沖擊荷載作用下煤巖動(dòng)力特性試驗(yàn)研究

張嘉凡，高 壯，程樹范，張慧梅

（西安科技大學(xué) 力學(xué)系，陜西 西安710054）

煤與瓦斯突出和沖擊地壓是常見的煤巖動(dòng)力災(zāi)害，且均在極短時(shí)間內(nèi)發(fā)生，這類安全隱患嚴(yán)重制約著煤礦安全高效開采[1-2]。爆破是煤礦開采中必備的動(dòng)力破巖手段，爆破過程中產(chǎn)生高應(yīng)變率的沖擊荷載是煤與瓦斯突出和沖擊地壓發(fā)生的誘因之一。因此，研究煤巖沖擊荷載作用下的動(dòng)態(tài)特性對(duì)于預(yù)防煤礦動(dòng)力災(zāi)害事故具有重要的意義。

Costantino[3]和Kleplaczko[4]分別對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)和沖擊載荷作用下煤巖體的力學(xué)特性進(jìn)行了研究；尹土兵等[5]研究了在沖擊荷載作用下不同溫度處理后的煤巖物理力學(xué)性質(zhì)；劉保縣[6]通過單軸壓縮及聲發(fā)射試驗(yàn)得到了煤巖的損傷演化規(guī)律；袁梅[7]利用自主研制的三軸滲透儀進(jìn)行了三軸滲流試驗(yàn)，研究了瓦斯壓力對(duì)煤層滲透率的影響；劉曉輝[8]對(duì)煤巖進(jìn)行了不同應(yīng)變率下的沖擊壓縮試驗(yàn)，從能量的角度分析了煤巖的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性；解北京[9]利用φ75mm 的大直徑SHPB 實(shí)驗(yàn)裝置開展了層理原煤試樣和砂巖試樣的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，得到了層理對(duì)煤巖沖擊破壞力學(xué)特性的影響；劉少虹[10]通過改進(jìn)的SHPB 裝置研究了一維動(dòng)靜組合加載下煤巖的強(qiáng)度特征，認(rèn)為煤巖體結(jié)構(gòu)特性增強(qiáng)了煤層對(duì)動(dòng)靜載荷的抵抗能力；潘俊鋒[11]研究了不同沖擊傾向度對(duì)煤巖動(dòng)靜組合力學(xué)特性的影響。

采用應(yīng)力加載系統(tǒng)和分離式霍普金斯壓桿裝置分別對(duì)煤巖進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)單軸壓縮和沖擊壓縮試驗(yàn)，研究煤巖在靜載和動(dòng)載作用下的變形破壞特征，分析煤巖彈性模量、動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度及峰值應(yīng)變隨沖擊荷載的變化規(guī)律，從煤巖的動(dòng)力學(xué)本質(zhì)特性揭示其破壞機(jī)理，為防治煤礦動(dòng)力災(zāi)害提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試樣采集及制備

試驗(yàn)所需煤巖試樣采自陜北神木某礦，為確保試驗(yàn)的可靠性，減小煤巖試件物理力學(xué)性質(zhì)上的離散性，試樣均取自同一塊完整的煤巖樣本，煤巖樣本如圖1。

圖1 煤巖樣本Fig.1 Sample of coal rock

根據(jù)GB/T 23561.7—2009《煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)定方法》規(guī)定，將新鮮采集的煤巖樣本制成φ50 mm×100 mm 和φ50 mm×25 mm 2 種標(biāo)準(zhǔn)試件，共計(jì)18 個(gè)，擬分別進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)單軸壓縮試驗(yàn)和SHPB 沖擊試驗(yàn)。按照規(guī)范要求，利用JKSHM-200S程控雙端面磨石機(jī)對(duì)煤巖試件的端面進(jìn)行打磨，使煤巖試件平行度小于0.05 mm，從而消除試驗(yàn)誤差。試件加工完成后進(jìn)行編號(hào)，煤巖試件如圖2。

1.2 試驗(yàn)方案

準(zhǔn)靜態(tài)下的單軸壓縮試驗(yàn)在西安科技大學(xué)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)力加載系統(tǒng)上完成。應(yīng)力加載系統(tǒng)由DNS200 電子萬能試驗(yàn)機(jī)和力學(xué)參數(shù)采集儀組成，加載方式采用位移控制，加載速率為0.05 mm/min，數(shù)據(jù)采集頻率為1 Hz，一般情況下煤巖試件破壞時(shí)長在20～40 min 之間。

