沖擊加載下煤巖破碎塊度與能耗關系的試驗研究＊

2014-11-26 12:12:42劉曉輝劉建鋒

中國煤炭 2014年6期

劉曉輝張茹劉建鋒

(1.西華大學能源與環境學院，四川省成都市，610039；2.四川大學水利水電學院，四川省成都市，610065)

煤巖破碎是煤礦開采過程中最基本的過程，是爆炸沖擊波與應力波和爆生氣體共同作用的結果。不同開采速度、開采方式下，煤巖的破碎塊度、吸收和釋放能量的多少，對于評價破巖方法、研究破巖機理、決定開采方案以及選礦、采礦是至關重要的，它將直接影響礦產開采的生產效率。加之煤巖在破碎過程中，動、靜態破碎機理有所不同，所產生的破壞形態、破裂特征也存在差異。考慮到在深部開采工程領域中，煤巖1～102s-1應變率段的動力特性的重要性，本文故采用大直徑霍普金森壓桿(SHPB)試驗裝置，以不同沖擊加載速度對煤巖進行沖擊壓縮試驗，意圖弄清其瞬時變化特性和傳播特性，借以探求煤巖破碎塊度、破碎能耗兩者之間的關系，為提高破巖效果提供試驗理論依據。

1 試驗簡介

1.1 煤樣制備

試驗所用煤樣系無煙煤，取自四川省芙蓉白皎煤礦，埋深300～450m，地層為宣威組第二段P2 X2。該區域煤巖礦物除方解石、高嶺石、石英外，還含有非晶態礦物碳、氫、氧等。

將所取煤巖依據煤和巖石物理力學性質測定方法 (GB／T 23561.7-2009)在四川大學水利水電學院巖石制樣室進行加工，制成?50mm×L50mm標準圓柱體，保證煤巖試樣兩端面平行度在0.02mm范圍以內。

1.2 試驗設備

利用中國礦業大學 (北京)?75mm霍普金森壓桿 (SHPB)完成煤巖動態沖擊壓縮試驗。試驗設備中的撞擊桿、輸入桿、輸出桿材質均為35CrMn合金鋼，三者直徑均為50mm，長度分別為400mm、2000mm、2000mm。

1.3 試驗原理

霍普金森動態沖擊試驗是在一定的外加氣壓作用下，將壓桿沖頭以一定的沖擊加載速度與輸入桿發生對心碰撞，然后在輸入桿端產生應力脈沖，該應力脈沖將向前傳播，直至桿件與煤巖接觸界面處發生反射和透射。經過幾次透、反射過程后，在保證一維彈性波傳播和煤巖與兩端面的應力應變達到基本平衡的前提下，利用對稱布置在輸入桿和輸出桿上的半導體應變片，結合TST3000動態測試儀，測量入射波、反射波和透射波的波形曲線和各時間歷程所對應的電壓值。

然后將該試驗電壓數據進行透、反射波的電壓值標定，求出入射波εi、反射波εr和透射波εt。

再依據SHPB基本公式，如式 (1)所示，利用波的應變值，確定煤巖試樣的動態應力σ、應變ε和應變率˙ε。

式中:σ——煤巖動態應力，MPa；

ε——煤巖動態應變；

——煤巖動態應變率，s-1；

εi、εr、εt——分別為入射波、反射波、透射波應變；

c0——壓桿彈性波速，取5060m／s；

E——壓桿材料的彈性模量，取200GPa；

A——壓桿的橫截面面積，mm2；

A0——煤巖試樣原始橫截面面積，mm2；

l0——煤巖試樣原始長度，mm。

2 煤巖破碎塊度特征

2.1 煤巖塊度分形原理

煤巖在沖擊加載下將發生最終的破碎現象，這種現象被認為是普遍存在的不規則、破碎且具有統計自相似性的現象，對于該現象利用分形幾何法能夠得到較好的分析。

目前，巖體的動力破壞塊度分布函數使用最為廣泛的有泊松分布、正態分布、伽馬分布、Rosin-Rammler分布以及對數正態分布。而其中傳統評價爆破破碎塊度分布函數的是Rosin-Rammler函數:

