真三軸動(dòng)靜組合加載飽水煤樣能量耗散特征

宋常勝，王 文，劉 凱，袁瑞甫，張世威，李東印，李化敏，康迎春

(1.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2.煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454000；3.牛津大學(xué) 工程科學(xué)系，牛津郡 牛津市OX1 3PJ；4.深圳大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，廣東 深圳 518060；5.安標(biāo)國(guó)家礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志中心有限公司，北京 100013)

隨著煤礦開采深度和開采強(qiáng)度的增大，沖擊地壓動(dòng)力災(zāi)害越來越頻繁，越來越嚴(yán)重。研究表明，沖擊地壓發(fā)生與煤巖物理力學(xué)性質(zhì)、煤巖所受靜載荷與動(dòng)載荷等因素有關(guān)。煤層注水是防治沖擊地壓的一種主要措施，國(guó)內(nèi)學(xué)者較早研究飽水對(duì)煤系地層巖石物理力學(xué)性質(zhì)和破壞能量的影響，認(rèn)為注水軟化顯著改善了能量釋放的均勻性和穩(wěn)定性，飽水后煤巖儲(chǔ)蓄能量的能力有較大減弱，塑性明顯增強(qiáng)，煤巖動(dòng)靜組合加載失穩(wěn)誘發(fā)沖擊地壓的應(yīng)力和能量條件已成為研究的熱點(diǎn)。

李夕兵提出動(dòng)靜組合加載巖石力學(xué)的學(xué)術(shù)概念，并開展了不同巖石一維、三維動(dòng)力特性試驗(yàn)研究。國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用改造Inston實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、霍普金森壓桿(以下簡(jiǎn)稱SHPB)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)等實(shí)現(xiàn)巖石動(dòng)靜組合加載，李夕兵等研發(fā)了新型動(dòng)靜組合加載 SHPB 測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)進(jìn)行了較多煤巖的動(dòng)力學(xué)強(qiáng)度及能量耗散試驗(yàn)研究。

采用自制沖擊系統(tǒng)、分離式SHPB和改進(jìn)三維SHPB進(jìn)行煤巖動(dòng)靜組合加載試驗(yàn)，從沖擊應(yīng)變率、長(zhǎng)徑比、靜載、軸壓和含水狀態(tài)等角度進(jìn)行能量耗散特征研究。何滿潮等研究砂巖沖擊巖爆碎屑分形特征，認(rèn)為改變靜載要消耗較多能量且碎屑更為破碎，改變靜載后碎屑和裂紋分形維數(shù)值要高于改變動(dòng)載波幅。于水生等進(jìn)行花崗巖動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)，認(rèn)為應(yīng)變率隨著能量耗散率的增加而增大，表現(xiàn)為非線性關(guān)系，試樣破壞程度隨著單位體積耗散能的增大而增大。吳擁政等分析不同長(zhǎng)徑比煤樣能量耗散規(guī)律，認(rèn)為煤樣長(zhǎng)徑比越大破碎耗能密度越小，長(zhǎng)徑比增加反射能在入射能中的平均占比逐漸增加，透射能平均占比逐漸減小。劉少虹等研究煤巖結(jié)構(gòu)的應(yīng)力波傳播機(jī)制與能量耗散，認(rèn)為動(dòng)載能量耗散隨靜載的增大呈先增大后減小的趨勢(shì)，靜載為0.50～0.75時(shí)，動(dòng)載耗散能量迅速降低。殷志強(qiáng)等基于巖石能量?jī)?chǔ)存和釋放特征，提出動(dòng)靜組合加載條件巖爆傾向性指標(biāo)，認(rèn)為在較高軸向靜載作用下，隨沖擊能量的增大試樣破碎能耗特性由釋放能量轉(zhuǎn)變?yōu)槲漳芰?。馬少森等進(jìn)行三維動(dòng)靜組合加載下花崗巖能量耗散試驗(yàn)，認(rèn)為軸壓增大時(shí)單位體積吸收能逐漸降低，圍壓或應(yīng)變率增大時(shí)單位體積吸收能逐漸升高。李地元等進(jìn)行預(yù)制裂隙花崗巖的動(dòng)靜組合加載試驗(yàn)，認(rèn)為試樣的能量吸收率隨軸壓增大呈先上升后下降，常規(guī)靜載軸壓比0.6～0.7 時(shí)轉(zhuǎn)而釋放能量，軸壓越大釋放能量所需的沖擊氣壓越小。王文等研究不同飽水狀態(tài)煤樣能量耗散特征，試樣破壞能耗密度隨著飽水時(shí)間增長(zhǎng)逐漸減小，能耗密度與分形維數(shù)增幅均呈正相關(guān)。

目前，多數(shù)動(dòng)靜組合加載巖石力學(xué)試驗(yàn)主要關(guān)注巖爆或者沖擊發(fā)生的力學(xué)特征及判據(jù)，卻無(wú)法定量描述釋放出能量的大小。趙堅(jiān)和徐松林等設(shè)計(jì)并研制世界首臺(tái)真三軸動(dòng)靜組合SHPB加載試驗(yàn)系統(tǒng)，可以真實(shí)模擬礦山工程中煤巖三向動(dòng)靜組合加載的受力環(huán)境，真三軸動(dòng)靜組合加載條件飽水煤樣變形破壞的機(jī)理和能量耗散特征還有待深入研究。

鑒于此，利用真三軸動(dòng)靜組合加載試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行自然和飽水2種狀態(tài)煤樣的壓縮試驗(yàn)，分析2種狀態(tài)煤樣變形破壞過程中能量變化規(guī)律及占比特征，研究成果可為解釋動(dòng)載擾動(dòng)作用下煤層破壞失穩(wěn)和防治沖擊地壓災(zāi)害提供參考。

1 試 驗(yàn)

