煤巖組合體沖擊動(dòng)力學(xué)特征試驗(yàn)研究

楊 科，劉文杰，馬衍坤，竇禮同，劉 帥，魏 禎，許日杰

(1.安徽理工大學(xué) 深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001；2.合肥綜合性國家科學(xué)中心能源研究院，安徽 合肥 230031；3.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819)

煤炭地下開采時(shí)，煤層并不是獨(dú)立存在，而是與頂?shù)装鍘r層協(xié)同共生，煤炭資源采出后遺留煤體(煤柱)與頂板巖層形成了新的圍巖承載結(jié)構(gòu)-煤巖組合結(jié)構(gòu)體。受采掘擾動(dòng)和強(qiáng)礦壓的影響，煤巖組合結(jié)構(gòu)體不可避免地會(huì)受到應(yīng)力波(動(dòng)載荷)的作用，煤巖組合體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性決定著應(yīng)力波在其中的傳播和衰減特征與煤巖單體迥異，而煤巖組合體的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特征，對(duì)巷道圍巖承載系統(tǒng)的穩(wěn)定性起到至關(guān)重要的作用。因此，研究應(yīng)力波在煤巖組合體中的傳播規(guī)律以及煤巖組合體的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)特征，為更好理解煤巖組合結(jié)構(gòu)體的穩(wěn)定性，控制動(dòng)壓巷道圍巖變形失穩(wěn)問題，保證礦井安全高效開采具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、理論分析、數(shù)值模擬等方法，對(duì)多相煤巖層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)體的力學(xué)特性、能量演化規(guī)律、變形破壞特征、本構(gòu)模型、破壞準(zhǔn)則等方面開展了深入而全面的研究。如陳紹杰等基于頂板砂巖-煤柱結(jié)構(gòu)體單軸壓縮試驗(yàn)，分析了不同高比頂板-煤柱結(jié)構(gòu)體變形參數(shù)與強(qiáng)度參數(shù)的演變規(guī)律，揭示了煤巖結(jié)構(gòu)體的漸進(jìn)破壞機(jī)制。李成杰等開展了類煤巖組合體沖擊試驗(yàn)，研究分析了類煤巖組合體的能量耗散與破碎特征，以及裂隙產(chǎn)狀對(duì)類煤巖組合體分形特性的影響規(guī)律；GONG等利用SHPB試驗(yàn)系統(tǒng)，測試了不同應(yīng)變率下煤巖組合體的動(dòng)力學(xué)特征，試驗(yàn)結(jié)果表明煤巖組合體的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度、動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)變、入射能和反射能等均具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)。在復(fù)合結(jié)構(gòu)體變形破壞特征方面，LI等開展了單節(jié)理紅砂巖的動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)研究，指出應(yīng)力波作用下單節(jié)理砂巖多以張拉片幫破壞為主，節(jié)理的存在弱化了砂巖的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度，且節(jié)理傾角越大，應(yīng)力波衰減程度越大；HAN等研究了層狀砂巖動(dòng)力學(xué)特征的膠結(jié)砂漿厚度效應(yīng)，指出隨著水泥砂漿膠結(jié)厚度的增大，砂巖破壞形態(tài)逐漸由局部張拉剝落向貫穿劈裂轉(zhuǎn)變。在本構(gòu)模型方面，LIU等通過串聯(lián)損傷體和牛頓體建立了2種煤體的損傷本構(gòu)模型，揭示了巖石對(duì)煤巖組合體中煤體力學(xué)行為的影響；解北京等基于不同組合比煤巖樣沖擊加載試驗(yàn)，構(gòu)建了多參數(shù)組合煤巖層疊本構(gòu)模型，模型擬合曲線與實(shí)測動(dòng)態(tài)本構(gòu)曲線具有較好的一致性。煤巖組合體破壞準(zhǔn)則方面，尹光志等利用均質(zhì)化理論方法，將復(fù)合巖層虛擬為等效均質(zhì)巖石，提出了基于MLC準(zhǔn)則的層狀復(fù)合巖石破壞準(zhǔn)則；ZHAO等基于應(yīng)變能等效原理，建立了煤巖組合體的等效均質(zhì)模型，推導(dǎo)了考慮煤-巖界面黏結(jié)強(qiáng)度的組合體壓剪破壞準(zhǔn)則。

