基于SHPB動載過程的煤巖沖擊破壞特征試驗研究

孫曉元，李吉輝*，丁 浩，金廷旭，謝建林，梁 磊

（1.太原科技大學 安全與應急管理工程學院，山西 太原 030024；2.中國礦業(yè)大學（北京）應急管理與安全工程學院，北京 100083）

在煤礦的重特大事故中，煤與瓦斯突出和沖擊地壓等動力災害以其發(fā)生突然、發(fā)展迅猛、破壞程度大、波及范圍廣和極易引發(fā)二次事故等特點，成為困擾煤礦安全生產(chǎn)和高效回采的核心問題[1]。明確機理無疑是破解煤巖動力災害難題的前提與關鍵，但至今尚未形成普適性結(jié)論。近年來，有學者提出煤巖系統(tǒng)破壞失穩(wěn)是動力災害發(fā)生的先決條件[2]，并在此基礎上將煤巖失穩(wěn)的發(fā)生機制分為準靜載作用下的流變破壞和動載作用下的瞬態(tài)破壞2種類型[3]，引起了國內(nèi)外學者的廣泛關注。事實上，上述誘發(fā)煤巖破壞的荷載狀態(tài)可參照應變率差異予以分級討論[4]。相較而言，探討沖擊動載條件下的煤巖破壞特征更接近現(xiàn)場動力災害發(fā)生過程[5]，對其進行有針對性的分析也更有意義。

作為沖擊動載的理想設備，SHPB（Split Hopkinson Pressure Bar）裝置被廣泛應用于介質(zhì)破壞特性分析[6]，并取得了豐碩成果。僅就煤巖材料而言，鞠楊[7]通過制備內(nèi)含節(jié)理面的巖石樣品，建立了應力波動、能量耗散與節(jié)理維數(shù)之間的函數(shù)關系；黎立云[8]指出巖石損傷變量隨沖擊速度/耗散能密度呈弱冪函數(shù)增加；趙毅鑫[9]和韓秀會[10]等運用高速攝影和數(shù)字散斑技術，對巴西圓盤原煤試件在沖擊載荷作用下的裂隙演化規(guī)律與擴展特征進行系統(tǒng)研究；此外，劉少虹[11]、李夕兵[12]、郭德勇[13]、張明濤[14]等人也從不同視角探討了沖擊載荷速度和煤巖塊度特征對試樣破碎結(jié)果的影響。綜合上述分析可知，諸多專家學者對煤巖體在SHPB沖擊載荷作用下的破壞后果進行了全方位刻畫，但所分析煤巖樣品大部分均未采集自同一地點，材料缺乏直接的關聯(lián)性，且對破碎程度的定量化表征還存在不足，尚待進一步的試驗研究與深入探索。鑒于此，本文對同一地點采集的煤層—直接頂板巖層—直接底板巖層進行不同速度下的沖擊動載破壞，并將破碎后的試件進行篩分試驗。通過對比不同沖擊條件下煤巖試件破碎塊度分布特征，以揭示載荷作用能量與煤巖物理性質(zhì)對破壞后果的影響機制。

1 煤巖樣品沖擊試驗

1.1 SHPB沖擊試驗系統(tǒng)

煤巖樣品沖擊破壞由中國礦業(yè)大學（北京）SHPB沖擊試驗系統(tǒng)完成。如圖1所示，該試驗系統(tǒng)涵蓋動力子系統(tǒng)、桿件子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，其工作原理為，高壓氮氣驅(qū)動子彈以不同速度撞擊輸入桿，將沖擊能量傳遞給受測試樣，部分能量用于破壞煤巖體，其余能量則以反射波和透射波的形式重新輸出至桿件子系統(tǒng)。為避免矩形波傳播時產(chǎn)生的彌散效應和由此導致的波頭振蕩對試驗精度的影響[15]，子彈選用特制的異型雙錐紡錘體子彈[16]，其沖擊速度由光電法測定。入射桿和透射桿采用合金鋼材料，直徑均為50 mm，長度分別為3 000 mm和2 500 mm。

圖1 SHPB實驗示意Fig.1 SHPB experiment

1.2 煤巖樣品制備

實驗所需的煤巖樣品取自晉能控股裝備制造集團有限公司寺河煤礦東北五翼掘進工作面，該礦受煤巖動力影響嚴重。為使試件物理力學性質(zhì)保持一致，煤巖樣品均由同一地點的煤樣和頂、底板巖層打磨加工而成。實驗樣品共24個，包括3號煤層試件8個（A1~A8）、頂板巖層試件8個（B1~B8）、和底板巖層試件8個（C1~C8）。為減少慣性效應和滿足應力均勻化假設[17]，根據(jù)杜晶等對巖石試件長徑比的研究成果[18]，樣品尺寸為φ50 mm×30 mm，兩端不平行度小于0.02 mm，端面垂直軸線，最大偏差不超過0.25°，實驗煤巖試件如圖2所示。