圖2 煤巖試件Fig.2 Coal rock specimen

本次SHPB 沖擊壓縮試驗(yàn)采用1.2 mm 厚度的紫銅片濾波，去除高頻信號(hào)，以保持應(yīng)變率穩(wěn)定，在入射桿距離試件65 cm 和透射桿距離試件40 cm處粘貼電阻應(yīng)變計(jì)，采用超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀采集電壓信號(hào)。將加工好的沖擊壓縮試件分為5 組，每組3 個(gè)，采用分離式霍普金森壓桿裝置（圖3），通過控制沖擊氣壓完成對(duì)煤巖試件在不同應(yīng)變率下的沖擊壓縮試驗(yàn)。試驗(yàn)所用沖擊氣壓分別為0.25、0.30、0.35、0.40、0.45 MPa，利用激光測(cè)速儀測(cè)得對(duì)應(yīng)的沖擊速度分別為1.98、2.45、3.0、3.56、4.19 m/s，根據(jù)應(yīng)變片所采集到的應(yīng)變信號(hào)，通過三波法[12]對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理可得到平均應(yīng)變率分別為79.78、84.36、98.05、119.22、135.85 s-1。

圖3 分離式霍普金斯壓桿裝置Fig.3 Split Hopkinson presser bar

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 煤巖破壞形態(tài)

煤巖靜載作用下的破壞特性與動(dòng)態(tài)破壞特性有明顯的區(qū)別，靜載作用下試件表現(xiàn)為單一裂紋破壞形式，即只存在1 條主導(dǎo)的破壞裂紋；動(dòng)載作用下則為多裂紋破壞形式，同時(shí)有多條裂紋貫穿，且沖擊速度越大，貫穿裂紋越多，破碎越嚴(yán)重。不同應(yīng)變率下煤巖試件破壞形態(tài)如圖4。

圖4 不同應(yīng)變率下煤巖試件破壞形態(tài)Fig.4 Failure modes of coal and rock under different strain rates

由圖4 可以看出，當(dāng)應(yīng)變率為79.78 s-1時(shí)，試件出現(xiàn)Y 型破壞裂紋，試件較為完整，沒有發(fā)生整體破碎；當(dāng)應(yīng)變率為84.36 s-1時(shí)，試件被進(jìn)一步壓碎，沿軸向發(fā)生劈裂破壞，碎塊較大；當(dāng)應(yīng)變率為98.05 s-1和119.22 s-1時(shí)，碎塊越來越多且伴有一些粉末狀煤渣，但都存在粒徑明顯較大的碎塊；在應(yīng)變率為135.85 s-1時(shí)，試件破碎程度最為嚴(yán)重，由于應(yīng)變率高，沖擊能量大，沖擊波持續(xù)時(shí)間長，粒徑較大的煤塊也被壓碎，屬于整體壓碎破壞。從破壞特征來看，煤巖試件先碎成大塊，隨著應(yīng)變率的增加，碎塊被進(jìn)一步壓碎，粒徑不斷變小且塊數(shù)越來越多，最終破碎為粉末，表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變率效應(yīng)。

分析認(rèn)為，在靜態(tài)加載時(shí)，應(yīng)力與應(yīng)變同步變化，隨著荷載的增加，試樣薄弱處首先開裂，在裂紋尖端開始出現(xiàn)應(yīng)力集中，同時(shí)導(dǎo)致周邊應(yīng)力減小，限制了其他裂紋的有效開展，形成1 條主裂紋；而高應(yīng)變率加載條件下，在單一缺陷及其周圍應(yīng)力降低的區(qū)域，由于撞擊桿沖擊速度快但應(yīng)變傳播速度過慢，來不及阻止其他小的缺陷或者亞缺陷被激活，從而出現(xiàn)了多條主要裂紋。

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線特性

靜載作用下煤巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5。由圖5可以看出，靜載作用下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線大致可分為4 個(gè)階段：壓密階段、裂隙穩(wěn)定發(fā)展階段、微裂紋擴(kuò)展階段和失穩(wěn)破壞階段。初始加載時(shí)，煤巖試件內(nèi)部原生裂隙閉合，顆粒間接觸面積增大，試件逐漸被壓實(shí)；在經(jīng)過裂隙穩(wěn)定發(fā)展階段后，試件內(nèi)部形成了微裂紋，其局部承載能力在下降，但整體承載能力在上升；應(yīng)力達(dá)到峰值后，煤巖試件開始進(jìn)入失穩(wěn)破壞階段，隨著應(yīng)變?cè)黾樱瑧?yīng)力急速下降，試件被完全壓壞。

圖5 靜載作用下煤巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Stress-strain curve of coal rock under static load

