真三軸動靜組合加載飽水煤樣能量耗散特征

宋常勝，王 文，劉 凱，袁瑞甫，張世威，李東印，李化敏，康迎春

(1.河南理工大學 能源科學與工程學院，河南 焦作 454000；2.煤炭安全生產與清潔高效利用省部共建協同創新中心，河南 焦作 454000；3.牛津大學 工程科學系，牛津郡 牛津市OX1 3PJ；4.深圳大學 土木與交通工程學院，廣東 深圳 518060；5.安標國家礦用產品安全標志中心有限公司，北京 100013)

隨著煤礦開采深度和開采強度的增大，沖擊地壓動力災害越來越頻繁，越來越嚴重。研究表明，沖擊地壓發生與煤巖物理力學性質、煤巖所受靜載荷與動載荷等因素有關。煤層注水是防治沖擊地壓的一種主要措施，國內學者較早研究飽水對煤系地層巖石物理力學性質和破壞能量的影響，認為注水軟化顯著改善了能量釋放的均勻性和穩定性，飽水后煤巖儲蓄能量的能力有較大減弱，塑性明顯增強，煤巖動靜組合加載失穩誘發沖擊地壓的應力和能量條件已成為研究的熱點。

李夕兵提出動靜組合加載巖石力學的學術概念，并開展了不同巖石一維、三維動力特性試驗研究。國內外學者采用改造Inston實驗系統、霍普金森壓桿(以下簡稱SHPB)實驗系統等實現巖石動靜組合加載，李夕兵等研發了新型動靜組合加載 SHPB 測試系統，該系統進行了較多煤巖的動力學強度及能量耗散試驗研究。

采用自制沖擊系統、分離式SHPB和改進三維SHPB進行煤巖動靜組合加載試驗，從沖擊應變率、長徑比、靜載、軸壓和含水狀態等角度進行能量耗散特征研究。何滿潮等研究砂巖沖擊巖爆碎屑分形特征，認為改變靜載要消耗較多能量且碎屑更為破碎，改變靜載后碎屑和裂紋分形維數值要高于改變動載波幅。于水生等進行花崗巖動態壓縮試驗，認為應變率隨著能量耗散率的增加而增大，表現為非線性關系，試樣破壞程度隨著單位體積耗散能的增大而增大。吳擁政等分析不同長徑比煤樣能量耗散規律，認為煤樣長徑比越大破碎耗能密度越小，長徑比增加反射能在入射能中的平均占比逐漸增加，透射能平均占比逐漸減小。劉少虹等研究煤巖結構的應力波傳播機制與能量耗散，認為動載能量耗散隨靜載的增大呈先增大后減小的趨勢，靜載為0.50～0.75時，動載耗散能量迅速降低。殷志強等基于巖石能量儲存和釋放特征，提出動靜組合加載條件巖爆傾向性指標，認為在較高軸向靜載作用下，隨沖擊能量的增大試樣破碎能耗特性由釋放能量轉變為吸收能量。馬少森等進行三維動靜組合加載下花崗巖能量耗散試驗，認為軸壓增大時單位體積吸收能逐漸降低，圍壓或應變率增大時單位體積吸收能逐漸升高。李地元等進行預制裂隙花崗巖的動靜組合加載試驗，認為試樣的能量吸收率隨軸壓增大呈先上升后下降，常規靜載軸壓比0.6～0.7 時轉而釋放能量，軸壓越大釋放能量所需的沖擊氣壓越小。王文等研究不同飽水狀態煤樣能量耗散特征，試樣破壞能耗密度隨著飽水時間增長逐漸減小，能耗密度與分形維數增幅均呈正相關。

目前，多數動靜組合加載巖石力學試驗主要關注巖爆或者沖擊發生的力學特征及判據，卻無法定量描述釋放出能量的大小。趙堅和徐松林等設計并研制世界首臺真三軸動靜組合SHPB加載試驗系統，可以真實模擬礦山工程中煤巖三向動靜組合加載的受力環境，真三軸動靜組合加載條件飽水煤樣變形破壞的機理和能量耗散特征還有待深入研究。

鑒于此，利用真三軸動靜組合加載試驗系統進行自然和飽水2種狀態煤樣的壓縮試驗，分析2種狀態煤樣變形破壞過程中能量變化規律及占比特征，研究成果可為解釋動載擾動作用下煤層破壞失穩和防治沖擊地壓災害提供參考。

1 試 驗

1.1 煤樣制備

試驗煤樣取自躍進煤礦二煤層，地點為13250工作面煤壁，煤層埋深594 m。按照要求在井下取出試驗所需的煤塊，尺寸約為200 mm× 200 mm× 200 mm。依據煤樣的尺寸至少為煤樣中晶粒的10倍，室內加工成52 mm×52 mm× 52 mm的立方體，煤樣的垂直度和平行度達到規程要求。篩選出完整性、均質性較好的煤樣，滿足真三軸動靜加載試驗的要求。煤塊和煤樣實物如圖1所示。

