預(yù)制孔洞煤樣沖擊力學(xué)特性及能量耗散試驗(yàn)研究

何 杰 ，吳擁政 ，孫卓越 ，李軍臣

（1.煤炭科學(xué)研究總院有限公司 開采研究分院, 北京 100013；2.中煤科工開采研究院有限公司, 北京 100013；3.天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部, 北京 100013；4.煤炭科學(xué)研究總院 煤炭智能開采與巖層控制全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100013）

0 引 言

隨著煤礦開采向深部發(fā)展，沖擊地壓災(zāi)害越發(fā)嚴(yán)重，沖擊地壓治理成為我國煤礦安全領(lǐng)域的工作重點(diǎn)[1-4]。鉆孔卸壓為沖擊地壓礦井最常用的防沖治理手段之一，通過在沖擊危險區(qū)域巷幫施工一排或多排鉆孔，改變鉆孔附近煤巖體力學(xué)性質(zhì)、應(yīng)力和沖擊能量分布狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)減弱或消除沖擊地壓發(fā)生的可能性[5-7]。部分學(xué)者對鉆孔卸壓機(jī)理開展研究，發(fā)現(xiàn)鉆孔孔徑對卸壓效果具有明顯影響。馬斌文等[8]認(rèn)為卸壓鉆孔使煤巖界面黏聚力和內(nèi)摩擦角降低，改變了煤體承載結(jié)構(gòu)，破壞了沖擊地壓發(fā)生的條件。王猛等[9]認(rèn)為鉆孔卸壓實(shí)質(zhì)為人為破壞鉆孔周邊圍巖結(jié)構(gòu)完整性，并確定了充分卸壓時的鉆孔關(guān)鍵參數(shù)。賈傳洋等[10]實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)得到孔徑、孔深、孔間距對鉆孔卸壓效果有直接影響。齊燕軍等[11]采用相似模擬法制作了含不同孔徑卸壓孔的巷幫煤體模型，發(fā)現(xiàn)孔徑對卸壓效果具有明顯的尺寸效應(yīng)。

沖擊發(fā)生過程中煤巖體力學(xué)特性及能量耗散規(guī)律是揭示沖擊地壓機(jī)制和防治的基礎(chǔ)[12-14]，為深入研究鉆孔對卸壓作用的影響機(jī)制，弄清沖擊載荷下鉆孔煤巖體力學(xué)特性及能量耗散規(guī)律非常有必要。楊圣奇等[15]對含孔洞砂巖進(jìn)行準(zhǔn)靜載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其力學(xué)參數(shù)降幅與孔洞直徑和分布相關(guān)。李地元等[16]通過單軸壓縮試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)含孔洞花崗巖試樣總是從孔洞周邊起裂，且相較完整試樣存在更多聲發(fā)射事件突變點(diǎn)位。劉招偉等[17]認(rèn)為最大剪應(yīng)變–軸向位移曲線可作為含孔洞巖石變形演化特征參數(shù)，且峰值強(qiáng)度點(diǎn)的局部化變形最強(qiáng)。一些學(xué)者對含孔洞煤巖體在動載荷下的力學(xué)響應(yīng)開展了研究，周子龍等[18]研究了孔洞數(shù)量及分布方式對沖擊載荷下砂巖變化演化規(guī)律的影響。王愛文等[19]基于預(yù)制單孔、雙孔和三孔煤樣試件，采用試驗(yàn)方法研究了含鉆孔煤樣的沖擊傾向性和能耗規(guī)律。李地元等[20]發(fā)現(xiàn)含孔洞砂巖在45°層理傾角時動態(tài)強(qiáng)度最大，能量吸收最多。戴兵等[21]推導(dǎo)了含孔洞巖石損傷計算理論公式，并通過試驗(yàn)分析了循環(huán)沖擊載荷下?lián)p傷特性。TAO 等[22]通過試驗(yàn)分析了不同初始靜載和同一動載耦合下的花崗巖宏觀破壞機(jī)制。以上研究主要集中在以含孔洞巖石為對象的動靜載試驗(yàn)研究，沖擊地壓礦井多是在煤幫布置鉆孔實(shí)現(xiàn)卸壓，因此，開展預(yù)制孔洞煤樣沖擊力學(xué)特性及能量耗散試驗(yàn)研究對于指導(dǎo)沖擊地壓防治具有指導(dǎo)意義。