1.1 煤樣制備

試驗(yàn)煤樣取自躍進(jìn)煤礦二煤層，地點(diǎn)為13250工作面煤壁，煤層埋深594 m。按照要求在井下取出試驗(yàn)所需的煤塊，尺寸約為200 mm× 200 mm× 200 mm。依據(jù)煤樣的尺寸至少為煤樣中晶粒的10倍，室內(nèi)加工成52 mm×52 mm× 52 mm的立方體，煤樣的垂直度和平行度達(dá)到規(guī)程要求。篩選出完整性、均質(zhì)性較好的煤樣，滿足真三軸動(dòng)靜加載試驗(yàn)的要求。煤塊和煤樣實(shí)物如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)煤樣實(shí)物Fig.1 Coal samples in the experiment

1.2 煤樣飽水處理

將篩選煤樣隨機(jī)分成2組，自然煤樣的標(biāo)號(hào)為A1-1～A1-5，飽水煤樣的標(biāo)號(hào)為A2-1～A2-5。在飽水處理過程中模擬煤礦井下的環(huán)境，相對(duì)濕度60%～70%，溫度保持為25 ℃。

自然狀態(tài)是指將煤樣放在容器中擱置，如圖2(a)所示，將煤樣放置在容器中帶有孔的隔離板上，隔離板下放置有水，以保持容器中空氣的相對(duì)濕度，最大程度還原井下煤層吸收潮濕空氣中的水分，自然靜置7 d。

圖2 煤樣處理方式示意Fig.2 Schematic diagram of coal sample processing method

飽水煤樣是指采用自然吸水法，如圖2(b)所示，煤樣在進(jìn)行飽水處理前分別進(jìn)行稱重，然后將煤樣放入容器中，向容器中倒入蒸餾水至煤樣1/4高度，每隔2 h加水一次，直至液面高出煤樣2～3 cm。每浸泡24 h后取出煤樣進(jìn)行一次稱重，直至前后2次質(zhì)量變化不超過0.01 g為止，經(jīng)計(jì)算煤樣自然吸水率在3.2%～6.1%。

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

真三軸動(dòng)靜組合加載試驗(yàn)采用莫納什大學(xué)的真三軸動(dòng)靜組合SHPB系統(tǒng)，試驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)巖石、混凝土和煤炭的單軸、兩軸和三軸的靜動(dòng)組合加載試驗(yàn)。

該系統(tǒng)總尺寸：水平方向長(zhǎng)8 m，水平方向?qū)? m，垂直方向高5 m。包括1 個(gè)動(dòng)態(tài)加載系統(tǒng)、1 個(gè)氣槍和1個(gè)圓柱形撞桿，3 個(gè)垂直方向上有3 對(duì)獨(dú)立橫截面為50 mm×50 mm方形鋼桿，3 個(gè)液壓缸(壓力達(dá)到100 MPa)、1 個(gè)堅(jiān)固的平臺(tái)、6 個(gè)高強(qiáng)度鋼反作用框架和1 個(gè)多通道高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。方形桿在，和方向上正交對(duì)齊。沿軸方向，有沖擊桿(1.5 m)、入射桿(2.5 m)、傳輸桿(2.0 m) 、吸收桿(0.5 m)。在和軸方向，使用4根輸出桿(2.0 m)通過液壓缸施加圍壓，并監(jiān)測(cè)輸出波。在試驗(yàn)過程中，通過2個(gè)水平液壓缸和1個(gè)垂直液壓缸，在1個(gè)立方體煤樣上施加3個(gè)相互獨(dú)立的正交方向的預(yù)靜載，并通過在氣槍中發(fā)射撞桿來施加動(dòng)載荷。在軸方向末端有沖能緩沖裝置，用于吸收傳遞到透射桿的大部分能量，避免透射能量形成反射，影響試驗(yàn)結(jié)果和對(duì)試驗(yàn)設(shè)備造成損傷。在真三軸動(dòng)靜組合SHPB試驗(yàn)系統(tǒng)中，入射桿墊片與煤樣的接觸面處，能量一部分以反射的形式沿入射桿反向傳遞，另一部分在接觸面沿煤樣傳遞。在煤樣中傳遞的能量又可分為兩部分，一部分為煤樣破壞所吸收的能量，另一部分在煤樣與透射桿和出射桿的接觸面上發(fā)生透射和反射，應(yīng)力波在整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)中和煤樣中的三維傳播特征如圖4所示，其中，為動(dòng)載應(yīng)力；，分別為軸和軸方向施加的預(yù)靜載應(yīng)力；，，，1，2分別為入射應(yīng)變、反射應(yīng)變、透射應(yīng)變、1方向上的應(yīng)變和2方向上的應(yīng)變。

圖3 真三軸動(dòng)靜加載霍普金森沖擊試驗(yàn)裝置Fig.3 True three-axis static load Hopkinson impact loading experimental device

圖4 真三軸動(dòng)靜載SHPB桿應(yīng)力波傳播示意(不按比例，垂直Z軸方向俯視)Fig.4 Schematic diagram of stress wave propagation of SHPB rod under true triaxial dynamic and static load(not in proportion，top view perpendicular to Z axis)

試驗(yàn)過程中通過多通道高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集6 根桿件上的應(yīng)變信號(hào)計(jì)算應(yīng)力和能量大小。

1.4 試驗(yàn)方案

為了設(shè)置煤樣在三軸方向靜載，首先分別對(duì)自然及飽水煤樣進(jìn)行常規(guī)單軸壓縮試驗(yàn)。圖5給出了2種狀態(tài)下單軸壓縮煤樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線。自然狀態(tài)煤樣的單軸抗壓強(qiáng)度分別為42.09，42.91和43.13 MPa，平均值為42.73 MPa；飽水煤樣的單軸壓縮抗壓強(qiáng)度分別為20.41，20.82和25.32 MPa，平均值為22.18 MPa，平均軟化系數(shù)為51.43%。

圖5 自然及飽水煤樣單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Stress-strain curves of natural and saturatedcoal samples under uniaxial compression

