霍普金森桿沖擊加載煤樣巴西圓盤劈裂試驗研究

趙毅鑫，肖 漢，黃亞瓊

(1.中國礦業大學(北京) 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京 100083；2.中國礦業大學(北京) 力學與建筑工程學院，北京 100083)

霍普金森桿沖擊加載煤樣巴西圓盤劈裂試驗研究

趙毅鑫1,2，肖 漢2，黃亞瓊2

(1.中國礦業大學(北京) 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京 100083；2.中國礦業大學(北京) 力學與建筑工程學院，北京 100083)

為研究煤樣動態拉伸變形破壞特征，利用分離式霍普金森桿沖擊加載系統，對煤樣進行沖擊條件下巴西圓盤劈裂試驗，探討了沖擊速度和煤樣中層理傾角對煤樣動態抗拉強度、破壞應變及應變率的影響；并通過高速相機和數字散斑圖像分析方法，對樣品的動態劈裂及表面應變場變化過程進行了初步分析。研究表明：沖擊速度和層理傾角對煤樣動態拉伸破壞特征有明顯影響。沖擊速度越大，煤樣動態抗拉強度則越大，但其隨沖擊速度增加的幅度逐漸減小；樣品破壞應變在沖擊速度為3.5 m/s時出現最大值。在沖擊速度相近的情況下，層理與加載方向夾角相垂直時，樣品的破壞應變相對較大，而應變率則最小。抗拉強度隨層理傾角波動變化。在層理傾角與加載方向平行或非垂直時，煤樣主要表現為拉伸破壞；在層理與加載方向非平行或非垂直時，樣品表現出基質的拉伸和層理的剪切破壞相伴生。

霍普金森壓桿；煤巖；動態拉伸；層理；數字散斑

煤巖動態抗拉性能作為巖石力學研究的熱點之一，其對于煤巖穩定性控制、爆破工程參數選取、沖擊地壓災害機理研究等均具有重要意義[1]。通過動載條件下抗拉試驗獲取煤巖樣品的動態力學性能參數是最直接的分析手段。然而，由于煤巖直接拉伸試驗難度大，利用分離式霍普金森壓桿(Split Hopkinson Pressure Bar，SHPB)試驗裝置針對圓盤形試件開展動態劈裂拉伸試驗已成為研究樣品動態力學性能最簡單而有效的方法。截止目前，該方法已成功應用于大理巖[2-3]、泥巖[4]、砂巖[5-6]、花崗巖[7]、頁巖[8]等巖石材料的動態力學參數的測定，但對煤在動載條件下的抗拉特性試驗則鮮有報道。同時，煤中富含層理等原生結構，使得煤的SHPB測試結果離散性增加，因此有必要研究煤中層理對其動態劈裂拉伸破壞特征的影響[8]。

本文采用動態巴西劈裂試驗對煤的動態抗拉特性進行分析，開展了30個圓盤形煤樣的SHPB沖擊劈裂試驗，探討了沖擊速度和煤樣層理傾角的動態響應特征；并結合高速攝影機對煤樣變形破壞過程進行觀測，記錄沖擊加載過程中煤樣表面變形破壞的散斑圖像。將散斑圖像用Matlab軟件進行處理，獲得試件的應變場信息，由此分析煤樣沖擊加載下拉伸變形破壞的演化特征。

1 煤巖樣機動態拉伸試驗系統

1.1 煤巖樣品

煤樣取自大同忻州窯礦11煤的二盤區8935工作面，該工作面因開采壓力大所導致的煤巖動力失穩現象時有發生[9]。為保證樣品的物理和力學特征具有一定的關聯性，所有樣品均由一塊較完整的煤樣切割加工而成。共加工測試用煤樣30塊，為φ50 mm×25 mm，兩端面打磨后不平整度在±0.05 mm，端面垂直軸線，最大偏差不大于0.25°。同時，通過試驗測定了11煤層煤樣的單軸抗壓強度為27.64 MPa，抗拉強度為1.75 MPa，黏聚力7.85 MPa，內摩擦角32.64°，彈性模量2.29 GPa，泊松比0.24。