為揭示沖擊載荷下預(yù)制孔洞煤樣力學(xué)及能量耗散特性，制備了8 個級別直徑孔洞的圓柱體煤樣，采用霍普金森壓桿試驗(yàn)裝置測試了動態(tài)力學(xué)特性，獲取了動態(tài)應(yīng)力–應(yīng)變曲線、破壞演化及全場應(yīng)變圖像，分析了孔洞直徑對煤樣動力學(xué)響應(yīng)影響規(guī)律。

1 單軸壓縮沖擊試驗(yàn)

1.1 試件制備

試驗(yàn)煤樣取自陜西彬長礦區(qū)，取樣煤層具有弱沖擊傾向性，取樣地點(diǎn)埋深710 m?，F(xiàn)場獲取的大塊煤樣較為完整，實(shí)驗(yàn)室測得基本物理力學(xué)參數(shù)見表1，煤樣規(guī)格為直徑50 mm，高50 mm 的圓柱體[23]，采用取心機(jī)加工時保持垂直層理鉆心，并保證打磨后試件端面不平行度和不垂直度均小于0.02 mm[24]，沿試件軸向中部垂直鉆1 個圓孔，孔洞直徑為0～14 mm，加工好的試件如圖1 所示。

圖1 制備好的試樣Fig.1 Prepared samples

表1 基本物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Basic physical and mechanical parameters

1.2 試驗(yàn)裝置及原理

試驗(yàn)采用中國礦業(yè)大學(xué)(北京)SHPB 沖擊加載裝置，如圖2 所示。試驗(yàn)裝置壓桿直徑均為50 mm，由長度為3 000 mm 的入射桿、2 500 mm 的透射桿、1 000 mm 的 吸 收 桿 和400 mm 的 子 彈 組 成。壓桿采用低碳鋼材質(zhì)，彈性模量206 GPa，密度7 740 kg/m3。在入射桿和透射桿靠近試件位置各粘貼兩枚動態(tài)應(yīng)變片，用于采集沖擊過程中的電壓信號，通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)得到應(yīng)力–應(yīng)變曲線。運(yùn)用數(shù)字散斑技術(shù)、VIC–2D 非接觸全場應(yīng)變分析軟件及高速攝像機(jī)，測量試件在沖擊過程中的真實(shí)位移場和應(yīng)變場。

圖2 SHPB 沖擊加載裝置Fig.2 SHPB impact loading apparatus

1.3 試驗(yàn)方案

采用質(zhì)量、密度和縱波波速對試件進(jìn)行篩分，選取物理參數(shù)相近的試件開展試驗(yàn)，以降低試件間均質(zhì)性差異對試驗(yàn)結(jié)果造成的不利影響。試件預(yù)制孔洞直徑設(shè)為8 個級別，分別為0、2、4、6、8、10、12和14 mm，對應(yīng)采用H0、H2、H4、H6、H8、H10、H12 和H14 表示。沖擊氣壓設(shè)為3 個水平，分別為0.1 MPa、0.2 MPa 和0.3 MPa，對應(yīng)采用D0.1、D0.2和D0.3 表示。在入射桿前端薄涂二硫化鉬并粘貼紫銅薄片，使入射波形成為具有較緩上升沿的半正弦波[26]。將二硫化鉬薄涂于各壓桿接觸界面，以減弱端面摩擦效應(yīng)對試驗(yàn)結(jié)果影響。每種工況沖擊3枚試件，3 次試驗(yàn)結(jié)果一致性較好，則試驗(yàn)結(jié)果有效。每次沖擊前均將子彈推入發(fā)射腔最內(nèi)部，從而使子彈在相同沖擊氣壓下得到相近沖擊速率。