依據(jù)常規(guī)單軸試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)自然及飽水煤樣三軸動(dòng)靜組合加載試驗(yàn)方案，見表1。在試驗(yàn)方案中，和軸分別為8和6 MPa恒定靜載，在軸依次施加2，4，6，8和10 MPa恒定靜載。動(dòng)靜組合實(shí)驗(yàn)中最大預(yù)靜載值為相應(yīng)狀態(tài)煤樣單軸抗壓強(qiáng)度峰值的22.40%和45.09%，可見預(yù)加靜載應(yīng)力處于煤樣的彈性范圍內(nèi)，不會(huì)對(duì)煤樣造成損傷。在軸設(shè)置0.8 MPa的氣壓推動(dòng)子彈發(fā)射施加動(dòng)載。

在真三軸動(dòng)靜組合加載試驗(yàn)中，首先將煤樣放置在加載臺(tái)上，加載臺(tái)處于6 根金屬桿正中央，將6 根金屬桿緩慢與煤樣接觸貼緊，三軸末端的液壓缸通過傳力桿向煤樣施加靜載設(shè)定值(表1)，三軸方向靜載和動(dòng)載加載方式如圖4所示。以表1中A1-1煤樣動(dòng)靜應(yīng)力狀態(tài)(8，2，6 MPa)為例，先以0.1 MPa/s加載速率對(duì)三軸方向同時(shí)施加靜載2 MPa，再在,軸方向繼續(xù)加載靜載至6 MPa，然后在軸方向繼續(xù)加載靜載至8 MPa，在保持三軸方向靜載值恒定條件下，通過對(duì)入射桿前端撞針施加0.8 MPa氣壓實(shí)施沖擊動(dòng)載，沖擊能量通過入射桿作用于煤樣直至發(fā)生失穩(wěn)破壞。

表1 試驗(yàn)方案

2 能量分析

2.1 能量計(jì)算原理

在動(dòng)靜組合加載試驗(yàn)中，煤樣受到三軸方向的靜載作用，預(yù)靜載的大小在煤樣的彈性范圍內(nèi)，靜載做功的能量存儲(chǔ)在煤樣的內(nèi)部。煤樣施加軸向載荷時(shí)的能量密度可根據(jù)式(1)進(jìn)行計(jì)算：

(1)

其中，為煤樣在三軸方向中某一點(diǎn)所受軸向應(yīng)力；d為煤樣在三軸方向中某一點(diǎn)在軸向靜載荷作用下發(fā)生的應(yīng)變。軸向靜載荷作用下煤樣的能量可認(rèn)為是煤樣在施加靜載過程中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與橫軸(應(yīng)變)形成的封閉區(qū)域的面積與煤樣體積之積，即

=

(2)

根據(jù)真三軸靜載加載特性，煤樣在軸向施加靜載使得煤樣在同一軸方向兩面受力均勻，因此將煤樣的微小單元簡(jiǎn)化為三軸方向的平面問題，在同一軸方向?qū)α⒚嬲J(rèn)為受到的切向應(yīng)力大小相等，方向相反。沖擊動(dòng)載試驗(yàn)中僅考慮對(duì)煤樣在軸向受到?jīng)_擊后的能量吸收、轉(zhuǎn)換與釋放。圖6為煤樣在試驗(yàn)過程中三維加載原理。

圖6 真三軸動(dòng)靜加載系統(tǒng)試驗(yàn)原理Fig.6 Experimental principle of the true triaxial staticand dynamic combination loading system

根據(jù)能量守恒定律，在沖擊加載過程中各部分能量可根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算：

(3)

(4)

(5)

其中，為壓桿截面面積；為壓桿的縱波波速；為煤樣密度；()，()和()分別為入射、反射和透射的應(yīng)力；，和分別為試驗(yàn)過程中的入射能、反射能和透射能。入射能和無(wú)用耗散能量的總量，分別為

=+

(6)

=+T,=,,

(7)

則煤樣在真三軸動(dòng)靜組合加載下發(fā)生破壞時(shí)的總吸收能為

(8)

則，煤樣的能耗密度可以表示為

=

(9)

為反映煤樣在沖擊破壞過程中的能量特征，采用各組分能量占總量的權(quán)重分析煤樣的能量變化特征，即能量吸收率、反射率，軸方向的透射率和，軸方向的出射率。

=

(10)

=

(11)

=T

(12)

式中，，，分別為能量的吸收率、反射率和透射率。

2.2 能量特征分析

自然及飽水煤樣在三維動(dòng)靜組合加載下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，反映了三維應(yīng)力狀態(tài)下軸靜載變化對(duì)煤樣的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度及變形的影響，如圖7,8所示。根據(jù)自然及飽水煤樣三軸預(yù)加靜載壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線，利用靜載能量計(jì)算式(1)，(2)，計(jì)算出2種狀態(tài)下煤樣在三軸不同靜載作用下的靜載能量，見表2。

根據(jù)真三軸動(dòng)靜組合SHPB試驗(yàn)系統(tǒng)中各桿件應(yīng)變片上得到的信號(hào)數(shù)據(jù)，利用真三軸動(dòng)靜組合加載作用下各組能量的計(jì)算原理，通過式(3)～(9)和式(10)～(12)計(jì)算，得出2種狀態(tài)下煤樣在動(dòng)靜加載試驗(yàn)過程中各組分能量及占比，見表3，其中，為試樣失穩(wěn)破壞的能耗密度。

圖7 自然煤樣的動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.7 Dynamic stress-strain curves of natural coal samples

圖8 飽水煤樣的動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.8 Dynamic stress-strain curves of saturated coal samples

表2 預(yù)靜載能量

從表3可以看出，在不同軸靜載加載條件下，煤樣能量損耗和吸能變化特征具有較大差異性；在相同軸靜載加載下，煤樣含水狀態(tài)對(duì)煤樣能量損耗及吸收特征存在較大影響。因此，需探討軸靜載和含水狀態(tài)2個(gè)變量對(duì)煤樣能量耗散規(guī)律的影響。