上述研究闡述了煤巖高比、多相煤巖膠結(jié)特征、應(yīng)力加載方式等方面對(duì)多相煤巖層狀復(fù)合體力學(xué)特性、變形破壞特征以及能量耗散規(guī)律的影響，但其大多集中在靜載；而實(shí)際煤層的賦存特征，不僅只有煤層厚度和煤層傾角在變化，受地質(zhì)作用煤層的頂板條件也不盡形同，如沖刷帶影響區(qū)和巖漿巖侵入?yún)^(qū)等，且已有研究表明，受波阻抗的影響，復(fù)合巖體動(dòng)力學(xué)特性差異性明顯。為此，筆者采用SHPB試驗(yàn)系統(tǒng)，以4種典型巖樣與相同煤樣水平層狀組合而形成的煤巖組合體為研究對(duì)象，分析了不同巖性組合條件下煤巖組合體動(dòng)態(tài)力學(xué)特性，以期為復(fù)合煤巖工程地質(zhì)體的開挖與防護(hù)提供一定的借鑒。

1 煤巖組合體SHPB試驗(yàn)

1.1 煤巖組合體試件制備

試驗(yàn)所需煤樣取自陜西彬長礦業(yè)集團(tuán)胡家河礦401111工作面，煤層具有強(qiáng)沖擊傾向性，巖樣取自淮南、山東、內(nèi)蒙古等部分沖擊地壓礦井。為控制煤巖樣的離散性，現(xiàn)場將完整性較好且未經(jīng)風(fēng)化的煤巖樣蠟封后運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)過切割、鉆取、打磨后加工成50 mm×25 mm的圓柱體試件，然后用環(huán)氧樹脂將煤巖單體試樣黏結(jié)成50 mm×50 mm的巖樣-煤樣組合試件。如圖1所示，黏結(jié)過程嚴(yán)格控制環(huán)氧樹脂用量，既保證煤巖兩相組分均勻充分黏合，又盡可能降低黏結(jié)劑厚度。按照試樣組合形式將煤巖組合體分為黃泥巖-煤樣組合體(M-C)、砂質(zhì)泥巖-煤樣組合體(SM-C)、白砂巖-煤樣組合體(WS-C)和黑砂巖-煤樣組合體(BS-C)4組煤巖組合體試樣。試件加工時(shí)，要求煤巖單體試樣和煤巖組合試樣的端面不平行度和不垂直度均符合GB/T 23561.7—2009的要求，同時(shí)制備巖樣和煤樣單軸壓縮和巴西劈裂試樣，測得煤巖體基本物理力學(xué)參數(shù)，見表1。

圖1 煤巖組合體試樣Fig.1 Samples of coal-rock combined body

表1 煤巖試樣基本力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of coal and rock samples

1.2 SHPB試驗(yàn)系統(tǒng)與試驗(yàn)方案

1.2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

煤巖組合體沖擊壓縮試驗(yàn)在安徽理工大學(xué)深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，采用SHPB試驗(yàn)系統(tǒng)和超高速攝像系統(tǒng)等相關(guān)試驗(yàn)設(shè)備完成。如圖2所示，SHPB試驗(yàn)裝置入射桿、透射桿、紡錘沖頭均由密度為7 800 kg/m，彈性模量為210 GPa，縱波波速為5 190 m/s的高強(qiáng)度合金鋼制成，桿件直徑為50 mm。試驗(yàn)時(shí)，通過調(diào)節(jié)高壓腔體內(nèi)部氮?dú)鈮毫Γ蛘吒淖兗忓N沖頭位置，來控制沖擊速度和入射應(yīng)力波的幅值。應(yīng)力波在入射桿和透射桿中傳播時(shí)產(chǎn)生應(yīng)變信號(hào)，該信號(hào)由SG1和SG2動(dòng)態(tài)應(yīng)變片和SDY2107A超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀進(jìn)行采集，然后由Yokowaga-DL850E型示波器進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。高速攝像系統(tǒng)由FASTCAM SA-Z型高速相機(jī)、閃光燈、同步觸發(fā)控制系統(tǒng)等組成。試驗(yàn)前，設(shè)定高速相機(jī)拍攝速度為120 000 fps，圖像分辨率為256 pixel×408 pixel，拍攝時(shí)長為200 μs。當(dāng)應(yīng)力波在入射桿中傳播時(shí)，應(yīng)變片將應(yīng)變信號(hào)傳輸?shù)匠瑒?dòng)態(tài)應(yīng)變儀轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)同步觸發(fā)高速相機(jī)和閃光燈工作，保證相機(jī)可以清晰地捕捉試樣變形破壞的全過程。