圖2 煤巖試件樣品Fig.2 Sample specimen of coal and rock

1.3 煤巖超聲縱波波速測試

由于超聲波頻率較高、方向性強，可有效反映介質(zhì)的致密程度[19]。鑒于此，該試驗選用北京智博聯(lián)科技有限公司生產(chǎn)的ZBL-U510非金屬超聲探測儀對制備試件進行單發(fā)單收聲波透射測試。參照相關行業(yè)標準[20]，發(fā)射電壓選用1 000 V，發(fā)射脈寬設定0.04 ms。保持換能器與煤巖樣品端面充分耦合（圖3），由此測定各試件的縱波波速（表1）。

表1 沖擊試驗結(jié)果Table 1 Impact test results

圖3 超聲波測試原理Fig.3 Ultrasonic testing principle

1.4 煤巖沖擊破壞塊度篩分試驗

SHPB沖擊破壞試驗結(jié)束后，將破碎的試件收集裝袋，用于碎塊篩分試驗。為保障碎塊篩分的充分性與準確性，選用篩孔尺寸參照相關標準[21]和前人研究成果[22-23]，其大小分別為0.075、0.15、0.30、0.60、1.18、2.36、4.75、9.50 mm，隨后使用高靈敏度電子秤稱量每一尺寸的碎塊質(zhì)量（圖4）。

圖4 煤巖破碎塊體篩選裝置Fig.4 Screening device for broken block of coal rock

2 試驗結(jié)果分析

2.1 煤巖超聲波縱波速度分析

利用超聲波波速可有效反演煤巖介質(zhì)類型、各向異性、應力、密度、孔隙率、應力、彈性模量、結(jié)構(gòu)面特征及邊界條件等要素[24-25]。以縱波波速為例，對各向同性介質(zhì)而言，其表達式為：

式中：VP為縱波波速；ρ為樣品密度；λ為介質(zhì)彈性常數(shù)；μ為泊松比；E為彈性模量；G為剪切模量。

由式（1）可知，縱波波速VP僅與煤巖樣品性質(zhì)有關，并不涉及輸入聲波的相關特征。一般情況下，煤巖試件越致密、承受載荷越高，縱波波速越高。

將從寺河礦采集的煤樣和頂?shù)装鍘r層進行超聲波縱波波速測試。為消除耦合等外界因素干擾，各試件至少測定3次，計算其算數(shù)平均值，并將測試結(jié)果繪制如圖5所示。

圖5反映了寺河礦煤樣和頂?shù)装鍘r層的超聲縱波波速測試結(jié)果。從中可以看出，雖然各樣品的縱波波速呈現(xiàn)一定的離散性，但整體相較差別不大，這反映采樣品集的均質(zhì)程度相對較高，能較好地降低原生孔隙、裂隙和結(jié)構(gòu)面的影響，從而為后續(xù)分析結(jié)果的準確性和科學性提供支撐。

圖5 煤巖試件縱波波速測試結(jié)果Fig.5 Test results of longitudinal wave velocity of coal rock specimen

此外，測試結(jié)果顯示頂?shù)装鍘r層試件的波速一般隸屬于1.5~2.3 km/s，而煤層試件的波速則在0.6 km/s上下波動。顯然，頂?shù)装鍘r層試件的縱波波速遠大于煤層試件。究其原因，作為彈性波的一種，超聲波縱波傳播方向與質(zhì)點運動方向平行。縱波波速越大，反映出超聲波能量的傳遞性越好，質(zhì)點之間的結(jié)合越緊湊，相應地試件的致密程度也就越高。

2.2 SHPB沖擊煤巖破壞形式

限于篇幅，僅選擇煤層試件的破壞效果進行展示。從圖6可知，隨著沖擊速度的增加，煤巖的破壞程度隨之增大，完成了由破裂向粉碎破壞形式的轉(zhuǎn)變，破碎體數(shù)量顯著增加，破碎體塊度相應減小。

圖6 不同加載速度下煤層試件的破壞形態(tài)Fig.6 Failure modes of coal seam specimens under different loading speeds

