沖擊荷載下煤的動力學(xué)特性實驗研究

陳 軍 張文清

（1.淮河能源控股集團潘二煤礦，安徽 淮南 232000；2.安徽理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

目前，國內(nèi)外學(xué)者對煤巖受載荷變形破裂過程中的力學(xué)性質(zhì)研究中靜載荷的較多，動載較少。而材料在靜載與動載破壞時往往表現(xiàn)出不同的破壞形式和力學(xué)特征。在煤與瓦斯突出和沖擊地壓災(zāi)害發(fā)生初期，煤礦開采的石門揭煤、爆破掘進(jìn)等會使煤體承受強烈的沖擊載荷，因此，有必要研究煤巖體在瞬間沖擊破壞時表現(xiàn)出的動力學(xué)特性。

從現(xiàn)有的文獻(xiàn)資料看，對巖石類材料、混凝土、金屬材料等的動態(tài)力學(xué)性能的研究較多，例如中南大學(xué)的李夕兵課題組，而針對煤巖的研究相對較少。20世紀(jì)80年代起，Klepaczko、劉寶琛、吳綿拔等人開始對煤巖的動態(tài)變形特性進(jìn)行相關(guān)研究。近年，單仁亮、劉曉輝等人分別從煤巖的動態(tài)強度及本構(gòu)關(guān)系、動態(tài)能量耗散等方面開展研究，取得了一定成果。

該文利用分離式霍普金森壓桿裝置（簡稱SHPB）對煤巖進(jìn)行不同載荷作用下的沖擊壓縮實驗，研究煤巖的動態(tài)抗壓強度、彈性模量等力學(xué)性能參數(shù)及其與應(yīng)變率的關(guān)系，為防治礦山動力學(xué)災(zāi)害提供理論依據(jù)。

1 煤巖試件的制備

該實驗選用的煤巖取自淮南礦業(yè)集團張集煤礦C煤層。將大煤塊運達(dá)學(xué)校后，在安徽理工大學(xué)巖石試件加工實驗室鉆取加工成直徑為50mm的圓柱形試件，試件的長徑比控制在0.5~1.0。同時，將試件的兩端用砂紙仔細(xì)打磨，保證2個端面應(yīng)該有足夠的光潔度以減少實驗過程中端面摩擦的影響。2個端面的平行度在0.01mm以上，以滿足SHPB實驗要求。制作完成的試件如圖1所示。

圖1 煤巖試件實拍圖

2 動態(tài)沖擊實驗

2.1 SHPB裝置基本原理

該實驗是在安徽理工大學(xué)沖擊實驗室的75mmSHPB實驗系統(tǒng)上完成的，裝置示意如圖2所示。系統(tǒng)采用的撞擊桿（即子彈）、入射桿、輸出桿直徑均為75mm，長度分別為0.4m、4m和2.5m，材質(zhì)均為高強度合金鋼，彈性模量為195GPa。

圖2 分離式霍普金森壓桿系統(tǒng)示意圖

用高壓氣體驅(qū)動子彈以一定的速度撞擊輸入桿，在輸入桿內(nèi)產(chǎn)生一個應(yīng)力脈沖ε（），稱為入射波。入射波沿輸入桿向試樣傳播，經(jīng)過應(yīng)變計1被記錄下來。當(dāng)入射波傳播到試樣位置時，推動試樣開始變形，并在輸入桿中產(chǎn)生一個反向應(yīng)力脈沖，稱為反射波ε（），到達(dá)應(yīng)變計1時也被記錄下來。另一部分脈沖透過試樣進(jìn)入輸出桿向前傳播，稱為透射波ε（），經(jīng)過應(yīng)變計2時被記錄下來。

基于一維彈性應(yīng)力波和應(yīng)力均勻性假設(shè)的條件下，試樣的平均應(yīng)力、平均應(yīng)變和平均應(yīng)變率可用公式（1）計算。

式中：為平均應(yīng)力；為平均應(yīng)變；為平均應(yīng)變率；為壓桿的彈性模量；為應(yīng)力波在壓桿中的彈性波速，本系統(tǒng)為4984m/s；和分別為壓桿和試件的橫截面積；為試件的長度；ε（）和ε（）分別為透射波和反射波對應(yīng)的應(yīng)變。

2.2 實驗過程簡介

該實驗共完成8個煤巖試件的沖擊實驗，驅(qū)動氣壓控制為0.2MPa~0.4MPa，子彈沖擊速度為4.368m/s~6.153m/s，其中成功取得有效數(shù)據(jù)的試件6個，其實驗情況統(tǒng)計見表1。

表1 煤巖動態(tài)沖擊實驗情況匯總

通過調(diào)整驅(qū)動氣壓，實現(xiàn)以不同的子彈速度撞擊入射桿，給試件施加不同強度的動載荷。隨著驅(qū)動氣壓增大，子彈速度提高，荷載強度越大，試件的應(yīng)變率也增大。收集不同荷載沖擊后煤巖試件的碎塊如圖3所示。

圖3 沖擊后的試件

1、3、4、5、7和8試件對應(yīng)的實驗應(yīng)變率分別為96s、120s、125s、145s、177s和 186s。宏觀上分析，在96～186s應(yīng)變率范圍內(nèi)，煤體均處于破碎狀態(tài)，但未被完全破碎成粉末狀，這可能與原煤試件的脆性破壞有關(guān)。隨著應(yīng)變率的提高，煤體破碎程度加劇。

3 煤巖動態(tài)力學(xué)性能分析

3.1 動態(tài)力學(xué)參數(shù)