表3 自然及飽水煤樣動(dòng)靜加載各組分能量及其占比結(jié)果

3 能量耗散規(guī)律

圖9，10為自然和飽水煤樣在動(dòng)態(tài)沖擊加載過程中各組分能量隨著時(shí)間的變化曲線。在計(jì)算時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的總能量包括沖擊入射能和預(yù)加靜載能量，其中預(yù)加靜載在煤樣彈性范圍內(nèi)，以彈性能的形式存儲(chǔ)在煤樣中，在整個(gè)試驗(yàn)過程中處于恒定加載狀態(tài)，可以認(rèn)為預(yù)靜載能量基本保持不變，而動(dòng)靜加載過程中煤樣內(nèi)部發(fā)生損傷到完全失穩(wěn)破壞是靜載和動(dòng)載共同作用的結(jié)果。這里需要說明的是：圖9，10中動(dòng)態(tài)沖擊加載過程各能量是以靜載能量為起點(diǎn)。

3.1 試驗(yàn)過程中能量的變化特征

自然煤樣的能量變化規(guī)律

為了能夠進(jìn)一步探討軸靜載對(duì)煤樣動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的影響，計(jì)算出煤樣在不同軸靜載加載條件下整個(gè)試驗(yàn)過程中能量隨時(shí)間變化規(guī)律，繪制如圖9所示各組分能量隨著動(dòng)載應(yīng)力波作用的全程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖9 相同動(dòng)載(0.8 MPa)不同預(yù)靜載加載(X，Y，Z)下自然煤樣的能量與時(shí)間曲線Fig.9 Energy and time curves of natural coal samples under the same dynamic load(0.8 MPa) and different pre static load(X，Y，Z)

根據(jù)圖9中繪制的能量隨時(shí)間變化曲線，從軸靜載2 MPa增加到10 MPa，能量大小隨著時(shí)間的變化表現(xiàn)出的差異主要體現(xiàn)在沖擊前期，在后期曲線變化特征比較相似。通過對(duì)圖9中曲線變化規(guī)律差異性較大局部進(jìn)行放大對(duì)比發(fā)現(xiàn)，差異性主要表現(xiàn)在不同軸靜載條件下入射能、吸能和反射能大小關(guān)系，且各組能量曲線相對(duì)于基線的起點(diǎn)不同。

從圖9(a)，(c)和(e)可以看出，當(dāng)軸靜載為2，6，10 MPa時(shí)，在動(dòng)載沖擊前期，煤樣吸能大于反射能和透射能，圖中吸能基線為靜載能量，當(dāng)吸能隨著時(shí)間不斷增大，表明煤樣在不斷吸收能量，不斷積聚動(dòng)載帶來的能量，使煤樣在其彈塑范圍內(nèi)不斷發(fā)生變形與損傷產(chǎn)生微觀裂隙，一旦動(dòng)靜應(yīng)力達(dá)到煤樣極限承載時(shí)，煤樣內(nèi)部微觀裂隙擴(kuò)展為宏觀裂隙，煤樣承載能力急劇降低，吸能均不斷減少。而從圖9(b)，(d)可以看出，當(dāng)軸靜載為4和8 MPa時(shí)，在動(dòng)載沖擊前期，除去煤樣在預(yù)靜載條件下儲(chǔ)存的能量，煤樣吸能為負(fù)值，相對(duì)于其他3種軸靜載的加載狀態(tài)下，反射能略高于吸能，在軸方向透射能增長(zhǎng)趨勢(shì)相比較大，表明在這2種加載狀態(tài)下，動(dòng)載擾動(dòng)使煤樣內(nèi)部?jī)?chǔ)存靜載能量失去原有平衡狀態(tài)，使煤樣開始釋放部分靜載能量，而釋放的大部分能量以反射能的方式進(jìn)行反射，只有少部分沿動(dòng)載沖擊方向發(fā)生透射。

在入射能達(dá)到峰值后，所有加載狀態(tài)下各組分能量大小關(guān)系均表現(xiàn)出相似規(guī)律。就能量變化趨勢(shì)而言，隨著軸靜載增大，反射能和動(dòng)載沖擊方向的透射能差值逐漸減小，雖然在軸靜載為8 MPa時(shí)差值又稍有增大，但是當(dāng)軸靜載為10 MPa時(shí)差值又表現(xiàn)出減小，相對(duì)情況下，反射能減小，沖擊方向透射能增大。因此，在試驗(yàn)結(jié)果中，軸加載條件為4和8 MPa時(shí)的能量變化規(guī)律曲線與其他加載條件下有所不同，不排除由煤樣自身差異導(dǎo)致。

飽水煤樣的能量變化規(guī)律

圖10為不同軸靜載加載條件下，飽水煤樣在試驗(yàn)過程中各組分能量隨著時(shí)間的變化特征。

圖10 相同動(dòng)載(0.8 MPa)不同預(yù)靜載加載(X，Y，Z)下飽水煤樣的能量與時(shí)間曲線Fig.10 Energy and time curves of water saturated coal samples under the same dynamic load(0.8 MPa) and different pre static load(X，Y，Z)

從圖10可以看出，在不同軸靜載條件下各能量曲線表現(xiàn)出來的規(guī)律大致相同，主要差異性表現(xiàn)在沖擊前期，這與自然煤樣的特性相似。采用相同方法對(duì)圖10曲線中差異性較大局部進(jìn)行放大，進(jìn)行飽水煤樣動(dòng)靜載加載過程中的入射能、吸能和反射能的分析。在不同預(yù)靜載加載狀態(tài)下，曲線的相似性表現(xiàn)在動(dòng)載沖擊前期，相同時(shí)間內(nèi)反射能大于吸能，在軸靜載為10 MPa時(shí)，煤樣吸能變化經(jīng)歷了從大于反射能到小于反射能，但在整體呈現(xiàn)大致相當(dāng)?shù)默F(xiàn)象。