為配合DIC 測量技術(shù)準(zhǔn)備工作，需在試驗(yàn)前對試件進(jìn)行人工散斑制作。試驗(yàn)過程中采用高速攝像機(jī)拍攝，分辨率924×768，拍攝幀率500 000 fps，曝光時間200 ns，延遲時間230 μs。將高速攝像機(jī)與超動態(tài)應(yīng)變儀連接以實(shí)現(xiàn)TTL 信號同步觸發(fā)。

將試件看作一個質(zhì)點(diǎn)，沖擊載荷下試件兩端需達(dá)到動態(tài)應(yīng)力平衡方能保證試驗(yàn)結(jié)果有效。以試件H6–D0.1 為例，沖擊加載過程中兩端動態(tài)應(yīng)力波曲線如圖3 所示?？梢钥闯觯趹?yīng)力波作用時長內(nèi)，入射波和反射波的疊加波大體與透射波吻合，表明試件在沖擊加載中能夠達(dá)到動態(tài)應(yīng)力平衡，SHPB 試驗(yàn)結(jié)果有效。

1.4 試驗(yàn)結(jié)果

表2 給出了不同孔徑和沖擊氣壓下預(yù)制孔洞煤樣沖擊加載試驗(yàn)結(jié)果。

表2 沖擊加載試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Impact loading test results

2 動態(tài)抗壓強(qiáng)度與變形破壞特征

2.1 動態(tài)應(yīng)力–應(yīng)變曲線

采用式(1)對采集到的電壓信號進(jìn)行處理，得到預(yù)制孔洞試件動態(tài)應(yīng)力–應(yīng)變曲線，如圖4 所示。圖5 為完整試件在不同沖擊氣壓下的動態(tài)應(yīng)力–應(yīng)變曲線。試驗(yàn)中所有試件在沖擊載荷下均發(fā)生宏觀破碎，其動態(tài)峰值應(yīng)力即動態(tài)抗壓強(qiáng)度。

圖4 預(yù)制孔洞試件的動態(tài)應(yīng)力–應(yīng)變曲線Fig.4 Dynamic stress-strain curve of specimens with hole defects

圖5 完整試件的動態(tài)應(yīng)力–應(yīng)變曲線Fig.5 Dynamic stress-strain curve of complete specimens

由圖4 可知，沖擊載荷下預(yù)制孔洞煤樣動態(tài)應(yīng)力–應(yīng)變過程可分為微裂隙壓密階段(OA段)、彈性階段(AB段)、塑性屈服階段(BC段) 和破壞階段(CD段)。在微裂隙壓密階段，煤樣自身微裂隙及孔洞被壓縮，曲線呈小幅度上凹，繼而進(jìn)入彈性變形階段，動態(tài)應(yīng)力與應(yīng)變基本呈線性攀升，此后進(jìn)入塑性屈服階段，曲線斜率較彈性變形階段有不同程度降低，產(chǎn)生相同應(yīng)變所需應(yīng)力變??；峰值應(yīng)力點(diǎn)之后，進(jìn)入破壞階段，應(yīng)力快速下降，應(yīng)變持續(xù)增加，直至試件喪失承載能力發(fā)生整體破壞。

不同工況下動態(tài)應(yīng)力–應(yīng)變曲線表現(xiàn)出一定的相似性，但也存在差異。具體表現(xiàn)為：①在相同沖擊氣壓下，隨著孔徑增大，峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變均呈降低趨勢。②相同孔徑下，隨著沖擊氣壓增大，試件峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變均呈增大趨勢。③試件應(yīng)力–應(yīng)變曲線在應(yīng)力屈服階段總體呈緩慢攀升趨勢，但個別試件曲線呈間歇性攀升特征，即曲線在達(dá)到某一較高應(yīng)力點(diǎn)后產(chǎn)生應(yīng)力跌落，跌至某一較低應(yīng)力點(diǎn)后再次攀升，整個曲線呈雙峰特征。其原因?yàn)樵嚰﨟6–D0.2，H8–D0.2，H100–D0.2 內(nèi)存在原生損傷，試件在受載過程中發(fā)生結(jié)構(gòu)性調(diào)整。

由圖5 可知，完整試件沖擊載荷下應(yīng)力–應(yīng)變過程與孔洞試件基本一致，但同一沖擊氣壓下的峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變均要高于預(yù)制孔洞試件。沖擊氣壓越低，試件越早進(jìn)入應(yīng)力屈服階段。