1.2 試驗系統

煤巖沖擊巴西圓盤劈裂試驗在中國礦業大學(北京)深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室的SHPB系統上完成，該系統及樣品情況如圖1所示。 試驗時采用鋼質SHPB圓柱型子彈直徑50 mm，長400 mm；鋼質輸入桿和輸出桿直徑均為50 mm，長為2 000 mm；分別在輸入桿和輸出桿上距試件端部1 m位置處貼應變片，以記錄試驗過程中桿體應變[10]。子彈初速通過氣室內氣體壓力控制，而輸入桿速則采用光電法測量。

圖1 SHPB實驗原理及系統情況Fig.1 Diagram of SHPB system

1.3 數據處理

(3)

式中，E為桿彈性模量，取200 GPa；A為桿的橫截面面積；D為試件直徑，取50 mm；B為試件厚度，取25 mm；c0為桿中彈性波速，取5 060 m/s；εI(t)為試件左端面入射應變信號；εR(t)為試件左端面反射應變信號；εT(t)為試件右端面透射應變信號；式中應力應變均以壓為正。

SHPB各桿上應變片信號以電壓-時間曲線形式輸出。試驗中原始波形易受試驗條件影響而出現波動，采用低通濾波法對于數據進行處理，隨后根據處理后結果計算得到煤樣各動態力學參數。濾波前后入射、反射和透射波形如圖2所示。

圖2 濾波前后入射、透射和反射波波形(樣品編號162)Fig.2 Incident wave,reflected wave and penetrated wave before and after filtering

同時，采用高速攝像機對沖擊荷載下煤樣破壞過程進行拍攝。并且實驗前在試樣表面噴涂極薄的散斑涂層，以便通過數字散斑分析方法獲取煤樣動態劈裂過程中表面應變場分布特征[12]。

2 煤樣巴西圓盤劈裂SHPB試驗結果

2.1 煤動態抗拉特性對沖擊速度的響應

為分析煤樣動態抗拉強度對沖擊速度的響應特征，試驗獲取了30個樣品的動態拉伸強度隨沖擊速度變化情況，如圖3(a)所示。分析發現：沖擊速度在2～4 m/s時，動態拉伸強度為3.75～5.70 MPa，是靜態抗拉強度的2.14～3.26倍。并且，總體上煤樣動態抗拉強度隨沖擊速度的增加而增強；沖擊速度每增加0.5 m/s，煤樣的動態抗拉強度升高10%～20%。但隨沖擊速度增加，動態拉伸強度的增加幅度明顯變緩。

圖3(b)和(c)分別為破壞應變和應變率隨沖擊速度的變化情況。可以看出，破壞應變隨沖擊速度表現為先升后降的變化規律，即在沖擊速度2.0～3.5 m/s時，破壞應變隨沖擊速度的增加而增大，當沖擊速度大于3.5 m/s時其隨速度的增加而降低。在沖擊速度大于3.5 m/s時，因沖擊力較大使得樣品來不及變形就產生破壞。同時，沖擊速度在2～4 m/s時，破壞應變為490×10-6～1 060×10-6，應變率為24～81 s-1。應變率隨沖擊速度增加表現出波動上升的趨勢，即隨沖擊速度增加，應變率增量先增加，后減小，隨后再次增加。

2.2 動態抗拉性能對樣品層理的響應特征

在沖擊速度相同的條件下，由于煤樣內的層理影響，煤樣的動態力學性能間仍存在差異。考慮沖擊速度的波動性，為較好地分析樣品動態抗拉性能對煤樣層理的響應特征，從30個樣品的試驗結果中選取沖擊速度較接近者進行分組，每組樣品盡可能包含5種層理傾角(即層理與加載方向夾角θ成0，22.5°，45.0°，67.5°和90.0°)，具體如圖1(b)和表1所示。

圖3 煤樣動態抗拉參數隨沖擊速度變化情況Fig.3 Relationship between the impact speed and dynamic tensile parameters of samples

圖4為3組樣品的沖擊速度及對應的層理傾角情況，3組樣品的平均沖擊速度依次約為2.7，3.2和3.8 m/s。圖5為3組樣品的動態抗拉強度、破壞應變和應變率隨層理傾角的變化情況。由圖5(a)可以看出，沖擊速度越高，煤樣動態抗拉強度越大；這也說明動態抗拉強度主要影響因素是沖擊速度，而非層理傾角。在沖擊速度相近且層理與加載方向垂直時，其動態抗拉強度相對較大。在層理傾角為22.5°時，3組樣品均表現出較低的動態抗拉強度。