圖2 SHPB和高速攝像系統(tǒng)Fig.2 SHPB and high-speed camera system

煤巖組合體試驗(yàn)沖擊加載過程中，設(shè)計(jì)應(yīng)力波垂直煤巖界面入射，傳播方向?yàn)橛蓭r樣傳播入煤樣。由表1可知，所選煤巖樣的物理力學(xué)參數(shù)差異性較大，巖石單軸抗壓強(qiáng)度在8～70 MPa，彈性模量在1～8 GPa，因此，選擇合適的沖擊速度，確定合適的沖擊速度顯得尤為重要。試驗(yàn)前，對(duì)煤巖樣單體進(jìn)行試沖，試沖結(jié)果顯示，強(qiáng)度較低的泥巖和煤樣在較低沖擊氣壓作用下，即較為破碎。隨著沖擊氣壓的增大，當(dāng)沖擊氣壓大于0.6 MPa時(shí)，砂巖開始出現(xiàn)宏觀裂紋的萌生與擴(kuò)張。因此，試驗(yàn)最終選用0.4，0.5，0.6，0.7和0.8 MPa五個(gè)沖擊氣壓進(jìn)行試驗(yàn)，每個(gè)沖擊氣壓下保證3組以上的平行試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，在試樣與桿件接觸處，涂抹一層厚度較薄的凡士林，減少端面的摩擦效應(yīng)。

1.3 動(dòng)態(tài)應(yīng)力平衡驗(yàn)證

煤巖組合體沖擊破壞前，試件兩端達(dá)到應(yīng)力平衡是一維應(yīng)力波假設(shè)與應(yīng)力(應(yīng)變)均勻性假設(shè)的前提，決定著試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。典型煤巖組合體沖擊壓縮試驗(yàn)試樣應(yīng)力，如圖3所示。由圖3可知，在煤巖組合體沖擊試驗(yàn)中，入射應(yīng)力和反射應(yīng)力之和與透射應(yīng)力近似相等，能夠較好地滿足應(yīng)力平衡條件。

圖3 試件動(dòng)態(tài)應(yīng)力平衡驗(yàn)證Fig.3 Verification of dynamic stress balance for specimen

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)力波傳播特征分析

對(duì)比分析不同沖擊速度下煤巖組合體波形(圖4)可知，隨著沖擊速度的增大，煤巖組合體入射波和反射波幅值逐漸增大，具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)。相同沖擊速度下，各組煤巖組合體入射波波形基本一致，但隨著巖石波阻抗的增大，煤巖組合體的透射波幅值逐漸增大，反射波幅值減小，這種差異性在低沖擊速度(7～10 m/s)下較為明顯，高沖擊速度(10～12 m/s)下逐漸減弱。由應(yīng)力波傳播特征分析可知，巖石的波阻抗越大，煤巖組合體與入射桿的波阻抗匹配效果越好，當(dāng)入射波傳播到煤巖組合體與入射桿交界面時(shí)，更多的應(yīng)力波將通過組合體傳播到透射桿中。因此，相同沖擊速度下，WS-C透射波幅值應(yīng)最大，M-C透射波幅值應(yīng)最小。但隨著沖擊速度的增大，試樣與入射桿波阻抗的匹配效果對(duì)應(yīng)力波傳播的影響逐漸減弱，透射波波形逐漸趨于一致。

圖4 不同沖擊速度下煤巖組合體波形Fig.4 Waveform of coal-rock combined samples at different impact velocities

2.2 動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征

由圖5煤巖組合體應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知，同組煤巖組合體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化規(guī)律相似，不同組煤巖組合體應(yīng)力-應(yīng)變曲線形態(tài)差異較大，說明應(yīng)力波在同種煤巖組合體內(nèi)部的傳播和衰減規(guī)律相似。與煤、巖單體動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線相比，煤巖組合體無明顯的壓縮密實(shí)階段。煤巖組合體中，煤、巖力學(xué)特性差異性較大時(shí)，在動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線達(dá)到最大動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力()前，應(yīng)力-應(yīng)變曲線大多呈“雙峰”分布，這一現(xiàn)象在文獻(xiàn)[22]中亦有體現(xiàn)，文中煤巖組合體中巖組分的強(qiáng)度與彈性模量為煤樣的5～6倍。

煤巖組合體應(yīng)力-應(yīng)變曲線達(dá)到首個(gè)動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力()前，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)明顯的非線性特征，隨沖擊速度的增大，并未呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性變化，但低沖擊速率下的明顯小于高沖擊速率下的。最大動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力()具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)，如圖6(a)所示，低沖擊速率下，增長較為明顯，高沖擊速度下增速變緩，與沖擊速度近似呈冪函數(shù)關(guān)系。

圖5 煤巖組合體動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Equivalent stress-strain curves of coal-rock combined samples