式中:x——破碎塊體尺寸，mm；

xc——特征尺寸，mm；

n——曲線形狀指數；

y——破碎塊體尺寸小于等于x的累積質量百分比，%。

依據煤巖沖擊破碎后粒度—質量關系確定其煤巖曲線形狀指數，并根據分形原理，確定煤巖破碎塊度的分形維數Dn與曲線形狀指數n的關系為:

因此可以將沖擊加載試驗得到的破碎煤巖按不同尺度范圍，采用篩分方法獲得不同粒組范圍的質量分布特性，然后再利用破碎塊度分布的分形性質及巖石破碎學基本理論得出煤巖破碎塊度分形維數和平均塊度。

煤巖破碎平均塊度的計算:

式中:dm——煤巖破碎平均塊度，mm；

di——煤巖碎塊的塊度，mm；

γi——對應di的篩上碎塊質量累計百分率，%。

2.2 煤巖破碎塊度分析

由式 (2)～ (4)得到煤巖沖擊加載下破壞塊度分布測量數據，如表1所示。從表1可以看出，沖擊加載下的煤巖，其應變率愈大，煤巖沖擊破碎塊度愈小，破碎愈嚴重，破碎數量愈多。

表1 煤巖沖擊壓縮試驗破壞后碎塊分布測量數據

為進一步分析煤巖沖擊加載后平均塊度與分形維數、應變率的關系，繪制圖1和圖2，發現破碎塊度的分形維數能夠定量地反映材料破碎的程度。分形維數愈大，應變率愈大，平均塊度愈小，破碎塊數愈多，體積愈小，破碎程度愈高；分形維數小的煤巖，所受應變率較小，塊數少，平均塊度大，破碎程度低。

圖1 平均塊度與分形維數關系曲線

圖2 平均塊度與應變率關系曲線

3 煤巖破碎能耗特征

3.1 煤巖破碎能耗原理

煤巖的破碎過程是其內部缺陷不斷萌生發育、擴展、聚集和貫通的最終結果，是一個從細觀損傷發展到宏觀破碎的過程，是能量耗散的過程。

霍普金森桿應力波所攜帶的能量計算:

式中:W——3種應力波所攜帶的能量，J；

A0——輸入與輸出桿的橫截面，mm2；

ρ0c0——桿的波阻抗，g／cm3·m／s；

σ(t)——桿的脈沖應力值，MPa。

在SHPB動態沖擊過程中，煤巖能量耗散可以利用破碎能耗Wd、能量耗散率N和能耗密度ed來表征:

式中:Wd——破碎能耗，J；

N——能量耗散率，%；

ed——能耗密度，J／cm3；

Wi、Wr、Wt——分別為入射能、反射能和透射能，J；

V——煤巖體積，mm3。

3.2 煤巖破碎能耗分析

依據霍普金森桿動態沖擊試驗數據，由式 (5)和式 (6)得到煤巖破碎能耗分析表，見表2。

表2 煤巖破碎能耗分析

利用表2繪制沖擊加載作用下煤巖的入射能、反射能、透射能以及破碎能耗分別與應變率和破碎平均塊度的變化曲線，如圖3所示。從圖3(a)應變率—能量關系曲線中可以看出，隨著應變率的增大，煤巖破碎過程中各能量都線性增大，入射能增長速度最大，反射、透射能增長速度相對較緩；從圖3(b)平均塊度—能量關系曲線可以看出，能量越小，煤巖的平均塊度越大，其變化趨勢基本為線性遞減。因此可以得出，煤巖隨沖擊加載速度的增大，入射、反射、透射能量均增大，煤巖破碎程度越劇烈，破碎塊度越小，破碎能耗越大。