由能量隨著時(shí)間的變化規(guī)律可以推斷出，煤樣在經(jīng)過飽水處理后，其彈塑特性發(fā)生了變化，使在預(yù)靜載加載下煤樣更容易存儲(chǔ)靜載能量。在動(dòng)載應(yīng)力波作用下，首先破壞煤樣預(yù)靜載的平衡狀態(tài)，在高動(dòng)載應(yīng)力波作用下煤樣失穩(wěn)破壞釋放存儲(chǔ)的預(yù)靜載能量，沿入射桿和透射桿傳播，呈現(xiàn)動(dòng)載應(yīng)力波作用煤樣前期的反射能大于煤樣吸能的現(xiàn)象。隨著動(dòng)載應(yīng)力波作用在煤樣上，煤樣反射能逐漸趨于平穩(wěn)，吸能逐漸大于反射能，呈現(xiàn)增大的現(xiàn)象。在煤樣預(yù)靜載加載狀態(tài)分別為(8 MPa，4 MPa，6 MPa)和(8 MPa，8 MPa，6 MPa)時(shí)，與其他預(yù)靜載狀態(tài)下能量曲線變化規(guī)律差異性較大的是部分時(shí)間段反射能大于入射能，且煤樣吸能呈現(xiàn)較大負(fù)值。

根據(jù)在不同預(yù)靜載加載狀態(tài)下各組分能量曲線變化特征，煤樣吸能為負(fù)值表明能量的釋放，推斷造成部分時(shí)間段反射能大于入射能的主要原因是煤樣內(nèi)部積聚能量大量釋放。在煤樣高預(yù)靜載加載狀態(tài)為(8 MPa，10 MPa，6 MPa)時(shí)，煤樣吸能隨著入射能的增加而增加，且大于反射能，與其他預(yù)靜載加載狀態(tài)形成較大不同，在動(dòng)載作用煤樣的中期，反射能大于吸能，隨后小于吸能，能量變化規(guī)律與其他預(yù)靜載加載條件下表現(xiàn)出相似特征。

因此，煤樣在預(yù)靜載狀態(tài)分別為(8 MPa，2 MPa，6 MPa)，(8 MPa，4 MPa，6 MPa)，(8 MPa，6 MPa，6 MPa)和(8 MPa，8 MPa，6 MPa)時(shí)，預(yù)靜載的加載使煤樣變形處于煤樣內(nèi)部裂隙未完全壓縮前的彈性變形，而煤樣高預(yù)靜載加載狀態(tài)為(8 MPa，10 MPa，6 MPa)時(shí)，預(yù)靜載的加載使煤樣變形處于煤樣內(nèi)部裂隙進(jìn)一步壓縮后的彈性變形。

3.2 各組分能量的變化特征

2種含水狀態(tài)煤樣及不同預(yù)靜載加載狀態(tài)下，各組分能量在煤樣內(nèi)的傳遞效率存在較大差異。從能量變化角度直觀反映了煤樣狀態(tài)對(duì)能量的損耗特點(diǎn)；從整體強(qiáng)度角度間接反映了煤樣從加載到失穩(wěn)破壞過程中的受力特征。各組分能量的傳遞效率能夠從細(xì)觀角度反映煤樣在不同狀態(tài)下的整體特征。圖11為2種含水狀態(tài)煤樣能量反射率、透射率和吸收率的占比與軸方向靜載的關(guān)系。

圖11 自然及飽水煤樣在不同預(yù)靜載條件下對(duì)各組分能量傳遞效率的影響特征Fig.11 Influence characteristics of natural and water saturated coal samples on energy transferefficiency of each component under different preload conditions

從圖11可以看出,2種含水狀態(tài)煤樣的各組分能量占比具有較大差異，自然煤樣能量吸收率在3者中占比最大，反射率次之，透射率最??；飽水煤樣能量反射率在3者中占比最大，吸收率次之，透射率最小。兩幅圖的相同點(diǎn)是能量透射率占比最小，最大不同點(diǎn)是自然煤樣能量吸收率大于反射率，飽水煤樣能量反射率大于吸收率，但在軸靜載為10 MPa時(shí)與自然煤樣表現(xiàn)出相似的特征。

為了分析軸靜載和含水狀態(tài)對(duì)煤樣的能量變化的影響，圖12給出了2種含水狀態(tài)煤樣相同靜載動(dòng)態(tài)沖擊載荷作用下煤樣反射率、透射率和吸收率的關(guān)系；圖13給出了2種含水狀態(tài)煤樣不同軸靜載加載狀態(tài)下煤樣反射率、透射率和吸收率的關(guān)系。

靜載加載條件的影響

當(dāng)僅考慮含水狀態(tài)對(duì)煤樣能量傳遞效率的影響，從圖12(a)看出,在相同軸靜載作用下飽水煤樣的能量反射率明顯高于自然煤樣，高出幅度17.25%～37.04%。從圖12(b)可以看出,含水狀態(tài)對(duì)動(dòng)靜沖擊載荷下煤樣能量透射率的影響較為復(fù)雜，在軸靜載為2 MPa時(shí)，自然和飽水煤樣能量透射率大致相當(dāng)；在軸靜載為4和10 MPa時(shí)，自然煤樣能量透射率大于飽水煤樣，分別為50.30%和19.18%；在軸靜載為6和8 MPa時(shí)，飽水煤樣能量透射率大于自然煤樣，分別為30.94%和34.17%，表明當(dāng)三軸靜載應(yīng)力相近時(shí)對(duì)動(dòng)靜沖擊作用下煤樣能量透射率影響明顯。

圖12 自然及飽水煤樣在不同Y軸靜載條件下各組分能量的傳遞效率Fig.12 Energy transfer efficiency of each component of natural and water saturated coal samples underdifferent Y-axis static load conditions

圖13 煤樣狀態(tài)對(duì)各組分能量傳遞效率的影響特征Fig.13 Influence characteristics of coal sample state on energy transfer efficiency of each component

從圖12(c)可以看出，相同軸靜載作用下自然狀態(tài)煤樣能量吸收率明顯高于飽水煤樣，高出幅度在17.13%～55.95%，其中自然煤樣能量吸收率呈現(xiàn)波浪式起伏變化，飽水煤樣能量吸收率呈現(xiàn)先降低后變大的趨勢(shì)，最低點(diǎn)位于軸靜載8 MPa，最高點(diǎn)位于10 MPa。