2.2 動態(tài)抗壓強(qiáng)度

預(yù)制孔洞煤樣隨孔徑變化的應(yīng)力行為特征如圖6 所示。由圖6 可知，在試驗(yàn)涉及的沖擊氣壓和孔徑范圍內(nèi)，同一孔徑下隨沖擊氣壓增大，試件動態(tài)抗壓強(qiáng)度呈增大趨勢；同一沖擊氣壓下隨孔徑增大，試件動態(tài)抗壓強(qiáng)度呈降低趨勢。為量化各區(qū)段動態(tài)抗壓強(qiáng)度隨孔徑變化的降幅，采用“每2 mm 孔徑區(qū)間平均降幅D”進(jìn)行量化。根據(jù)降幅程度，將孔徑在0～14 mm 的動態(tài)抗壓強(qiáng)度–孔徑曲線分為兩個區(qū)段，分別為孔徑0～8 mm 和8～14 mm?？讖接? 增至8 mm，沖擊氣壓0.1～0.3 MPa 時D分別為5.9%、5.2%、4.8%，呈緩慢降低特征；孔徑由8 mm 增至14 mm，沖擊氣壓0.1～0.3 MPa 時D分別為14.1%、13.1%、13.6%，呈快速降低特征。

圖6 預(yù)制孔洞煤樣在沖擊下的應(yīng)力特征Fig.6 Stress characteristics of coal samples with pore defects under impact load

究其原因，當(dāng)孔徑由0 增至8 mm 時，試件預(yù)制孔洞截面積隨之增大，孔洞截面積越大則試件有效承載面積越小，進(jìn)而導(dǎo)致試件整體承載能力降低。經(jīng)過計算，此區(qū)段孔洞截面積在3.14～50.24 mm2范圍，孔洞截面積變化幅度為47.10 mm2，變化區(qū)間相對較小，故動態(tài)抗壓強(qiáng)度降幅不大。當(dāng)孔徑由8 mm增至14 mm 時，此區(qū)段孔洞截面積處在50.24～153.86 mm2，孔洞截面積變化幅度為103.62 mm2，變化區(qū)間相對較大，從而表現(xiàn)為動態(tài)抗壓強(qiáng)度隨孔徑增加而快速降低。以上研究表明，當(dāng)煤樣中孔洞直徑較小時，對動態(tài)抗壓強(qiáng)度影響較小，但當(dāng)孔洞直徑達(dá)到一定程度時，動態(tài)抗壓強(qiáng)度受孔洞大小影響強(qiáng)烈，試件表現(xiàn)為隨孔徑增大而加速喪失承載能力。

2.3 動態(tài)變形

預(yù)制孔洞煤樣隨孔徑變化的應(yīng)變行為特征如圖7所示。由圖7 可知，在試驗(yàn)涉及的沖擊氣壓范圍內(nèi)，同一孔徑下隨沖擊氣壓增大，試件動態(tài)峰值應(yīng)變(指應(yīng)力峰值點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)變)呈增大趨勢。在試驗(yàn)涉及的孔徑范圍內(nèi)，同一沖擊氣壓下隨孔徑增大，試件動態(tài)峰值應(yīng)變呈降低趨勢。根據(jù)降幅大小，將孔徑在0～14 mm 的動態(tài)峰值應(yīng)變–孔徑曲線分為兩個區(qū)段，分別為0～8 mm 和8～14 mm。為量化各區(qū)段動態(tài)峰值應(yīng)變隨孔徑變化的降幅，仍采用“每2 mm 孔徑區(qū)間平均降幅D”進(jìn)行量化?？讖接? mm 增至8 mm，沖擊氣壓0.1～0.3 MPa 時D分別為6.1%、6.8%、8.7%，呈快速降低特征；孔徑由8 mm 增至14 mm，沖擊氣壓0.1～0.3 MPa 時D分別為3.5%、3.8%、4.4%，呈緩慢降低特征。

圖7 預(yù)制孔洞煤樣在沖擊下的應(yīng)變特征Fig.7 Strain characteristics of coal samples with pore defects under impact load

