不同沖擊荷載作用下粉砂巖動力學(xué)特性試驗研究

崔 衡 （安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001）

1 引言

目前煤礦巖石巷道的施工以鉆爆法為主，在此過程中爆破應(yīng)力波的動態(tài)沖擊還有機(jī)械的應(yīng)力擾動嚴(yán)重威脅著采礦安全。巖體開挖的瞬態(tài)卸載過程是一個典型的動力學(xué)過程，所以了解巖石的破壞過程及破壞機(jī)理，對于研究煤礦巷道圍巖穩(wěn)定性具有深遠(yuǎn)的理論意義和重要的實(shí)用價值。諸多研究人員利用霍普金森壓桿系統(tǒng)對巖石在動荷載作用下的力學(xué)特性和破壞模式進(jìn)行了一系列研究。李成杰等采用分離式霍普金森壓桿（SHPB）對預(yù)制裂隙煤巖組合進(jìn)行沖擊壓縮試驗，探討了不同裂縫組合的能量演化特征，分析了裂縫位置和傾角對組合裂縫分形維數(shù)的影響。林大能在壓力試驗機(jī)上模擬沖擊載荷，測試了大理巖試件沖擊后的軸向超聲波波速，描述了試件的損傷程度隨超聲波波速的變化，得出了大理巖石試件的沖擊損傷程度與圍壓大小、荷載脈沖大小和沖擊次數(shù)的關(guān)系。張雨菲分析了節(jié)理巖石在動態(tài)荷載加載下的節(jié)理面粗糙節(jié)理，分析得出試樣在多次加載情況下，波形圖表現(xiàn)出透射波幅值降低的現(xiàn)象，認(rèn)為應(yīng)力波在節(jié)理處的透射能力的削弱與節(jié)理面出現(xiàn)的損傷現(xiàn)象有關(guān)。本文以煤礦開采用最常見的粉砂巖為研究對象，巖樣取自皖北礦區(qū)某礦地下440m深度開挖出的巖石。采用電鏡掃描（SEM）和XRD進(jìn)行靜態(tài)力學(xué)試驗，并利用霍普金森壓桿施加沖擊荷載研究不同沖擊荷載作用下粉砂巖石動力學(xué)特征。

2 試驗材料及試驗裝置

2.1 試樣的制備

從地下巖層取出的天然粉砂巖石，經(jīng)取芯、切割、端面打磨等一系列試驗流程。根據(jù)已有的研究成果將巖石制成H25mm×R50mm的試塊。并將試塊端面水平控制在0.4%之內(nèi)，這樣端面不平行對動態(tài)應(yīng)力的結(jié)果的影響較小；最大動態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度測試誤差可忽略不計。

為了檢驗試樣精度，采用精度為0.02 mm的游標(biāo)卡尺、精度為0.01 g的電子秤和波速儀CE—9201對試樣長度、直徑、質(zhì)量和縱波波速等相關(guān)物理參數(shù)進(jìn)行測定，并統(tǒng)計出平均值。

圖1 試驗材料

2.2 試驗裝置

試驗所采用的霍普金森壓桿系統(tǒng)簡化示意圖見圖2所示。

圖2 霍普金森壓桿系統(tǒng)簡化示意圖

圖2為高壓氮?dú)夂蛪毫φ{(diào)節(jié)裝置組成的動力系統(tǒng)。壓桿系統(tǒng)由沖擊子彈、撞擊桿：0.6m；入射桿：2.4m；透射桿：1.2m組成。以上三種桿合金鋼制成密度為7.8 g/cm，其彈性模量為210 G pa，縱波波速為5190 m/s。

2.3 試驗原理

基于一維假定及均勻性假定的測試數(shù)據(jù)處理方法（即三波法）被廣泛應(yīng)用于各種材料測試的結(jié)果處理，其公式如下：

上式中C、E、A為壓桿的彈性波波速、彈性模量及截面積。L、AS為試件的長度及截面積；

ε

、

ε

、

ε

分別為測得的入射波、反射波及透射波；v為質(zhì)點(diǎn)速度，下標(biāo)1、2分別表示試塊的入射端和透射端；t為時間。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 試驗材料微觀成分分析

為更好地了解材料的屬性，作者利用XRD對試驗材料粉砂巖的組成成分進(jìn)行探究，實(shí)驗結(jié)果見圖3所示。

圖3 巖石組成成分

從圖3中可以看出所取巖石的主要成分是石英（Quartz-sio）、高砱石（Kaolinite-AlSiO（OH））還有珍珠高嶺石（Nacrite-AlSiO），占比分別為39.2%、41.5%、16.3%，占總數(shù)的97%。