前文從定性角度探討了不同加載速度下煤層試件的破壞形態(tài)。隨后利用圖4中篩選裝置對破碎塊體進行分級篩選，并將屬于各級分樣篩的樣品進行稱重。參照文獻[23]的統(tǒng)計方法，計算篩下各粒徑的累計質(zhì)量百分比，并將最終結(jié)果繪制如圖7所示。

圖7 煤巖破碎塊度粒徑分布Fig.7 Particle size distribution of broken coal rock

圖7所示的橫坐標為各分樣篩的篩孔尺寸，縱坐標則為篩下各粒徑煤巖破碎塊度質(zhì)量百分比的累計值。為便于分析，將圖7分為3個不同的區(qū)域，分別定義為Ⅰ區(qū)（高度破碎區(qū)，篩分粒徑0~1.18 mm）、Ⅱ區(qū)（中度破碎區(qū)，篩分粒徑1.18~4.75 mm）和Ⅲ區(qū)（低度破碎區(qū)，篩分粒徑4.75~9.50 mm）。需要說明的是，由于圖6（a）中所示的A1試件沖擊破壞后僅為3塊，篩分意義不大，故并未在圖7中展示。

由于圖5中顯示煤層試件A2~A6的縱波波速相差較小，故各試件累計質(zhì)量百分比的差異主要受沖擊載荷速度的影響。顯然，對于煤層試件而言，隨著沖擊載荷的不斷增大，累計質(zhì)量百分比曲線呈現(xiàn)出迅速上升之后緩慢增長的趨勢。相比之下，A4~A6較A2~A3試件曲線增長明顯，破碎體粒徑主要分布在圖7的Ⅱ區(qū)域中，此外，當曲線在Ⅱ區(qū)域范圍內(nèi)時，A4~A6試件累計質(zhì)量百分比上升迅速，平均從38%上升至90%，上升幅度達到52%；相應地，A2~A3試件則只有35%；當曲線在Ⅲ區(qū)域范圍內(nèi)時，A2~A3試件曲線累計質(zhì)量百分比平均從39%上升至100%，上升幅度達到61%，而A4~A6試件則只有10%。究其原因：當沖擊載荷速度為6 m/s以下時，A2~A3試件破壞特征不明顯，碎塊主要集中在Ⅲ區(qū)域；隨著沖擊速度的持續(xù)增大（超過6 m/s），A4~A6試件裂隙不斷發(fā)育和匯合，最終使得破碎塊度相應減小，塊體數(shù)量明顯增多，碎塊主要集中在Ⅱ區(qū)域。

頂、底板巖層各試件累計質(zhì)量百分比曲線整體趨勢同樣表現(xiàn)為上升。不同之處一方面在于試件B2與C1累計質(zhì)量曲線傾斜程度要分別高于B3和C2，通過對比圖5和圖7可知，頂、底板巖石試件破壞特征均受沖擊加載速度和介質(zhì)物理性質(zhì)的共同影響。如C1與C2試件的沖擊加載速度相近，但C2的超聲波縱波波速要略高于C1試件，這說明其試件更為致密，具體在圖7中則表現(xiàn)為C2的累計質(zhì)量百分比曲線整體要低于C1試件。值得注意的是，B2和B3試件沖擊加載速度（6.213 m/s、7.11 m/s）和超聲波縱波波速數(shù)值(1.75 m/s、1.72 m/s)均較為接近，分析原因可知曲線傾斜程度的不同是由上述兩因素綜合作用造成的。另一方面，由縱波波速可知，底板巖層試件整體上高于頂板巖層試件（B1，C1試件除外），這反映出底板巖層試件更為致密。在相同的沖擊速度條件下，底板巖層試件更易于保持其結(jié)構(gòu)完整性，在圖7中則表現(xiàn)為累計質(zhì)量百分比曲線傾斜程度整體要低于頂板巖層試件。

3 結(jié) 論

（1）隨著沖擊速度的增加，煤巖破壞程度隨之增大，破碎體數(shù)量顯著增加，破碎體塊度相應減小，累計質(zhì)量百分比曲線的傾斜程度也隨之上升。

（2）在相近的沖擊速度條件下，頂、底板巖石試件破壞特征與介質(zhì)物理性質(zhì)密切相關，決定了試件累計質(zhì)量百分比曲線的傾斜程度。

（3）在超聲波波速基本持平時，沖擊速度決定了煤層試件碎塊的集中分布區(qū)域。當沖擊速度為6 m/s以上時，煤層碎塊主要集中在Ⅱ區(qū)域，累計質(zhì)量百分比曲線上升幅度可達到52%，當沖擊速度為6 m/s以下時，碎塊主要集中在Ⅲ區(qū)域，曲線上升幅度可達到61%。