究其原因，經(jīng)過篩選后的?50×h50 mm 完整圓柱體試件力學(xué)性能基本相近，其峰前總變形量亦在較小范圍波動，孔洞越大則試件有效承載區(qū)域越小，試件抗破壞能力越弱，即孔洞越大，試件在達(dá)到動態(tài)抗壓強(qiáng)度時沒有能力發(fā)生較大變形量，從而表現(xiàn)為動態(tài)峰值應(yīng)變與孔徑呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。當(dāng)孔徑由0 mm增至8 mm 時，試件有效承載區(qū)域減小，峰前總變形量隨之減小，此階段試件整體變形量較充裕，呈快速降低特征。當(dāng)孔徑大于8 mm 時，試件動態(tài)峰值應(yīng)變曲線降速明顯放緩，其原因?yàn)榭讖匠^8 mm 后，試件整體變形能力大幅降低，剩余有效承載區(qū)域的可變形量亦大幅減小，表現(xiàn)為動態(tài)峰值應(yīng)變隨孔徑繼續(xù)增加呈緩慢降低特征。

2.4 裂紋演化與失效模式

分析預(yù)制孔洞對煤樣裂紋演化過程，獲取孔洞對煤樣開裂行為的影響。表3 為高速攝像機(jī)拍攝的裂紋演化過程，可以看出，預(yù)制孔洞煤樣宏觀裂紋主要分為兩類：沿軸向方向擴(kuò)展的拉伸裂紋和相對于軸向應(yīng)力斜向擴(kuò)展的剪切裂紋。宏觀裂紋形式隨孔洞直徑增大呈現(xiàn)一定差異，孔洞直徑在0 時(即完整試件)以拉伸裂紋為主，孔洞直徑在2～14 mm 時以拉伸裂紋和剪切裂紋復(fù)合為主。選取典型試件進(jìn)行分析：① H0–D0.3 為完整試件在沖擊氣壓0.3 MPa下的裂紋演化，應(yīng)力波進(jìn)入試件26 μs，試件中上部出現(xiàn)起裂點(diǎn)0a和0b；在32 μs，0a和0b貫通形成拉伸裂紋1a，并在試件右上、右下、左下出現(xiàn)新的起裂點(diǎn)0c、0d和0e；在56 μs，0c和0a貫通形成拉伸裂紋1b、0d和0a貫通形成拉伸裂紋1c，0e和0a貫通形成拉伸裂紋1d，總體來看試件以起裂點(diǎn)0a為中心，向整體擴(kuò)展形成拉伸裂紋，最終導(dǎo)致試件拉伸破壞。② H8–D0.3為孔洞直徑8 mm 試件在沖擊氣壓0.3 MPa 下的裂紋演化，應(yīng)力波進(jìn)入試件30 μs，試件中部及下部多發(fā)起裂點(diǎn)；在62 μs，起裂點(diǎn)0a，0b和0c貫通形成剪切裂紋1a，0a和0d貫通形成拉伸裂紋2a，0a和0e貫通形成拉伸裂紋2b，在試件左上部出現(xiàn)新的起裂點(diǎn)0f；在90 μs，0f和2b貫通形成剪切裂紋1b，0f和試件入射端面貫通形成拉伸裂紋2c，總體來看試件以起裂點(diǎn)0a為中心，向兩端面延伸形成拉伸裂紋，并沿徑向擴(kuò)展剪切裂紋，最終導(dǎo)致試件呈拉伸–剪切復(fù)合破壞。

表3 試件裂紋演化過程Table 3 Crack Evolution Process of Specimens

表4 為沖擊載荷下不同孔洞直徑煤樣的最終失效模式?？梢钥闯?，試件實(shí)物失效模式與DIC 技術(shù)獲得的應(yīng)變場和位移場吻合良好。由于端面摩擦效應(yīng)及VIC–2D 軟件局限，試件分析區(qū)域不包括應(yīng)變場和位移場圖像的上下左右4 個邊界。當(dāng)孔洞直徑由0 增至6 mm 時，最大應(yīng)變值由26.80% 增加至87.50%，水平位移值由1.810 mm 增加至3.660 mm；當(dāng)孔洞直徑由6 mm 增至14 mm 時，最大應(yīng)變值由87.50%降至16.10%，水平位移值由3.660 mm 降至1.830 mm，表明孔洞直徑為6 mm 時，應(yīng)變場梯度最大，應(yīng)變場峰值區(qū)域煤巖更為破碎。由應(yīng)變場圖像可以看出，完整試件的最終失效由拉伸破壞引起，預(yù)制孔洞試件的最終失效由剪切和拉伸破壞復(fù)合引起。

