擺錘沖擊作用下大理巖的損傷特征研究

摘要：為了研究局部循環(huán)沖擊作用下大理巖的損傷變化特征，論文利用損傷因子定義巖石的損傷程度，借助擺錘沖擊試驗機對大理巖試件進行不同沖擊能量下接觸面積之比為1/18S的循環(huán)沖擊試驗，分析其不同沖擊能量和沖擊次數(shù)對大理巖試件的沖擊損傷，損傷因子隨著沖擊能量和沖擊次數(shù)不同的變化特征。研究結(jié)果表明：當擺錘揚角為10°時，試件未發(fā)生明顯的損傷破壞，隨著循環(huán)沖擊次數(shù)的增加，損傷因子不斷增加，當循環(huán)沖擊增加到一定次數(shù)時，試件會發(fā)生宏觀破壞，損傷因子會發(fā)生顯著變化;隨著擺錘揚角的增大，波速開始明顯降低，試件發(fā)生斷裂破壞時所需的沖擊吸收能量和沖擊次數(shù)不斷減少，損傷因子增長率可達75%?？紤]到礦巖對溜井井壁的沖擊方式為不同接觸面積的局部沖擊，研究結(jié)果可以為礦山溜井井壁受礦巖沖擊損傷的研究提供一個新的思路。

關(guān)鍵詞：大理巖；局部循環(huán)沖擊；擺錘試驗；損傷因子；吸收能

中圖分類號：TD313文獻標志碼：A溜井是礦山的重要開拓方式之一，大多數(shù)金屬礦山都是采用溜井進行卸礦放礦，溜井上卸下放口中間存在高差，利用礦石的自重溜放，滿足礦山的生產(chǎn)［1］。隨著礦山的開采生產(chǎn)，溜井井壁破壞已經(jīng)成為了危害礦山穩(wěn)定生產(chǎn)運行的重要影響因素之一，同時溜井的正常運行與否對礦山的正常生產(chǎn)影響極大，一旦發(fā)生破壞導致其無法使用將會嚴重影響礦山的正常生產(chǎn)，同時還會造成人員的傷亡，針對溜井破壞這一問題，可以從現(xiàn)場工程地質(zhì)條件、群井效應、溜井井壁支護和沖擊磨損等方面進行分析，其中，礦巖對井壁的沖擊損傷作用是影響溜井穩(wěn)定的主要因素［2-3］。

卸礦過程中，溜井溜礦段破壞的原因是礦巖對井壁的多次碰撞沖擊，而溜井卸出礦巖對井壁造成沖擊損傷，可以簡化為礦巖塊對井壁處巖石的沖擊作用，對于巖石受沖擊荷載作用下的損傷破壞研究已經(jīng)相對成熟。目前，眾多學者主要是從沖擊荷載作用下的巖石破壞特征、能量耗散及損傷程度等方面進行大量的研究。東兆星等［4］利用SHPB進行了大量沖擊試驗，得到了在沖擊載荷作用下巖石的4種破壞形式；戴兵等［5］利用帶有軸壓作用的SPHB試驗裝置，研究同軸壓等級和沖擊荷載作用下花崗巖損傷破壞的力學機制和能量吸收規(guī)律；徐景龍等［6］利用SHPB進行紅砂巖的循環(huán)沖擊試驗，研究細觀損傷演化規(guī)律和能耗特性，為巖石破碎及巖體安全支護設計提供參考；趙洪寶等［7］利用自制的擺錘沖擊動力學加載裝置，進行恒定沖擊能量和不同沖擊能量作用下的循環(huán)沖擊試驗，研究其對試樣損傷演化的影響規(guī)律；吳曉旭等［8］借助落錘試驗機設計斜面沖擊試驗，模擬井壁與礦巖不同受力方向的損傷破壞，研究循環(huán)沖擊荷載作用下巖石內(nèi)部孔隙度變化特征以及力學機制。

以上所有的沖擊試驗均基于試驗儀器與試件之間面與面接觸的受力方式這一傳統(tǒng)沖擊試驗方法，考慮到礦巖卸礦時對井壁沖擊時主要存在點面接觸、線面接觸、面面接觸三種受力方式，目前分析巖石的沖擊損傷主要是通過面與面接觸的常規(guī)的全沖擊方式，而線與面接觸的局部沖擊方式研究相對較少。本文借助JB-15/30擺錘沖擊試驗機進行局部循環(huán)沖擊試驗，基于波速法，首先測定大理巖試件沖擊前后的波速，由此確定每次沖擊后的損傷值；然后假設試件受力面面積為S，研究接觸面積之比為1/18S的局部沖擊作用下大理巖的損傷演化過程，分析沖擊能量對試件沖擊損傷和斷裂的主要影響作用，揭示沖擊能量和沖擊次數(shù)的變化與大理巖發(fā)生損傷破壞之間的規(guī)律，以期為礦山溜井受礦巖沖擊損傷的研究提供一個新的思路。