表1樣品破壞特征參數情況
Table1Resultsofdynamicparametersofsamples

組別樣品編號層理傾角/(°)加載速度/(m·s-1)抗拉強度/MPa破壞應變/10-6應變率/s-1第1組42102 7074 5673254054 85423322 52 5654 3010159155 24916145 02 6244 5832057250 50948267 52 6894 3622763654 03341190 02 7794 8621767248 723第2組21103 2135 1822664955 48012122 53 2985 1001269264 84447245 03 2265 1934871560 80315167 53 2865 3756472752 04549390 03 0185 0517570451 674第3組45322 53 8035 4415565073 105311145 03 8825 9056865875 88716467 53 7035 5076768971 66414390 03 8435 8601370873 557

圖4 3組煤樣沖擊速度與層理傾角情況Fig.4 Impact speed and bedding plane degree of samples

破壞應變隨層理傾角變化情況如圖5(b)所示。3組樣品的破壞應變范圍在540×10-6～720×10-6。可以看出：隨層理傾角的加大，煤樣破壞應變總體也隨之增大，即隨層理傾角增加，樣品破壞逐漸由層理的拉伸破壞向基質和層理的拉剪耦合破壞轉變；而當層理與加載方向垂直時，煤樣破壞主要為基質的拉伸破壞。層理的拉破壞最為容易，樣品破壞應變最小；基質的拉破壞最為困難，因此樣品破壞應變相對較大。同時，平均沖擊速度在3.2 m/s左右時，各層理傾角樣品對應的破壞應變較其它沖擊速度條件下高。該結果說明樣品的破壞應變對于沖擊速度的響應明顯高于對樣品內層理傾角變化的響應。

圖5 煤樣動態拉伸破壞參數與層理傾角間的關系Fig.5 Relationship between the dynamic tensile properties and bedding plane angle in coals

圖5(c)為應變率與層理傾角的關系曲線。可以看出：當沖擊速度較高時(平均速度約3.8 m/s)，層理傾角對煤樣應變率的影響并不明顯。當沖擊速度較低時(平均速度約3.2和2.6 m/s)，應變率隨層理傾角波動變化；且當層理傾角為22.5°時，應變率則為同沖擊速度下的其它層理傾角對應應變率中最大值，說明此時樣品最易破壞；而當層理傾角為90°時，應變率則相對最低，說明樣品相對較難劈裂。

2.3 動態拉伸破壞過程分析

圖6中,左側3列為沖擊試驗條件下不同層理傾角下煤樣動態破壞過程高速相機拍攝圖，右側3列圖則為對應的樣品動態劈裂位移場演化數字散斑結果。

綜合分析30個煤樣的動態劈裂過程發現：樣品內層理傾角對于動載條件下煤樣劈裂過程有明顯影響。當層理垂直和平行于入射方向時，樣品破壞主要為沿加載方向的拉伸劈裂；而當層理與入射方向成一定夾角時(非垂直或平行)，樣品內除沿入射方向的拉伸劈裂外，沿層理方向的剪切破壞也較為明顯，即基質的拉伸破壞和層理的剪切破壞相互伴生。同時，在沖擊荷載作用下煤樣中裂紋啟裂多沿入射方向，而后在試件與輸入桿和輸出桿接觸位置附近萌生出多條微裂紋，隨后微裂紋匯聚、貫穿形成最終破裂面。同時，隨著試樣變形的逐漸加大，試樣在層理處逐漸開裂，進而形成最終的破裂面。

需要注意的是,由于層理面影響，裂紋的擴展路徑并不光滑，煤樣會沿層理面逐漸剝離和分解。

圖6 不同層理傾角時煤樣沖擊劈裂破壞過程及拉應變數字散斑分析結果Fig.6 Dynamic split failure process of coal samples with various bedding plane angle and tensile strain distribution

分析數字散斑法提取的試樣表面拉伸應變場可發現：樣品內拉應變改變是從入射端附近區域逐漸向輸出端方向擴展。最后在圓盤內沿入射方向附近形成帶狀拉應變集中區。然而，拉應變集中區在層理的影響下并非沿入射方向直線演化。因此，層理對試樣的動態變形具有直接影響，當然隨著加載速度的增大，層理的影響將有所降低；而在本試驗所對應的沖擊速度范圍內，層理對煤樣沖擊破壞的影響仍不容忽視。本試驗不僅證實了層理對煤巖沖擊破壞特征的影響，也說明了數字散斑技術可有效地分析煤樣高速破斷過程中裂紋形成和擴展區域的全場位移變化情況，為類似試驗研究提供了參考。