表4 試件最終失效模式Table 4 Final failure modes of test pieces

3 沖擊能量特征

3.1 能量計算

對SHPB 試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后可得到入射應(yīng)變、反射應(yīng)變和透射應(yīng)變隨時間變化曲線εI(t)、εR(t)和εT(t)，沖擊加載中入射能WI、反射能WR和透射能WT計算公式[27]分別為

單位體積吸收能wd計算方法如下：

式中，VS為試件體積。

3.2 能耗特性

預(yù)制孔洞煤樣在不同沖擊氣壓下的能耗特性如圖8 所示。由圖8 可知，試件反射能與孔徑呈正相關(guān)關(guān)系，透射能和吸收能與孔徑呈負(fù)相關(guān)關(guān)系?？讖接? 增至14 mm，沖擊氣壓0.1～0.3 MPa 時反射能占比(反射能與入射能之比) 分別由47.8% 增至83.3%，58.2%增至81.2%，60.9%增至83.8%，透射能占比(透射能與入射能之比)分別由17.7%降至4.6%，17.4%降至4.6%，15.5%降至4.1%，吸收能占比(吸收能與入射能之比)分別由34.4%降至12.1%，24.4%降至14.3%，23.6%降至12.1%。

圖8 不同沖擊氣壓下的能耗特性Fig.8 Energy consumption characteristics under different impact pressures

究其原因，試件過波面積隨孔徑增大而降低，而過波面積與應(yīng)力波穿過試件能力呈正相關(guān)關(guān)系[28]，即孔徑越大，應(yīng)力波穿過試件能力越弱，故入射波在進(jìn)入試件后更多以反射波形式返回，同時應(yīng)力波通過試件難度增大，導(dǎo)致透射能呈降低趨勢。隨孔徑增大，預(yù)制孔洞試件體積減小，能夠吸收能量的載體也隨之減小，導(dǎo)致吸收能與孔徑呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。以上研究表明，預(yù)制孔洞煤樣的能量耗散機(jī)制為通過降低試件過波面積將攜帶能量的應(yīng)力波更多地反射回去，故孔徑越大，反射能越高，預(yù)制孔洞煤樣的吸收能和透射能越低，文獻(xiàn)[29]的研究成果在一定程度上佐證了這一論點(diǎn)。

不同孔徑下預(yù)制孔洞煤樣體積存在差異，孔徑越大，孔洞體積越大，試件真實(shí)體積就越小，故研究單位體積吸收能可更好表征試件吸能情況。不同沖擊氣壓下預(yù)制孔洞煤樣單位體積吸收能如圖9 所示。由圖9 可知，在試驗(yàn)涉及的孔徑范圍內(nèi)，同一沖擊氣壓下隨孔徑增大，試件單位體積吸收能呈降低趨勢；當(dāng)孔徑相同時，單位體積吸收能與沖擊氣壓呈正相關(guān)關(guān)系，表現(xiàn)出顯著的應(yīng)變率效應(yīng)。孔徑由0 增至14 mm，沖擊氣壓0.1～0.3 MPa 時單位體積吸收能分別降低62.5%、37.3%、46.5%。已有研究表明[24]，試件吸收能絕大部分轉(zhuǎn)化為破碎耗能，小部分轉(zhuǎn)化為動能和聲、光、熱等能量。破碎耗能主要用于沖擊破壞過程中裂紋擴(kuò)展，故同一沖擊氣壓下試件孔徑越大，預(yù)制孔洞煤樣在沖擊載荷下的裂紋擴(kuò)展程度越低，則試件破碎的程度則越低。