1擺錘沖擊試驗

1.1試驗方案

試驗裝置主要為JB-15/30擺錘沖擊試驗機，該試驗機為金華試驗機廠制作，試驗機主要是研究沖擊作用下大理巖試件的損傷斷裂特征，拉動擺錘到一定的高度，可以設置試驗所需的沖擊能量，且該試驗是研究井壁受到礦巖的多次碰撞沖擊產(chǎn)生的損傷破壞，考慮到現(xiàn)有試驗機不滿足試驗要求，故對試驗機試樣擺放位置進行加工，使試件與試件擺放位置處的零件受力均勻，同時會使擺錘在沖擊后反彈，計算大理巖試件的沖擊吸收能量，試驗原理［9］如圖1所示。（a）擺錘試驗機（b）擺錘試驗原理

1.2試驗方法

首先將試驗機操作手柄調(diào)整至預備位置，再用手拉起擺錘到指定的拉升高度，然后將操縱手柄調(diào)整至“沖擊”位置，同時釋放擺錘，沖擊試樣。由于試驗機試件擺放位置無法滿足試驗要求，故在進行試驗之后需要對試驗裝置進行改進，改進試驗裝置后無法通過指示盤確定沖擊能量值，但是可以通過理論分析及公式進行計算試驗過程中的能量耗散，借助高速攝像機去推算反彈角，以此計算撞擊后的反彈能量值。試驗完畢后，轉(zhuǎn)動至“沖擊”按鈕，沖擊結(jié)束后，及時制動擺錘，防止二次沖擊影響試驗效果，考慮沖擊能量的大小，循環(huán)沖擊的次數(shù)根據(jù)沖擊能量的大小確定，根據(jù)公式（1）沖擊過程中能量吸收的計算公式，可以得到每次沖擊后試件的吸收能。

1.3試驗試樣及參數(shù)選取

試驗所用的擺錘與擺桿的質(zhì)量約為30 kg，擺錘的刀刃通常為方形，假設試件的受力面面積為S，刀刃與試件接觸的面積之比為1/18S。根據(jù)現(xiàn)場情況取樣地點選取溜井所在的各個中段，所取巖樣均為大理巖，巖樣顏色為灰白色，所取的各塊巖樣確保巖性相同。在滿足試驗條件的情況下，參考工程巖體力學試驗標準，制作符合試驗要求的試件，試件尺寸為30 mm×30 mm×90 mm，現(xiàn)場取樣后對大理巖試樣進行室內(nèi)物理力學試驗，具體參數(shù)［10］如表1所示。

通過預試驗結(jié)果可知，當擺錘拉升角度為5°時，擺錘刀刃需要沖擊大理巖試樣100次及以上才會發(fā)生損傷斷裂，當擺錘拉升角度為20°時，部分大理巖試樣被沖擊很少的次數(shù)后就發(fā)生斷裂，為提高循環(huán)沖擊試驗的效率，故選取擺錘拉升角度為10°、15°、20°。

1.4損傷因子

損傷因子通常用于定義巖石的損傷程度，利用JB-15/30擺錘沖擊試驗機開展循環(huán)沖擊試驗，試件每次沖擊后都會發(fā)生損傷，循環(huán)沖擊作用下試件內(nèi)部的損傷不斷增加，由此稱為累積損傷，通過研究損傷因子的大小與沖擊能量、沖擊次數(shù)之間的關(guān)系可以得到巖石受沖擊作用的破壞過程。通過非金屬聲波檢測儀測定試驗前后的波速情況，由于彈性模量、超聲波波速法可以很好地反映巖石內(nèi)部的損傷程度，故采用超聲波波速法定義其損傷因子D［11-15］。

試件放置在波速儀的探頭上，盡量對準中心位置，為確保試驗的準確性降低誤差，每次沖擊過后的試件測試4～5次波速，然后取其平均值為沖擊損傷后的大理巖試件的波速，使用中巖科技RSM-SY5（T）非金屬聲波檢測儀測試沖擊前后試件的波速，試驗前需在換能器探頭均勻涂抹耦合劑凡士林，提高波速精度。