3 結 論

(1)煤樣動態抗拉強度隨沖擊速度的增加而增強；沖擊速度在2～4 m/s范圍內每增加0.5 m/s，煤樣的動態抗拉強度升高10%～20%。但隨沖擊速度增加，動態抗拉強度的增加幅度明顯變緩。破壞應變在沖擊速度為3.5 m/s時達到最大值，隨后隨沖擊速度的增加而降低。應變率隨沖擊速度增加表現出波動上升的趨勢。

(2)煤樣動態抗拉特性對于沖擊速度的響應明顯高于對樣品內層理傾角變化的響應。在沖擊速度相近或相同且層理與沖擊方向垂直時，其動態抗拉強度相對較大；而層理傾角為22.5°時，樣品動態抗拉強度則相對較小。隨層理傾角的加大，煤樣破壞應變總體也隨之增大，即隨層理傾角增加，樣品破壞逐漸由層理的拉伸破壞向基質和層理的拉剪耦合破壞轉變；而當層理與加載方向垂直時，煤樣破壞則主要為基質的拉伸破壞。當沖擊速度較高時，層理傾角對煤樣應變率的影響并不明顯。

(3)沖擊荷載作用下煤樣劈裂過程中裂紋啟裂多沿入射方向，先在試件與輸入桿和輸出桿接觸位置附近萌生出多條微裂紋，隨后微裂紋匯聚、貫穿形成最終破裂面，受層理面影響，裂紋的擴展路徑并不光滑。層理對試樣的動態變形具有直接影響，當然隨著加載速度的增大，層理的影響將有所降低。

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DynamicsplittensiletestofBraziliandiscofcoalwithsplitHopkinsonpressurebarloading

ZHAO Yi-xin1,2,XIAO Han2，HUANG Ya-qiong2

(1.StateKeyLaboratoryofCoalResourcesandSafeMining，ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing)，Beijing100083，China;2.SchoolofMechanicsandCivilEngineering，ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing)，Beijing100083，China)

In order to study the tensile failure characterization of coal under impact loading,the split Hopkinson pressure bar was applied in the test of dynamic Brazilian disc split tension test of coals.The effects of impact velocity and bedding plane in the coals on the dynamic failure parameters,such as tensile strength,failure strain and strain rate,were discussed.A high speed camera and the Digital Speckle Correlation Method were used to analyze the dynamic failure process of coal samples.It is found that there are great effects of impacting speed and bedding plane of coal on the dynamic tensile failure features.With the increase of impacting speed,the dynamic tensile strength raises,but the rate of increase reduces.The failure strain reaches the maximum value as the impacting speed equal to 3.5 m/s.Moreover,at the almost same impacting speed and as the bedding plane of coal vertical to the loading direction,the failure strain is almost the maximum,but the strain rate reaches the minimum value.However,the dynamic tensile strengthfluctuates with the change of bedding plane.The split tensile failure dominate the failure process of coal as the bedding plane in coals vertical or parallel to the impact direction.In other directions of bedding plane,the tension-shear failure model was observed.

split Hopkinson pressure bar;coal;dynamic tensile;layers;digital speckle correlation method

10.13225/j.cnki.jccs.2013.2011

國家重點基礎研究發展計劃(973)資助項目(2010CB226801)；國家自然科學基金資助項目(51174213)；新世紀優秀人才支持計劃資助項目(NCET-10-0775)

趙毅鑫(1977—)，男，河北樂亭人，副教授。Tel:010-62339851,E-mail:zhaoyx@cumtb.edu.cn

TD315

A

0253-9993(2014)02-0286-06

趙毅鑫，肖 漢,黃亞瓊.霍普金森桿沖擊加載煤樣巴西圓盤劈裂試驗研究[J].煤炭學報,2014,39(2):286-291.

Zhao Yixin,Xiao Han,Huang Yaqiong.Dynamic split tensile test of Brazilian disc of coal withsplit Hopkinson pressure barloading[J].Journal of China Coal Society,2014,39(2):286-291.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.2011