練(K201501028)

2016-08-16 修改稿收到日期：2016-12-22

解北京 男，博士，講師，1984年11月生