2試驗結(jié)果及分析

2.1大理巖循環(huán)沖擊作用下的損傷程度

由試驗結(jié)果可以分析建立隨著沖擊次數(shù)和沖擊能量的變化，試件波速和損傷因子之間的關(guān)系，如圖4—6所示。

由圖4可知，大理巖試件循環(huán)沖擊的開始階段，波速變化不明顯，損傷因子隨著波速的變化發(fā)生一定的波動，當擺錘拉升角度較小時，循環(huán)沖擊的前幾次波速幾乎沒有變化，損傷因子對應著無明顯變化，這可能是因為沖擊能量較小時，沒有達到大理巖試件的裂紋發(fā)育所需能量，試件內(nèi)部裂紋未發(fā)生明顯擴展，試件表面沒有發(fā)生宏觀破壞。隨著循環(huán)沖擊次數(shù)的增加，試件內(nèi)部累積吸收能量開始不斷增加，試件累積變化因子隨著波速的緩慢降低而開始不斷增加，但是，當擺錘揚角為10°時，沖擊次數(shù)達到17～21次時即損傷因子為1時，試件發(fā)生宏觀斷裂破壞。

由圖5可知，在15°的擺錘拉升角度下沖擊大理巖試件，波速變化幅度開始增大，隨著波速的降低累積變化因子開始不斷增加，曲線呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，波速降低的速度越來越大，破壞之前波速降低速率為8%左右，而發(fā)生破壞之前的最后一次沖擊其波速降低速率達到84%。在這個擺錘揚角下，隨著沖擊次數(shù)的增加，試件累積損傷不斷增加，試件最終會發(fā)生斷裂， 累積變化因子開始階段增長速度平緩，然后不斷增加，波速的變化使得累積變化因子的變化程度也越來越大，當試件發(fā)生斷裂時，損傷增量占試件累積損傷的71%左右。

由圖6可知，大理巖試件在20°的擺錘拉升角度下，試件的損傷規(guī)律與圖5和圖6相似，隨著撞擊能量的不斷增加，當試件完全斷裂后，所需的撞擊次數(shù)和試件積累的吸收能量顯著下降， 損傷因子隨波速降低和增加的速度顯著提高。大理巖試件內(nèi)部吸收的能量較大的情況下?lián)p傷因子開始急劇增加，增長率最大為75%，在沖擊能量的作用下內(nèi)部裂紋不斷擴展以及貫通，進而在裂紋不斷演化和擴展下，試件發(fā)生宏觀破壞，最終大理巖試件完全斷裂。

2.2不同沖擊能量下大理巖的損傷變化

為了保證大理巖在初始階段損傷值為0，即沖擊次數(shù)為0時，故選用指數(shù)函數(shù)擬合公式D=1-e -Ax對圖5（b）、圖6（b）、圖7（b）的損傷因子數(shù)值進行擬合［16］。式中：x為沖擊次數(shù)；系數(shù)A為大理巖的損傷程度。擬合公式及相關(guān)系數(shù)見表2。

由圖7可知，隨著沖擊能量增加，系數(shù)A呈現(xiàn)先緩后急的趨勢，當沖擊能量小于5.98 J時，損傷因子平穩(wěn)上升，當沖擊能量大于5.98 J時，損傷因子的增幅相較于2.66～5.98 J之間較大，表明隨著沖擊能量的不斷增大，大理巖試樣的吸收能量的效率提升明顯，直至能量足夠大時，試樣發(fā)生斷裂破壞，與上文損傷因子D的變化趨勢相同。

綜上所述，考慮到溜井的實際情況，井壁的破壞源于礦巖對其多次碰撞作用產(chǎn)生的，擺錘以不同拉升角度撞擊大理巖試件時，同時進行多次沖擊，才會發(fā)生損傷破壞，符合井壁受礦巖沖擊作用的損傷特征，由此可以得到當試件發(fā)生損傷時，其演化過程可以分為初始損傷破壞階段、加速損傷破壞階段、斷裂破壞階段。

2.3大理巖循環(huán)沖擊作用下的能量變化特征

大理巖的損傷斷裂過程可看作不同形式的能量相互轉(zhuǎn)化的過程，試件在不同沖擊能量和不同沖擊次數(shù)下的吸收能量，當大理巖試件的吸收能量達到極限時，試件發(fā)生斷裂。由式（1）—（3）可以計算在不同的沖擊能量下，大理巖試件在循環(huán)沖擊作用時的吸收能量以及每次沖擊后的能量效率，從而建立吸收能量、能量效率以及沖擊次數(shù)的關(guān)系，如表3所示。