含水狀態(tài)的影響

從圖13(a)可以看出,在動(dòng)靜沖擊作用下的飽水煤樣能量反射率大于自然煤樣，表示飽水處理對(duì)煤樣在沖擊加載過程中能量反射有著較大影響。圖13(b)顯示飽水煤樣能量透射率的離散性明顯大于自然煤樣，表明煤樣含水狀態(tài)與軸不同靜載大小耦合作用對(duì)能量透射率具有較大影響。圖13(c)顯示自然煤樣能量吸收率大于飽水煤樣，自然煤樣的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度大于飽水煤樣，表明動(dòng)靜沖擊作用下能量吸收率與煤樣的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度變化特征相似。

三軸方向預(yù)加靜載作用，使煤樣處于不完全封閉的加載狀態(tài)，預(yù)靜載在內(nèi)部原始孔隙形成擠壓的同時(shí)，對(duì)自由水在擠壓水楔作用誘導(dǎo)形成新裂隙，原始裂隙中的自由水浸入新生裂隙，使得煤樣中的充水更加充分，當(dāng)軸靜載達(dá)到某一臨界值時(shí)，能量反射率不再增加，反而呈現(xiàn)降低現(xiàn)象；能量透射率隨著三軸預(yù)加靜載的改變而改變，從軸靜載最小到三軸靜載相近到軸靜載最大，呈現(xiàn)出先增大后減小的現(xiàn)象。其中自然煤樣的軸峰值頂點(diǎn)為4 MPa，飽水煤樣的軸峰值頂點(diǎn)為6 MPa。

4 討 論

4.1 能耗密度與動(dòng)態(tài)強(qiáng)度的聯(lián)系

煤樣對(duì)能量的吸收量體現(xiàn)煤樣發(fā)生內(nèi)部損傷時(shí)所需要外部做功的大小，是煤樣內(nèi)部裂隙演化的決定性因素。從微觀能量的吸收與宏觀表現(xiàn)的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度特征為出發(fā)點(diǎn)，分析煤樣峰值動(dòng)態(tài)強(qiáng)度與能耗密度的關(guān)系，以及飽水對(duì)煤樣峰值動(dòng)態(tài)強(qiáng)度的影響，圖14給出了三軸方向峰值動(dòng)態(tài)應(yīng)力與能耗密度的關(guān)系。

圖14 自然及飽水煤樣的動(dòng)態(tài)應(yīng)力與能耗密度的關(guān)系Fig.14 Relationship between dynamic strength and energy consumption density of natural and water saturated coal samples

由圖14可知，自然狀態(tài)下煤樣的能耗密度為1.50～2.12 J/cm，平均值為1.83 J/cm，離散率為15.55%；飽水煤樣的能耗密度為0.97～1.73 J/cm，平均值為1.24 J/cm，離散率為25.22%。在軸方向，自然煤樣的峰值動(dòng)態(tài)應(yīng)力為126.51～138.10 MPa，飽水煤樣的峰值動(dòng)態(tài)應(yīng)力為99.35～119.65 MPa；在軸方向，自然煤樣的峰值動(dòng)態(tài)應(yīng)力為22.91～35.95 MPa，飽水煤樣的峰值動(dòng)態(tài)應(yīng)力為31.56～37.80 MPa；軸方向自然煤樣的峰值動(dòng)態(tài)應(yīng)力為29.60～34.56 MPa，飽水煤樣的峰值動(dòng)態(tài)應(yīng)力為34.07～42.82 MPa。自然煤樣的能耗密度大于飽水煤樣的能耗密度，自然煤樣的峰值動(dòng)態(tài)應(yīng)力在軸方向大于飽水煤樣，在和軸方向小于飽水煤樣的峰值動(dòng)態(tài)應(yīng)力，表明在沖擊加載方向，能耗密度與煤樣峰值動(dòng)態(tài)應(yīng)力呈正相關(guān)的關(guān)系，在和軸方向呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系。

分析表明能耗密度的變化規(guī)律能夠反映煤樣在真三軸動(dòng)靜組合加載試驗(yàn)中的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度變化特征。從能量角度能夠在微觀結(jié)構(gòu)上分析煤樣發(fā)生破壞的內(nèi)在因素。

4.2 破壞特征與靜載的聯(lián)系

能量隨時(shí)間變化特征是從細(xì)觀角度對(duì)失穩(wěn)破壞進(jìn)行描述，表面裂隙的發(fā)育和擴(kuò)展是應(yīng)力波在微觀下作用到煤樣表現(xiàn)的宏觀破壞。因此煤樣破壞特征表現(xiàn)出了試驗(yàn)過程中能量的耗散特征，限于篇幅，圖15，16給出部分靜動(dòng)組合作用下自然及飽水煤樣的破壞特征。

圖15 自然煤樣在試驗(yàn)后破壞形態(tài)Fig.15 Failure mode of natural coal sample after test

圖16 飽水煤樣在試驗(yàn)后的破壞形態(tài)Fig.16 Failure mode of water saturated coal sample after test

煤樣內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)變化分為2個(gè)部分：一部分是預(yù)靜載施加時(shí)對(duì)內(nèi)部裂隙的擠壓作用；另一部分是試驗(yàn)系統(tǒng)施加動(dòng)載的沖擊作用，宏觀裂隙則是預(yù)靜載與動(dòng)態(tài)沖擊共同作用的結(jié)果。沖擊破壞后煤樣表面裂隙發(fā)育和破壞形態(tài)能夠反應(yīng)出三軸預(yù)靜載狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)破壞特征。由圖15可以看出，在不同軸靜載作用下煤樣破壞形態(tài)和部分側(cè)面裂隙的分布特征有所不同。隨著軸靜載應(yīng)力增大，破壞后煤樣的整體性逐漸完好，整體破壞均是各作用面的裂隙連接形成宏觀裂隙帶。