相同沖擊速度下，隨著巖石強(qiáng)度和彈性模量的增大，煤巖組合體峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變先均先增大后減小(圖6)。與WS-C相比BS-C的峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變明顯較小，WS-C動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線在達(dá)到最大動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力()前，應(yīng)力-應(yīng)變曲線曲折上升，呈現(xiàn)出明顯的應(yīng)變硬化特性。與WS-C相比,M-C，SM-C和BS-C曲線在達(dá)到最大動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力()前，應(yīng)力-應(yīng)變曲線近似為一條直線，且曲線斜率并不隨沖擊速率的增大而發(fā)生較大改變。組合體應(yīng)力達(dá)到最大動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力()后，動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線經(jīng)過數(shù)次“跌宕式”降低，表明組合體應(yīng)變硬化特性顯著，塑性變形明顯增強(qiáng)。

2.3 能量耗散特征分析

由熱力學(xué)定律可知，物質(zhì)的破壞是能量驅(qū)動(dòng)下的狀態(tài)失穩(wěn)。煤巖組合體變形破壞過程中無不貫穿著能量的積聚、釋放與耗散。研究沖擊荷載下煤巖組合體的能量耗散規(guī)律，對(duì)于分析煤巖組合體的吸能特征，針對(duì)性提高煤巖復(fù)合工程巖體下巷道圍巖承載結(jié)構(gòu)的防沖特性具有重要意義。假設(shè)試驗(yàn)過程中，試樣與周圍環(huán)境沒有熱交換，忽略聲發(fā)射能和電磁輻射能，應(yīng)力波傳播所攜帶的能量可按照式(1)～(3)進(jìn)行計(jì)算。

⑥焊接好的管段目視檢查接口合格后應(yīng)及時(shí)下管并調(diào)整管道位置，進(jìn)行管道側(cè)面及管頂回填，管頂覆沙厚度為60 cm，分層回填并用平板震動(dòng)器夯實(shí)。

(1)

(2)

(3)

式中，，和分別為入射波、反射波和透射波所攜帶的能量；()，()和()分別為時(shí)刻的入射應(yīng)變、反射應(yīng)變和透射應(yīng)變；，，分別為壓桿橫截面積、彈性模量和聲波傳播速度。

根據(jù)能量守恒原理，忽略應(yīng)力波傳播過程中壓桿與試樣之間因摩擦而產(chǎn)生的能量損失，沖擊荷載作用下煤巖組合體吸收的能量為

=--

(4)

圖6 煤巖組合體峰值應(yīng)力與峰值應(yīng)變對(duì)比Fig.6 Peak stress and peak strain comparison between coal-rock combined samples

為分析動(dòng)載作用下煤巖組合體能量傳播和耗散規(guī)律，定義試件吸收能與入射能之比為吸收能占比，反射能與入射能之比為反射能占比。

(5)

(6)

由式(1)～(6)計(jì)算可得煤巖組合體在不同沖擊速度下的入射能、反射能、透射能和吸收能，分析可得沖擊速度-入射能、沖擊速度-吸收能占比以及沖擊速度-反射能占比的關(guān)系如圖7所示。由圖7(a)，(b)可知，隨沖擊速度增大，入射能與試樣本身無關(guān)，近似呈線性增大，同組煤巖組合體，反射能占比隨沖擊速度的增大呈線性降低。結(jié)合2.1節(jié)應(yīng)力波傳播規(guī)律分析不難理解，相同沖擊速度作用下，巖石與入射桿波阻抗匹配效果越好，更多能量將隨入射波傳播到煤巖組合體中，反射能占比就會(huì)減小，因此，與其他組相比，WS-C組合體相對(duì)最小。另一方面隨沖擊速度的增大，巖石與入射桿波阻抗匹配效果的影響逐漸減弱，更多占比的入射能將傳輸?shù)矫簬r組合體中，反射能占比也就隨之逐漸降低。

由圖7(c)可知，吸收能占比隨沖擊速度增大而增大，但增速有降低趨勢，近似呈冪函數(shù)增長。分析認(rèn)為相同沖擊速度下，當(dāng)巖石強(qiáng)度較低時(shí)，煤巖組合體儲(chǔ)能極限相對(duì)較低，變形破壞時(shí)所需要的能量較少，因此，與WS-C試樣和BS-C試樣相比，M-C試樣和SM-C試樣吸收能占比較小。但另一方面隨沖擊速度的增大，煤巖組合體破碎程度逐漸增大，組合體吸收的能量也就越多，但當(dāng)沖擊速度大于某一定值時(shí)，在不改變邊界條件的前提下，組合體破碎程度趨于穩(wěn)定，組合體破壞時(shí)所吸收的能量增速變慢，吸收能占比逐漸趨于平緩。值得注意的是，雖然黑砂巖強(qiáng)度大于白砂巖，但是WS-C的吸收能占比大于BS-C，這一現(xiàn)象將結(jié)合組合體破碎特征進(jìn)一步分析。