由表3可知，當擺錘的沖擊能量為2.68、6.01、10.64 J的循環(huán)沖擊作用下，試樣的能量效率分別為5.21%～21.77％、22.31％～25.72％、31.05％～34.18％，隨著循環(huán)沖擊次數(shù)的增加，試樣的能量效率呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，同時較大的沖擊能量以及較多的沖擊次數(shù)會提高能量效率，試樣內(nèi)部隨著吸收能量的增加，內(nèi)部逐漸發(fā)生損傷變形，當試樣發(fā)生明顯宏觀變化時，吸收能量增加，能量效率達到最大。

隨著擺錘拉升角度的不斷增大，循環(huán)沖擊次數(shù)和沖擊能量的減少可以使得大理巖試件發(fā)生斷裂破壞，而試驗機擺錘拉升達到一定高度時，大理巖試件只需沖擊很少的次數(shù)即可使其發(fā)生斷裂。因此，當擺錘質(zhì)量和試件參數(shù)一定時，存在一個沖擊能量能使大理巖試件一次沖擊后發(fā)生斷裂，通常將這個使大理巖試件一次沖擊完全斷裂吸收的能量稱為斷裂破碎能。試驗過程中大理巖試件吸收的能量低于斷裂破壞能時，試件只會發(fā)生損傷而不會發(fā)生斷裂破壞。針對礦山實際情況，卸入溜井的礦巖通常粒徑會有所控制，其在溜井運動時產(chǎn)生的沖擊能量不會很大，作用于井壁的沖擊能量也相對較小，只會對井壁產(chǎn)生損傷，通常要進行多次碰撞沖擊才會達到大理巖的斷裂破碎能，這與理論分析和試驗結(jié)果相對一致。

3結(jié)論

本文采用擺錘沖擊試驗機研究循環(huán)沖擊作用下大理巖的損傷特征，主要結(jié)論如下：

（1）在循環(huán)沖擊荷載條件下，波速隨著沖擊次數(shù)的增加和累計吸收能量的增加而呈現(xiàn)先緩后急的降低趨勢，損傷因子則呈現(xiàn)先緩后急的上升趨勢，當損傷因子為1時，試件發(fā)生斷裂破壞

（2）擺錘沖擊對大理巖試件的作用屬于局部沖擊，局部沖擊荷載作用下試件的損傷斷裂從沖擊位置發(fā)生演化，裂紋不斷往試件內(nèi)部衍生，最終導致試件發(fā)生斷裂。

（3）大理巖的損傷程度，隨著沖擊能量和沖擊次數(shù)的增加，而不斷增大。尤其是總沖擊能量大于31.92 J時，大理巖試樣在循環(huán)沖擊作用下產(chǎn)生損傷斷裂，試驗結(jié)果表明大理巖試件存在一次沖擊斷裂的最低能量。

（4）井壁的損傷一般源于礦巖對其多次的碰撞沖擊，考慮到礦巖與井壁接觸方式的不同，通過較小沖擊接觸面積的局部循環(huán)沖擊作用的方式研究大理巖的損傷特征，為后續(xù)研究溜井井壁受沖擊作用下的損傷破壞提供一個新的思路。參考文獻：

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（責任編輯：于慧梅）

Damage Characterization of Marble Under Cyclic Impact Loading

YU Guoqiang HOU Kepeng SUN Huafen ZHU Zhigang

（1.School of Land and Resources Engineering， Kunming University of Science and Technology， Kunming 650093， China;

2.Yunnan Key Laboratory of Sino-German Blue Mining and Utilization of Special Underground Space， Kunming 650093， China）Abstract： In order to study the damage change characteristics of marble under local cyclic impact， the paper uses the damage factor to define the damage degree of the rock. Then with the help of the pendulum impact testing machine on the marble specimen with different impact energy under the contact area ratio of 1/18S cyclic impact test， the study analyzes the impact damage to the marble specimen with different impact energy and the number of impacts， and the change characteristics of the damage factor caused by different impact energy and the number of impacts. The results shows： when the pendulum lifting angle is 10°， the specimen does not have obvious damage; with the increase of the number of cyclic impact， the damage factor increases; when the cyclic impact increases to a certain number of times， the specimen is macroscopically damaged， and the damage factor changes significantly; with the increase of the pendulum lifting angle， the wave speed begins to decrease significantly， the impact absorbed energy and the number of impacts required during the specimen fracture damage also decreases，and the growth rate of damage factor reaches 75%. Considering that the impact mode of the rock on the shaft walls is localized impact with different contact areas， these results can provide a new idea for the study of the impact damage of rock to the shaft walls in mines.

Key words： marble; localized cyclic shock; pendulum test; damage factor; absorbed energy