動(dòng)載應(yīng)力波作用于試樣后，一部分以反射波形式沿入射桿返回，另一部分能量將作用于試樣，動(dòng)載應(yīng)力波會(huì)首先作用于試樣內(nèi)部存在的原生裂隙壓密，促進(jìn)形成新的微觀裂隙，應(yīng)力波不斷在煤樣中傳播，微觀裂隙不斷發(fā)育、擴(kuò)展形成宏觀裂隙滑移，煤樣失穩(wěn)破壞，多余大部分能量透過試樣沿透射桿傳播，只有極少部分能量沿，軸方向透射桿傳播。由于，軸方向靜載與X軸動(dòng)載相比明顯偏低，煤樣受載后出現(xiàn)泊松效應(yīng)表現(xiàn)出側(cè)向膨脹，導(dǎo)致裂隙張開與滑移向，軸方向發(fā)展，煤樣破壞形態(tài)與靜載應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。

由圖15(a)可知，當(dāng)軸靜載應(yīng)力為4 MPa的最小主應(yīng)力時(shí)，三軸預(yù)靜載應(yīng)力差較大，煤樣出現(xiàn)垂直于軸靜載應(yīng)力的張拉破裂面，煤樣的邊緣結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞，整體性比較差；煤樣表面裂隙呈現(xiàn)中心發(fā)散狀，多平行于三軸方向。煤樣的部分結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)粉碎性，具有明顯層裂現(xiàn)象，但仍具有整體性特征；從破裂面看出煤樣內(nèi)部裂隙發(fā)育且相互貫穿，這也是煤樣整體性缺失的原因。

由圖15(b)可知，當(dāng)軸靜載應(yīng)力為6 MPa時(shí)，煤樣依然保持整體性結(jié)構(gòu)，僅缺失邊角部分。從軸方向俯視觀察到表面裂隙與沖擊方向剪切破裂面的最大角度為56°，近似平行發(fā)育，相互之間形成貫穿，且相鄰作用面的裂隙相互連接導(dǎo)致煤樣結(jié)構(gòu)性失穩(wěn)。

由圖15(c)可知，當(dāng)軸靜載應(yīng)力為8 MPa時(shí)，三軸預(yù)靜載應(yīng)力差較小時(shí)，從軸方向俯視觀察到表面裂隙與沖擊方向剪切破裂面的最大角度為32°，宏觀貫穿性裂隙在軸靜載的作用面發(fā)育形成，且煤樣與入射桿接觸面發(fā)生嚴(yán)重的整體性破壞，表面有明顯微裂隙結(jié)構(gòu)發(fā)育，煤樣整體性比較完整，少有微小裂隙，多為貫穿整個(gè)作用面的裂隙。當(dāng)軸靜載為10 MPa時(shí)，從軸方向俯視觀察到表面裂隙與沖擊方向的最大角度為100°，與沖擊方向平行的裂隙存在于邊緣區(qū)域，屬于后期形成；在入射桿與煤樣的作用面的中部具有平行于軸的損傷裂隙帶，且與相鄰作用面的形成連接。

可見煤樣破壞程度與預(yù)靜載狀態(tài)有關(guān)，當(dāng)三軸靜載應(yīng)力差較大時(shí)，例如軸靜載在2和4 MPa，動(dòng)靜載荷作用下煤樣內(nèi)部裂隙貫穿發(fā)育，分布縱橫交錯(cuò)，結(jié)構(gòu)損傷較大，發(fā)生更加嚴(yán)重的破壞，不能保證原有煤樣的完整性，更多出現(xiàn)張拉破壞。

當(dāng)三軸靜載應(yīng)力差較小時(shí)，例如軸靜載在6～8 MPa時(shí)，煤樣能夠保證原有的完整性結(jié)構(gòu)，動(dòng)靜載荷作用下煤樣的結(jié)構(gòu)破壞以剪切斷裂為主，剪切破裂面與沖擊方向形成角度變化；在軸靜載6～8 MPa時(shí)，角度呈減小趨勢(shì)；在軸靜載8～10 MPa時(shí)，角度呈增大趨勢(shì)；從表面裂隙整體來看，呈現(xiàn)“”型的斷裂模式。剪切破裂面與沖擊方向形成的角度變化趨勢(shì)與三軸預(yù)靜載加載狀態(tài)和動(dòng)載沖擊有著較大的關(guān)系。

由圖16可知，飽水煤樣在三軸不同靜載動(dòng)態(tài)沖擊作用下的破壞形態(tài)呈現(xiàn)較大差異。從整體上看，原有形態(tài)煤樣裂隙多向軸和軸發(fā)育，相鄰面裂隙相互貫通，可以推斷由于軸預(yù)靜載較小，軸預(yù)靜載接近軸預(yù)靜載大小，導(dǎo)致煤樣在軸方向受到動(dòng)載沖擊后，煤樣會(huì)以軸和軸形成的平面，沿軸兩端進(jìn)行開裂。

當(dāng)><≠0和>>≠0時(shí)，三軸預(yù)靜載應(yīng)力差較大，例如：預(yù)靜載應(yīng)力(8 MPa,4 MPa,6 MPa)和(8 MPa,10 MPa,6 MPa)，分布于煤樣內(nèi)部的裂隙比較發(fā)育，且與煤樣在表面裂隙相互貫穿，表明三軸預(yù)靜載應(yīng)力差異較大時(shí)，煤樣在受到動(dòng)載沖擊后，擾動(dòng)預(yù)靜載應(yīng)力平衡導(dǎo)致內(nèi)部裂隙迅速進(jìn)入大發(fā)育階段，煤樣碎裂成塊，無(wú)法保持原有的狀態(tài)，如圖16(a)所示煤樣在動(dòng)靜沖擊加載后表現(xiàn)出碎裂成塊特征，無(wú)法保持原有完整性，且碎塊大小不一。當(dāng)>=≠0和=>≠0三軸預(yù)靜載應(yīng)力差較小時(shí)，例如：預(yù)靜載應(yīng)力(8 MPa,6 MPa,6 MPa)和(8 MPa,8 MPa,6 MPa)，圖16(b)顯示飽水煤樣在動(dòng)靜沖擊加載中能夠近似保持較為完整形態(tài)，且其表面裂隙發(fā)育多呈現(xiàn)對(duì)角方向，煤樣表面裂隙與軸方向呈約42° 夾角，表面裂隙發(fā)育與內(nèi)部裂隙互相貫通，且相鄰面裂隙也相互貫通。圖16(c)動(dòng)載沖擊后的煤樣雖然能夠呈現(xiàn)較為完整形態(tài)，但根據(jù)煤樣表面裂隙發(fā)育特征，煤樣內(nèi)部裂隙進(jìn)入大發(fā)育階段，表面呈現(xiàn)較大貫穿裂隙，且煤樣表面裂隙多沿軸和軸方向發(fā)育，煤樣已經(jīng)喪失原有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