圖7 沖擊速度與入射能、反射能占比、吸收能占比的關(guān)系Fig.7 Relationship between impact velocity and incident energy, proportion of reflected energy & proportion of absorbed energy

2.4 裂紋動(dòng)態(tài)演化特征

煤巖組合體中裂紋的萌生、擴(kuò)展與止裂行為間接體現(xiàn)了其局部受力和強(qiáng)度特征，采用高速攝像機(jī)捕捉煤巖組合體的破壞過程，獲得煤巖組合體裂紋動(dòng)態(tài)演化過程(圖8～11)。根據(jù)筆者已有研究，煤巖組合體變形破壞時(shí)，在煤巖交界面處，彈性模量較大，泊松比較小的巖石強(qiáng)度被“弱化”，彈性模量較小，泊松比較大的巖石強(qiáng)度被“強(qiáng)化”；雖然在應(yīng)力波作用下，試件兩端的應(yīng)力以及煤、巖樣的彈性模量和泊松比是變量，但其只改變應(yīng)力的大小并不改變其方向，也就是說其只對(duì)交界面處煤巖體強(qiáng)度的“弱化”或者“強(qiáng)化”程度具有一定的影響，這種作用與真實(shí)應(yīng)力作用相比可能并不明顯，但是理論上是真實(shí)存在的，且直接影響著交界面處裂紋的發(fā)育。

由圖8可知，沖擊荷載作用下，M-C試樣起裂破壞大多發(fā)生在遠(yuǎn)離煤巖交界面的黃泥巖中，加載初期黃泥巖中裂隙數(shù)目明顯大于煤體。在應(yīng)力波的持續(xù)作用下，當(dāng)裂隙尖端應(yīng)力大于“弱化”煤體強(qiáng)度時(shí)，交界面處黃泥巖中部分裂隙越過煤巖交界面發(fā)育到煤體中，進(jìn)而誘發(fā)組合體發(fā)生整體性破壞，M-C試樣破壞以劈裂裂紋擴(kuò)展為主，部分伴隨剪切裂紋發(fā)育。由煤巖組合體表面裂紋萌生、擴(kuò)展以及止裂行為可知：遠(yuǎn)離交界面黃泥巖強(qiáng)度<交界面處黃泥巖強(qiáng)度<交界面處煤體強(qiáng)度<遠(yuǎn)離交界面處煤體強(qiáng)度。

注：圖中黃色線條代表煤體裂隙，黑色線條代表巖石裂紋圖8 黃泥巖-煤樣試樣變形破壞過程Fig.8 Deformation and failure process of M-C specimens

由圖9可知，SM-C試樣宏觀起裂并不集中呈現(xiàn)在某一巖相，而是在煤巖組合體中隨機(jī)出現(xiàn)。動(dòng)載應(yīng)力波作用下，SM-C試樣主裂隙多以豎向(應(yīng)力加載方向)裂隙發(fā)育為主，主裂隙在越過煤巖界面時(shí)，裂隙擴(kuò)展方向基本不發(fā)生變化。隨著沖擊速度的增大，組合體煤、巖組分均愈發(fā)破碎，煤、巖組分均以張拉劈裂破壞為主。

注：圖中黃色線條代表煤體裂隙，黑色線條代表巖石裂紋圖9 砂質(zhì)泥巖-煤樣試樣變形破壞過程Fig.9 Deformation and failure process of SM-C specimens

注：圖中黃色線條代表煤體裂隙，黑色線條代表巖石裂紋圖10 白砂巖-煤樣試樣變形破壞過程Fig.10 Deformation and failure process of WS-C specimens