實驗得到的不同沖擊速度下，煤巖試件的動態(tài)抗壓強度、峰值應(yīng)變、動態(tài)彈性模量等動態(tài)力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 煤巖動態(tài)力學(xué)參數(shù)

3.2 動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖4為不同應(yīng)變率條件下的煤巖動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線?？梢钥闯觯煌瑧?yīng)變率條件下煤巖的動態(tài)抗壓強度和動態(tài)彈性模量不同，均隨著應(yīng)變率的提高而增大。

圖4 煤巖動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線

從煤巖的動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線整個過程來看，起始階段由于煤巖固有的內(nèi)部裂隙受壓，使曲線向上彎曲上升；隨后煤巖進(jìn)入線彈性階段，曲線近似為直線；當(dāng)應(yīng)力繼續(xù)上升至峰值應(yīng)力的80%時，曲線開始向下彎曲，試件內(nèi)部開始破壞；直至峰值應(yīng)力以后，試件破壞。由于在峰值應(yīng)力點后，煤體迅速破壞，峰后應(yīng)力應(yīng)變曲線全部為一類卸載（負(fù)斜率），而SHPB實驗技術(shù)對峰后一類卸載曲線的測量尚存爭議。因此，煤巖的整個變形過程基本包括了密實階段、彈性變形階段、屈服階段和破壞階段。

3.3 應(yīng)變率效應(yīng)分析

將煤巖在不同應(yīng)變率條件下的動態(tài)抗壓強度數(shù)據(jù)描繪在同一坐標(biāo)中，如圖5所示。

圖5 煤巖動態(tài)抗壓強度與應(yīng)變率的關(guān)系

實驗結(jié)果表明，在90s~200s的應(yīng)變率范圍內(nèi)，隨著應(yīng)變率的增大，煤巖的動態(tài)抗壓強度顯著提高，體現(xiàn)了明顯的應(yīng)變率效應(yīng)。利用指數(shù)函數(shù)擬合得到了較好的效果。

在該實驗應(yīng)變率范圍內(nèi)，煤體的動態(tài)強度較靜態(tài)強度提高了約2倍~5倍，煤是率敏感性材料，具有應(yīng)變率強化的特點。這是因為煤體的破壞是因為裂紋的產(chǎn)生與發(fā)展，而裂紋形成所需的能量遠(yuǎn)比裂紋發(fā)展所需要的能量高，當(dāng)加載速率較高時，產(chǎn)生裂縫的數(shù)量就多，荷載作用于試件的時間比較短，材料沒有足夠的時間用于能量的積聚時，它只有通過提高應(yīng)力的方法來達(dá)到提高能量的目的，結(jié)果導(dǎo)致材料的破壞強度隨應(yīng)變率的提高而增加。

在實驗應(yīng)變范圍內(nèi)，峰值應(yīng)變也具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)，體現(xiàn)出顯著的動態(tài)增韌效果。隨著應(yīng)變率的增大，煤巖的峰值應(yīng)變近似呈指數(shù)增長。

4 沖擊破壞的能量分析

由文獻(xiàn)[1]可知，在SHPB實驗系統(tǒng)中應(yīng)力波（）所攜帶的能量通過式（2）計算得到。

式中：為應(yīng)力波攜帶的能量；A為輸入與輸出桿的橫截面積；E為輸入與輸出桿材料的彈性模量；C為一維應(yīng)力波速度；（）為應(yīng)力波對應(yīng)的應(yīng)力；（）為應(yīng)力波對應(yīng)的應(yīng)變。

那么，根據(jù)計算的入射波、反射波和透射波能量，試件的耗散能如公式（3）所示。

式中：W為應(yīng)力波的入射波能量；W為反射波能量；W為透射波能量；W為試件的耗散能。

計算煤巖試件在不同強度沖擊載荷作用下的能量耗散結(jié)果匯總于表3。

表3 煤巖沖擊載荷作用下能量計算結(jié)果

由表3可知，隨著應(yīng)變率的提高，應(yīng)力波攜帶的入射能、反射能、透射能以及耗散能等能均呈增加的趨勢。

圖6是不同載荷作用下的耗散能隨實驗應(yīng)變率的變化規(guī)律。可以看出，隨著應(yīng)變率的提高，應(yīng)力波攜帶的能量呈線性增長。而試件破壞吸收的耗散能，呈指數(shù)增長，即隨著應(yīng)變率的提高，用于試件破碎的能量快速增加，呈現(xiàn)明顯的應(yīng)變率相關(guān)性。這與前人對巖石在動態(tài)沖擊作用下的能量耗散規(guī)律研究基本一致。

圖6 耗散能與應(yīng)變率的關(guān)系

5 結(jié)論

煤巖的動態(tài)變形過程與靜態(tài)破壞過程基本相似，都包括密實階段、彈性變形階段、屈服階段和破壞階段。煤巖的動態(tài)彈性模量隨應(yīng)變率的提高而增大，煤巖在達(dá)到峰值應(yīng)力前具有較好的線彈性變形特性。動態(tài)抗壓強度具有顯著的應(yīng)變率依賴性，隨應(yīng)變率的增大呈近似指數(shù)增長。沖擊載荷作用下，煤巖破碎的耗散能呈明顯應(yīng)變率相關(guān)性。隨著應(yīng)變率的提高，耗散能呈指數(shù)增長，說明用于試件破碎的能量快速增加。受實驗樣本數(shù)量的限制，煤巖在較低和較高應(yīng)變率條件下的動態(tài)力學(xué)特性有待進(jìn)一步實驗研究。