對(duì)較大碎塊裂隙進(jìn)行觀察，煤樣內(nèi)部具有較多裂隙，裂隙之間相互連接，貫穿整個(gè)煤樣并切割成較小塊體結(jié)構(gòu)，且內(nèi)部裂隙往往能夠在煤樣表面形成連接。雖然破壞后煤樣存在部分結(jié)構(gòu)保持原有形態(tài)，但裂隙發(fā)育、貫穿和連接已經(jīng)使這部分結(jié)構(gòu)失去了整體性。

在真三軸動(dòng)靜組合加載試驗(yàn)中，不同預(yù)靜載對(duì)飽水煤樣破壞程度影響大不相同，對(duì)裂隙發(fā)育特征具有較大影響。對(duì)比相同靜、動(dòng)應(yīng)力條件煤樣破壞形態(tài)，飽水煤樣破壞程度往往大于自然煤樣，表現(xiàn)為飽水對(duì)煤樣的弱化現(xiàn)象。相同預(yù)靜載狀態(tài)煤樣中，均是預(yù)靜載狀態(tài)為(8 MPa,4 MPa,6 MPa)和(8 MPa,10 MPa,6 MPa)時(shí)的破壞程度相對(duì)最大，在預(yù)靜載狀態(tài)為(8 MPa,6 MPa,6 MPa)和(8 MPa,8 MPa,6 MPa)時(shí)均表現(xiàn)出破壞性較小。

煤樣動(dòng)態(tài)特性對(duì)三軸預(yù)靜載加載條件比較敏感，在相同沖擊條件下，沖擊方向峰值動(dòng)態(tài)應(yīng)力呈現(xiàn)先增加后減小特點(diǎn)，表明煤樣動(dòng)態(tài)強(qiáng)度受到三軸約束限制，對(duì)煤樣進(jìn)行三軸預(yù)靜載加載抑制了煤樣內(nèi)部裂隙發(fā)育，對(duì)煤樣施加合適三軸預(yù)靜載加載有助于提高煤樣的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度。

煤礦沖擊地壓的本質(zhì)是由于采礦活動(dòng)煤巖體系統(tǒng)在變形破壞過程中能量穩(wěn)定態(tài)積聚、非穩(wěn)定態(tài)釋放的非線性動(dòng)力學(xué)過程，對(duì)已具有沖擊危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行解危，煤層注水可以避免高應(yīng)力集中，改善煤巖體介質(zhì)性質(zhì)以減弱積聚彈性能的能力。因此，在煤層開采過程中，當(dāng)煤層承載的三向應(yīng)力中某一方向應(yīng)力較低或三向方向的應(yīng)力相仿時(shí)，可通過煤層注水方式改善煤層力學(xué)特性，減緩沖擊地壓對(duì)煤層及周圍巖體損傷。但當(dāng)煤層承載應(yīng)力較大且三向應(yīng)力差較大時(shí)，需要采取相應(yīng)措施改善圍巖應(yīng)力環(huán)境，使其接近于三向等應(yīng)力，從而減緩動(dòng)載沖擊作用下煤層破壞。

5 結(jié) 論

(1)飽水煤樣在靜載作用下，相對(duì)于自然煤樣可以存儲(chǔ)較多的靜載彈性能，在沖擊初始階段試樣吸能為負(fù)值表現(xiàn)出部分彈性能的釋放。靜載作用下的能量，一部分能量轉(zhuǎn)化為對(duì)裂隙內(nèi)自由水的擠壓應(yīng)力，另一部分轉(zhuǎn)化為誘導(dǎo)新裂隙形成的動(dòng)能。

(2)在2種狀態(tài)及不同加載狀態(tài)下，煤樣內(nèi)各組分能量的傳遞效率存在較大差異。相同動(dòng)靜加載條件下，飽水煤樣反射能大于透射能，飽水煤樣的能量反射率比自然煤樣高17.25%～37.04%，自然煤樣的能量吸收率比飽水煤樣高17.13%～55.95%，飽水處理對(duì)煤樣在沖擊加載過程中能量的反射有著較大影響。

(3)自然煤樣的能耗密度大于飽水煤樣的能耗密度，在沖擊加載的軸方向上，煤樣能耗密度與峰值動(dòng)態(tài)應(yīng)力呈正相關(guān)的關(guān)系，在和軸方向呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系。自然煤樣的峰值動(dòng)態(tài)應(yīng)力在軸方向大于飽水煤樣，在和軸方向小于飽水煤樣的峰值動(dòng)態(tài)應(yīng)力。

(4)不同預(yù)應(yīng)力條件飽水煤樣的破壞程度往往大于自然煤樣，當(dāng)煤層承載應(yīng)力較大且三軸應(yīng)力呈現(xiàn)階梯性變化時(shí)，需要改善圍巖應(yīng)力環(huán)境使其接近于三向等應(yīng)力大小，從而減緩動(dòng)載擾動(dòng)作用下煤層破壞。當(dāng)煤層承載應(yīng)力中某一方向應(yīng)力較低或三向應(yīng)力相仿時(shí)，可以通過注水改善煤層力學(xué)性能和應(yīng)力狀態(tài)，有效減緩沖擊地壓等級(jí)及影響范圍。

感謝澳大利亞莫納什大學(xué)ZHAO Jian教授、ZHANG Qianbing博士在試驗(yàn)期間給予的指導(dǎo)與幫助！