由圖10可知，沖擊荷載初始加載階段，WS-C試樣宏觀裂隙主要集中在煤體中，遠(yuǎn)離交界面煤體最先發(fā)生鼓脹破裂，白砂巖無明顯宏觀裂隙起裂，完整性較好。煤體裂隙擴(kuò)展至煤巖界面時(shí)，大尺寸裂隙擴(kuò)展、開裂路徑被阻隔，煤體裂隙難以發(fā)育至白砂巖中。隨著沖擊速度的增大，根據(jù)格里菲斯強(qiáng)度理論，當(dāng)裂隙尖端應(yīng)力大于白砂巖強(qiáng)度時(shí)，白砂巖開始起裂破壞，主裂紋與加載方向呈較大夾角，且隨沖擊速度增大，白砂巖剪切破壞面不斷增大增多。需要說明的是，沖擊速度為7.2，8.5 m/s時(shí)，白砂巖在與桿件發(fā)生多次撞擊后發(fā)生破壞，裂隙由邊緣砂巖開始起裂，不具備分析價(jià)值。低沖擊速度下，白砂巖被裂隙分割為塊度較大的巖塊，隨沖擊速度的增大，白砂巖破碎程度逐漸增大，由大塊巖塊過渡為小塊，煤樣也愈發(fā)破碎，破碎體塊度由顆粒狀向粉狀過渡。由煤巖組合體表面裂紋萌生、擴(kuò)展以及止裂行為可知：遠(yuǎn)離交界面煤體強(qiáng)度<交界面處煤體強(qiáng)度<交界面處白砂巖強(qiáng)度<遠(yuǎn)離交界面處白砂巖強(qiáng)度。

由圖11可知，當(dāng)沖擊速度小于9.7 m/s時(shí)，BS-C試樣宏觀裂隙起裂破壞主要集中在煤體中，黑巖樣無宏觀裂隙發(fā)育；沖擊速度大于10.7 m/s時(shí)，黑砂巖發(fā)生與加載方向夾角較大的主裂紋擴(kuò)展，巖樣呈單斜面剪切破壞。低沖擊速率下，組合體試樣巖組分損傷破壞程度較小，完整性較好，而煤體內(nèi)部微裂隙較為發(fā)育，裂隙擴(kuò)展發(fā)育較為復(fù)雜，破碎煤體呈顆粒狀；隨著沖擊速度的增大，煤體裂隙最終穿過煤巖界面發(fā)育到黑砂巖中，砂巖被裂隙分割成大塊巖塊，而煤樣破碎體逐漸向粉狀過渡，由上述分析可知，煤巖組合體宏觀裂紋起裂破壞大多發(fā)生在遠(yuǎn)離煤巖交界面強(qiáng)度相對(duì)較低的煤體或巖石端部，當(dāng)裂隙發(fā)育至煤巖界面時(shí)，裂紋擴(kuò)展開裂受到阻隔，但隨著沖擊速度的增大和沖擊荷載的持續(xù)作用，當(dāng)裂紋尖端應(yīng)力大于煤體或巖石“弱化”強(qiáng)度時(shí)，裂紋將越過煤巖交界面繼續(xù)發(fā)育。同種沖擊速度下，BS-C和WS-C組合體煤樣中裂紋的起裂、發(fā)育與M-C和SM-C相比具有明顯的差異性，M-C和SM-C組合體煤樣大多呈鼓脹劈裂破壞，煤體被裂紋分割成塊狀，BS-C和WS-C組合體煤樣微裂隙充分發(fā)育，煤樣破碎體呈顆粒狀和粉狀，煤體沖擊顯現(xiàn)更加劇烈。

圖11 黑砂巖-煤樣試樣變形破壞過程Fig.11 Deformation and failure process of BS-C specimens

由2.2節(jié)可知，相同應(yīng)力波作用下，WS-C試樣吸收能占比大于BS-C，而煤巖組合體吸收能大多用于裂紋的萌生和擴(kuò)展，僅從組合體表面裂紋發(fā)育角度，難以定量分析其破碎程度的差異性，獲得不同巖性組合下煤巖組合體整體和煤、巖各組分的能量耗散和動(dòng)力顯現(xiàn)特征，因此，有必要對(duì)煤巖組合體的破碎特征開展分析。

2.5 破碎特征分析

圖12 煤巖組合體破壞形態(tài)Fig.12 Failure modes of coal-rock combined samples

收集沖擊破碎后的煤巖塊體，獲得不同沖擊速度下煤巖組合體的破壞形態(tài)如圖12所示，隨著沖擊速度的增大，煤巖組合體破碎程度逐漸加劇，破碎體塊度逐漸減小，分級(jí)特征明顯。相同沖擊速度下，WS-C試樣吸收能占比較大，但BS-C試樣煤體卻較為破碎，結(jié)合組合體在低沖擊速度下的破壞形態(tài)可知，WS-C試樣吸收能主要用于煤、巖兩相組分裂紋的發(fā)育，而BS-C試樣吸收能幾乎全部用于煤體內(nèi)部裂隙的發(fā)育，巖樣完整性較好。煤巖組合體破壞后界面處部分破碎體仍以組合形式存在(圖12)，說明煤巖組合體破壞過程更加復(fù)雜，在分析組合結(jié)構(gòu)體變形破壞時(shí)不能單一的從煤體或巖體出發(fā)，應(yīng)該考慮界面效應(yīng)帶來的影響，煤巖組合體破壞過程中煤、巖組分相互影響著彼此的能量耗散和動(dòng)力顯現(xiàn)特征。