不同應(yīng)變率下煤巖動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6。由圖6 可知，煤巖動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線大致可分為3個(gè)階段：線彈性階段、裂紋擴(kuò)展階段和塑性軟化階段。在線彈性階段，當(dāng)應(yīng)變率為79.78 s-1時(shí)彈性模量為1.193 GPa，應(yīng)變率為135.85 s-1時(shí)彈性模量為2.253 GPa，彈性模量增幅為88.8%，表現(xiàn)出較強(qiáng)的率相關(guān)性；在裂紋擴(kuò)展階段，當(dāng)應(yīng)變率為79.78 s-1時(shí)峰值應(yīng)力為11.95 MPa，應(yīng)變率為135.85 s-1時(shí)峰值應(yīng)力為26.59 MPa，峰值應(yīng)力增幅為114.1%，表現(xiàn)出很強(qiáng)的率相關(guān)性；而應(yīng)變率為79.78 s-1時(shí)峰值應(yīng)變?yōu)?.57×10-3，應(yīng)變率為135.85 s-1時(shí)峰值應(yīng)變?yōu)?.96×10-3，峰值應(yīng)變?cè)龇鶠?0.9%，相對(duì)于峰值應(yīng)力與峰值應(yīng)變，表現(xiàn)出相對(duì)較弱的率相關(guān)性；在塑性軟化階段，當(dāng)應(yīng)變率較低時(shí)，應(yīng)變先增大后減小，有明顯的回彈現(xiàn)象，這種現(xiàn)象表明煤巖試件在被沖擊破壞后并沒有嚴(yán)重破碎，保持了一定的完整性，在加載后期還有一定的反彈；而當(dāng)應(yīng)變率較高時(shí)，沒有出現(xiàn)回彈現(xiàn)象，說明煤巖試件已經(jīng)完全破碎從兩側(cè)飛移，此分析結(jié)果與圖4 中煤巖試件破壞形態(tài)相對(duì)應(yīng)。可見，煤巖的動(dòng)力學(xué)特性決定了其破壞形態(tài)，均表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變率效應(yīng)，因此通過合理設(shè)計(jì)煤巖爆破參數(shù)可提高煤炭塊煤率實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高效開采。

圖6 不同應(yīng)變率下煤巖動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Dynamic stress-strain curves of coal rock under different strain rates

通過圖5 與圖6 對(duì)比分析，可以看出，靜載作用下煤巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線有明顯的壓密階段，而煤巖動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線壓密段缺失，從曲線上看是直接進(jìn)入線彈性階段的。分析認(rèn)為，煤巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在動(dòng)態(tài)加載下，由于沖擊速度過快，煤巖試件孔隙、裂隙、顆粒間距等缺陷閉合壓實(shí)時(shí)間過短而導(dǎo)致的。

2.3 應(yīng)變率效應(yīng)

不同的沖擊氣壓下產(chǎn)生不同的沖擊速度，所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變率也存在差異，應(yīng)變率與沖擊速度的變化關(guān)系如圖7。

圖7 應(yīng)變率與沖擊速度的變化關(guān)系Fig.7 The relationship between strain rate and impact speed

從圖7 可以看出，煤巖試件的應(yīng)變率隨著沖擊速度的增加而增加，近似二次多項(xiàng)式增長規(guī)律，具有較強(qiáng)的相關(guān)性，其表達(dá)式為：

式中：ε˙為平均應(yīng)變率；v 為沖擊速度。

因此可通過設(shè)計(jì)沖擊速度控制應(yīng)變率的大小，為煤炭開采參數(shù)的選取提供依據(jù)。

彈性模量與應(yīng)變率的變化關(guān)系如圖8。

由圖8 可知，彈性模量與應(yīng)變率近似呈線性增長關(guān)系，其表達(dá)式為：

式中：E 為彈性模量；ε˙為應(yīng)變率。

圖8 彈性模量與應(yīng)變率的變化關(guān)系Fig.8 The relationship between elastic modulus and strain rate

動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度與應(yīng)變率的變化關(guān)系如圖9。

圖9 動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度與應(yīng)變率的變化關(guān)系Fig.9 The relationship between dynamic compressive strength and strain rate

由圖9 可知，動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度與應(yīng)變率近似呈線性分布關(guān)系，表現(xiàn)出較強(qiáng)的相關(guān)性，其表達(dá)式為：

式中：σb為煤巖試件的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度。

峰值應(yīng)變與應(yīng)變率的變化關(guān)系如圖10。

圖10 峰值應(yīng)變與應(yīng)變率的變化關(guān)系Fig.10 The relationship between peak strain and strain rate

從圖10 可以看出，峰值應(yīng)變與應(yīng)變率近似呈指數(shù)分布關(guān)系，其表達(dá)式為：

式中：εb為峰值應(yīng)變。

3 結(jié) 論

1）靜載下，煤巖試件表現(xiàn)為單一裂紋破壞形式；動(dòng)載下低應(yīng)變率時(shí)，試件呈現(xiàn)Y 型破壞，能保留較完整碎塊，隨著應(yīng)變率的增大，多條裂紋相互貫通，碎塊進(jìn)一步被壓碎，最終碎成粉末。

2）隨著應(yīng)變率的增加，彈性模量和峰值應(yīng)力增幅明顯，分別為88.8%和114.1%，表現(xiàn)出較強(qiáng)的率相關(guān)性，峰值應(yīng)變?cè)龇鄬?duì)較低，其值為60.9%，表現(xiàn)出稍弱的率相關(guān)性。

3）煤巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在動(dòng)載作用下，撞擊桿加載速度過快，煤巖試件內(nèi)部孔隙、裂隙、顆粒間距等缺陷閉合壓實(shí)時(shí)間過短，宏觀上表現(xiàn)為應(yīng)力-應(yīng)變曲線壓密段缺失。