圖9 不同沖擊氣壓下的單位體積吸收能Fig.9 Absorbed energy per unit volume under different impact pressures

3.3 沖擊破壞形態(tài)

沖擊后煤樣的破壞形態(tài)與能量耗散密切相關(guān)，以0.3 MPa 沖擊氣壓為例，預(yù)制孔洞煤樣在不同孔徑下的破壞形態(tài)如圖10 所示，沖擊后的試件碎塊形狀主要是長方體和錐體，說明破壞模式主要為拉伸破壞和剪切破壞。由圖10 可知，對于完整試件(孔徑為0)，破碎程度整體較高，破碎塊度粒徑較小，局部高度破碎成煤屑。對于孔徑2 mm 和4 mm 試件，亦呈高度破碎狀態(tài)，但未出現(xiàn)較多煤屑，取而代之的是大量小粒徑碎塊。對于6 mm 和8 mm 試件，小粒徑碎塊仍大量存在，但開始出現(xiàn)一些尺寸較大碎塊。對于孔徑為10 mm 和12 mm 試件，尺寸較大碎塊繼續(xù)增加，且宏觀碎塊尺寸亦隨之增大。當(dāng)孔徑達(dá)到14 mm 時，試件主要為幾個尺寸較大碎塊和少部分小粒徑碎塊?？梢钥闯觯谠囼?yàn)涉及的孔徑范圍內(nèi)，同一沖擊氣壓下隨孔徑增大，試件破壞程度隨之降低，即沖擊載荷下試件破碎程度與孔徑呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。究其原因，試件宏觀破壞主要源于其內(nèi)部裂紋萌生、擴(kuò)展、貫通等演化行為，裂紋演化的動力源為試件吸收能量，吸收能量大部分轉(zhuǎn)化為破碎耗能，由圖9 可知單位體積吸收能隨試件孔徑增大而降低，故孔徑越大，試件裂紋演化能力越弱，宏觀上表現(xiàn)為破碎成若干個較大碎塊?？讖皆叫?，試件單位體積吸收能越高，裂紋演化能力越強(qiáng)，宏觀上表現(xiàn)為破碎成若干小粒徑碎塊。

圖10 不同孔徑試件破壞形態(tài)(沖擊氣壓為0.3 MPa)Fig.10 Failure morphology of specimens with different pore sizes (impact pressure 0.3 MPa)

4 結(jié) 論

1)沖擊載荷下預(yù)制孔洞煤樣動態(tài)應(yīng)力–應(yīng)變過程分為微裂隙壓密階段、彈性階段、塑性階段和破壞階段。在試驗(yàn)涉及的孔徑范圍內(nèi)，同一沖擊氣壓下隨孔徑增大，試件動態(tài)抗壓強(qiáng)度和動態(tài)峰值應(yīng)變均呈降低趨勢。同一孔徑下隨沖擊氣壓增大，試件動態(tài)抗壓強(qiáng)度和動態(tài)峰值應(yīng)變均呈增加趨勢。當(dāng)孔徑達(dá)到8 mm，試件動態(tài)抗壓強(qiáng)度和峰值應(yīng)變下降分別呈現(xiàn)由緩慢到快速、由快速到放緩的分區(qū)特征。

2)與完整煤樣以拉伸裂紋破壞為主不同，預(yù)制孔洞煤樣主要以拉伸裂紋–剪切裂紋復(fù)合破壞為主，隨著孔徑增加，裂紋擴(kuò)展能力變?nèi)酢？锥粗睆綖? mm時，應(yīng)變場梯度最大，應(yīng)變場峰值區(qū)域煤巖更破碎。

3)揭示沖擊載荷下孔洞煤樣的能量耗散規(guī)律，試件反射能與孔徑呈正相關(guān)，透射能和吸收能與孔徑呈負(fù)相關(guān)。這主要與孔洞引發(fā)試件過波面積變化有關(guān)，煤樣過波面積隨著孔徑增大而降低，其吸收能和透射能隨之降低，與沖擊載荷下預(yù)制孔洞煤樣試件破碎程度與孔徑呈負(fù)相關(guān)一致。