為進(jìn)一步分析煤巖組合體各組分的能量分配和動(dòng)力顯現(xiàn)特征規(guī)律，根據(jù)煤巖組合體碎塊特征選取尺寸為25，20，16，10，5，2.5 mm的標(biāo)準(zhǔn)篩，對(duì)煤巖破碎體進(jìn)行篩選稱重，并以各孔徑篩上累積質(zhì)量百分比標(biāo)定篩分試驗(yàn)結(jié)果，見表2。引入破碎塊體的平均粒徑直觀反映煤巖組合體的破碎程度。

表2 煤巖組合體沖擊荷載下煤體碎塊篩分結(jié)果Table 2 Screening test results of impact fragments of coal-rock combined samples

(7)

式中,為不同孔徑篩上滯留巖石破碎塊度的平均尺寸；為篩孔尺寸為時(shí)破碎巖塊質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

利用碎塊質(zhì)量-等效邊長關(guān)系計(jì)算試樣的分形維數(shù)量化表征破碎塊體的分布特征：

=3-

(8)

(9)

式中,為等效邊長為時(shí)所對(duì)應(yīng)的碎屑質(zhì)量；為計(jì)算尺寸內(nèi)碎屑的質(zhì)量；為/(-)在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的斜率；/為等效邊長小于的碎屑累計(jì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

由圖13可知，試樣的分形維數(shù)隨入射能的增大而增大，但高入射能下，組合體分形維數(shù)增大速率逐漸降低趨勢，驗(yàn)證了3.2節(jié)吸收能占比與沖擊速度曲線變化規(guī)律分析。值得注意的是，理論上相同入射能作用下，巖石強(qiáng)度越低，組合體破碎程度應(yīng)該越高，破碎塊體越多，分形維數(shù)越大，但相同入射能下，BS-C試件分形維數(shù)反而最大，WS-C、SM-C次之，M-C最小。結(jié)合煤巖組合體破壞形態(tài)(圖13)和煤樣破碎塊體篩分結(jié)果(圖14(a))分析，沖擊速度為10.7 m/s時(shí)，BS-C試樣巖組分整體性較好，破碎程度較低，而煤體平均粒徑為6.52 mm，破碎程度明顯大于相同沖擊速度下其他組煤巖組合試樣，其他沖擊速度下不同組煤巖組合體破碎塊體亦存在相同規(guī)律。由此可知，相同入射能下，隨著巖石強(qiáng)度的增大，巖石更多起到了能量積聚和傳遞的作用，煤巖組合體吸收的能量更多的是用于煤體內(nèi)部微裂隙的萌生、發(fā)育，導(dǎo)致煤體的破碎程度較大，在分形維數(shù)計(jì)算時(shí)，煤體的分形對(duì)組合體整體分形影響較大，致使煤巖組合體整體分形維數(shù)較大。由圖14(b)煤樣破碎塊體平均粒徑與巖石強(qiáng)度曲線可知，隨巖石強(qiáng)度的增大，煤樣破碎塊體平均粒徑逐漸降低。當(dāng)巖石強(qiáng)度在0～45 MPa時(shí)，煤樣破碎粒徑近似呈線性迅速降低。當(dāng)巖石強(qiáng)度大于45 MPa，相同沖擊速度下，巖石強(qiáng)度對(duì)煤體動(dòng)力顯現(xiàn)的影響程度逐漸趨于極限。

圖13 煤巖組合體分形維數(shù)與入射能的關(guān)系Fig.13 Relationship between the fractal dimension and the incident energy of coal-rock combined samples

圖14 煤樣破碎塊體平均粒徑與沖擊速度和巖石強(qiáng)度關(guān)系Fig.14 Relationship between lumpiness mean particle size and impact velocity & rock strength of coal sample crushing block