3.2 SHPB沖擊試驗結(jié)果分析

3.2.1 試驗材料基本參數(shù)

為尋找合適的氣壓，對巖體采用0.2、0.25、0.3、0.35、0.4 MPa五種沖擊氣壓進(jìn)行試沖，由于粉砂巖在0.4MPa沖擊氣壓時已嚴(yán)重破碎，所以僅對上述前四種氣壓進(jìn)行試驗。并確保了每種氣壓均進(jìn)行了三次及以上的正式試驗，為保證試塊與壓桿緊密接觸，在試塊兩端涂抹凡士林。

不同速度的撞擊器對巖樣進(jìn)行撞擊實(shí)驗，得出的成功實(shí)驗樣本中選取4組加載得到的各實(shí)驗參數(shù)，如下表所示。

3.2.2 粉砂巖動態(tài)應(yīng)力——應(yīng)變曲線分析

不同沖擊氣壓下粉砂巖的應(yīng)力——應(yīng)變曲線，如圖4所示。

圖4 不同沖擊荷載下粉砂巖應(yīng)力——應(yīng)變曲線

從圖4中可以看出，粉砂巖試塊的峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變隨著沖擊氣壓的增加而變大。當(dāng)沖擊氣壓為0.35MPa時，粉砂巖試樣的峰值應(yīng)變?yōu)?.0067，峰值應(yīng)力為63.10 MPa，表現(xiàn)為粉砂巖試樣的塑性增加。因為在較大沖擊荷載作用下試塊在內(nèi)部生成了更多的細(xì)裂縫，試塊的破壞形式從較為完整的大碎塊逐漸變成小塊甚至粉碎狀態(tài)，隨著試樣的破壞狀態(tài)變得明顯，吸收的能量變多。同時，從圖4的應(yīng)力——應(yīng)變曲線線形變化趨勢可以得出：

①粉砂巖的應(yīng)力——應(yīng)變曲線可分為彈性階段、裂縫擴(kuò)展、塑性變形和破壞四個階段，在初始彈性階段隨應(yīng)變增加應(yīng)力表現(xiàn)為快速線性增加，且在初始彈性階段曲線基本重合，即粉砂巖的初始彈性模量對應(yīng)變率不敏感。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到20MPa時，則表現(xiàn)出明顯的差異性，隨著沖擊氣壓的逐漸增大，試件的應(yīng)變率在不斷增加，并且增速也隨之變大；

②另外，在較低氣壓下未被嚴(yán)重破壞，峰后應(yīng)變一般都是先增大后減小，說明試塊在變形后期仍然具有一定的回彈，在0.2MPa時表現(xiàn)尤為明顯。在0.35MPa時基本沒有回彈，說明試塊被完全破壞。0.3MPa的氣壓下應(yīng)力——應(yīng)變曲線出現(xiàn)反常。針對此現(xiàn)象，為研究造成這一現(xiàn)象的原因，取試塊利用SEM（掃描電鏡）再次進(jìn)行試驗。

3.3 SEM（掃描電鏡）結(jié)果分析

在電子顯微鏡不同倍率下，電鏡掃描的結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同倍率下的電鏡掃描顯示

不同沖擊荷載下巖樣的破碎強(qiáng)度和能量參數(shù)

由圖5結(jié)果顯示巖體內(nèi)表面不平整，呈鱗狀分布。在2000倍率下能明顯看出有原生裂隙，裂隙較長基本覆蓋取樣的試塊。由此分析認(rèn)為0.3MPa反常的原因是試塊內(nèi)部原生裂隙的存在。

4 結(jié)論

①該礦巷道層位圍巖主要成分為石英（Quartz-sio）、高砱石（Kaolinite-AlSiO（OH））和珍珠高嶺石（Nacrite-AlSiO），占比分別為 39.2%、41.5%、16.3%，占總成分的97%。

②粉砂巖的受力破壞分為彈性階段、裂縫拓展階段、塑性變形階段和破壞四個階段。

③粉砂巖的動態(tài)峰值應(yīng)力與沖擊氣壓呈正相關(guān)變化趨勢。

④粉砂巖在較低氣壓下未被完全破壞時，峰后應(yīng)變一般都是先增大后減小。