3 討 論

(1)SHPB試驗(yàn)中，對(duì)于煤巖單體而言，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到峰值后，若峰值應(yīng)力大于試樣屈服強(qiáng)度，試樣將發(fā)生不可逆破壞，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈開口型；若峰值應(yīng)力小于試樣屈服強(qiáng)度，試樣發(fā)生塑性變形，但試樣整體性較好，應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)卸載段，卸載回路形成滯回圈，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈閉口型。對(duì)于煤巖組合體，其可以看做是2個(gè)串聯(lián)的彈塑性體，沖擊荷載作用下，M-C試樣和SM-C試樣中的煤巖組分固然均經(jīng)歷了壓密階段、彈性階段、塑性階段和峰后階段，而WS-C試樣和BS-C試樣中的砂巖組分可能僅經(jīng)歷了壓密階段、彈性階段和峰后應(yīng)變恢復(fù)階段。但由于煤巖力學(xué)特性不同，高應(yīng)變率下，煤巖進(jìn)入相應(yīng)變形破壞階段的時(shí)間和時(shí)長不同，應(yīng)變響應(yīng)規(guī)律亦不同。此外，當(dāng)交界面處裂隙尖端應(yīng)力大于“弱化”后砂巖強(qiáng)度時(shí)，可能動(dòng)載荷并未達(dá)到砂巖屈服應(yīng)力，但亦會(huì)引起砂巖試樣破壞失穩(wěn)，此時(shí)，煤體應(yīng)變會(huì)繼續(xù)增大而砂巖彈性應(yīng)變會(huì)突然釋放降低，導(dǎo)致不同組煤巖組合體應(yīng)力-應(yīng)變曲線形態(tài)各異。

(2)由煤樣破碎塊體平均粒徑(圖14)和煤巖組合體破壞形態(tài)(圖12)可知，沖擊速為9.7 m/s時(shí)，煤樣破碎塊體平均粒徑隨巖石強(qiáng)度的增大而逐漸降低。值得注意的是，此時(shí)BS-C試樣黑砂巖組分無明顯宏觀損傷，完整性較好，說明試樣吸收的能量幾乎全部用于煤樣的變形破壞，而此時(shí)，若要進(jìn)步提高煤樣破碎程度則需要提高沖擊速度。由此可知，沖擊速度對(duì)煤體沖擊動(dòng)力顯現(xiàn)的影響大于巖石強(qiáng)度和波阻抗匹配效果。當(dāng)沖擊速度為7.2 m/s和11.8 m/s時(shí)，不同組煤巖組合體煤樣破碎塊體平均粒徑差值的最大值分別為9.77，6.40 mm，也就是說沖擊速度增大，引起試樣與入射桿波阻抗的匹配效果的改變，對(duì)煤樣破碎塊體平均粒徑的影響程度為3.37 mm，為巖石強(qiáng)度變化帶來煤樣破碎塊體平均粒徑差值的1/2～1/3。此外，WS-C試樣中白砂巖波阻抗大于BS-C試樣中黑砂巖的波阻抗，但是黑砂巖分形維數(shù)和煤樣破碎粒徑較小。由此可知，在煤巖組合體動(dòng)力顯現(xiàn)的影響程度方面沖擊速度>巖石強(qiáng)度>波阻抗匹配效果。

4 結(jié) 論

(1)低沖擊速率下，煤巖組合體與入射桿波阻抗匹配效果的差異性對(duì)煤巖組合體應(yīng)力波傳播的影響較大，但隨著沖擊速度的增大，波阻抗效應(yīng)逐漸減弱。

(2)隨沖擊速度的增大，煤巖組合體最大動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)。入射能呈線性增大，反射能占比呈線性降低，吸收能占比近似呈冪函數(shù)增大。

(3)煤巖組合體的破壞是逐次進(jìn)行的過程，宏觀裂隙宏觀起裂破壞大多發(fā)生在遠(yuǎn)離煤巖交界面強(qiáng)度相對(duì)較低的煤體或巖石端部，裂隙擴(kuò)展至煤巖界面且尖端應(yīng)力大于煤體或巖石“弱化”強(qiáng)度時(shí)，裂隙將越過煤巖交界面繼續(xù)發(fā)育。煤體以張拉破壞為主，隨巖石強(qiáng)度的增大，巖樣破壞模式逐漸由張拉破壞向剪切破壞轉(zhuǎn)變。

(4)在煤巖組合體破碎程度的影響方面，沖擊速度>巖石強(qiáng)度>波阻抗差異性。隨沖擊速度和巖石強(qiáng)度的增大，煤巖組合體中煤體破碎程度逐漸加劇，煤樣破碎粒徑逐漸由塊狀向粉狀過渡，分形維數(shù)逐漸增大。在煤巖組合體試樣中，當(dāng)巖石強(qiáng)度較大時(shí)，巖組分更多扮演著能量的積聚和傳遞的作用，為沖擊能量積聚體，煤體為沖擊能量顯現(xiàn)體。

感謝合肥綜合性國家科學(xué)中心能源研究院(安徽省能源實(shí)驗(yàn)室)，煤炭清潔利用與安全精準(zhǔn)智能化平臺(tái)研發(fā)(19KZS203)項(xiàng)目對(duì)本研究的資助。