圖1 試驗煤樣實物Fig.1 Coal samples in the experiment

1.2 煤樣飽水處理

將篩選煤樣隨機分成2組，自然煤樣的標號為A1-1～A1-5，飽水煤樣的標號為A2-1～A2-5。在飽水處理過程中模擬煤礦井下的環境，相對濕度60%～70%，溫度保持為25 ℃。

自然狀態是指將煤樣放在容器中擱置，如圖2(a)所示，將煤樣放置在容器中帶有孔的隔離板上，隔離板下放置有水，以保持容器中空氣的相對濕度，最大程度還原井下煤層吸收潮濕空氣中的水分，自然靜置7 d。

圖2 煤樣處理方式示意Fig.2 Schematic diagram of coal sample processing method

飽水煤樣是指采用自然吸水法，如圖2(b)所示，煤樣在進行飽水處理前分別進行稱重，然后將煤樣放入容器中，向容器中倒入蒸餾水至煤樣1/4高度，每隔2 h加水一次，直至液面高出煤樣2～3 cm。每浸泡24 h后取出煤樣進行一次稱重，直至前后2次質量變化不超過0.01 g為止，經計算煤樣自然吸水率在3.2%～6.1%。

1.3 試驗設備

真三軸動靜組合加載試驗采用莫納什大學的真三軸動靜組合SHPB系統，試驗系統如圖3所示。該系統能夠實現對巖石、混凝土和煤炭的單軸、兩軸和三軸的靜動組合加載試驗。

該系統總尺寸：水平方向長8 m，水平方向寬5 m，垂直方向高5 m。包括1 個動態加載系統、1 個氣槍和1個圓柱形撞桿，3 個垂直方向上有3 對獨立橫截面為50 mm×50 mm方形鋼桿，3 個液壓缸(壓力達到100 MPa)、1 個堅固的平臺、6 個高強度鋼反作用框架和1 個多通道高速數據采集系統。方形桿在，和方向上正交對齊。沿軸方向，有沖擊桿(1.5 m)、入射桿(2.5 m)、傳輸桿(2.0 m) 、吸收桿(0.5 m)。在和軸方向，使用4根輸出桿(2.0 m)通過液壓缸施加圍壓，并監測輸出波。在試驗過程中，通過2個水平液壓缸和1個垂直液壓缸，在1個立方體煤樣上施加3個相互獨立的正交方向的預靜載，并通過在氣槍中發射撞桿來施加動載荷。在軸方向末端有沖能緩沖裝置，用于吸收傳遞到透射桿的大部分能量，避免透射能量形成反射，影響試驗結果和對試驗設備造成損傷。在真三軸動靜組合SHPB試驗系統中，入射桿墊片與煤樣的接觸面處，能量一部分以反射的形式沿入射桿反向傳遞，另一部分在接觸面沿煤樣傳遞。在煤樣中傳遞的能量又可分為兩部分，一部分為煤樣破壞所吸收的能量，另一部分在煤樣與透射桿和出射桿的接觸面上發生透射和反射，應力波在整個試驗系統中和煤樣中的三維傳播特征如圖4所示，其中，為動載應力；，分別為軸和軸方向施加的預靜載應力；，，，1，2分別為入射應變、反射應變、透射應變、1方向上的應變和2方向上的應變。

圖3 真三軸動靜加載霍普金森沖擊試驗裝置Fig.3 True three-axis static load Hopkinson impact loading experimental device

圖4 真三軸動靜載SHPB桿應力波傳播示意(不按比例，垂直Z軸方向俯視)Fig.4 Schematic diagram of stress wave propagation of SHPB rod under true triaxial dynamic and static load(not in proportion，top view perpendicular to Z axis)

試驗過程中通過多通道高速數據采集系統采集6 根桿件上的應變信號計算應力和能量大小。

1.4 試驗方案

為了設置煤樣在三軸方向靜載，首先分別對自然及飽水煤樣進行常規單軸壓縮試驗。圖5給出了2種狀態下單軸壓縮煤樣應力-應變曲線。自然狀態煤樣的單軸抗壓強度分別為42.09，42.91和43.13 MPa，平均值為42.73 MPa；飽水煤樣的單軸壓縮抗壓強度分別為20.41，20.82和25.32 MPa，平均值為22.18 MPa，平均軟化系數為51.43%。

圖5 自然及飽水煤樣單軸壓縮應力-應變曲線Fig.5 Stress-strain curves of natural and saturatedcoal samples under uniaxial compression

依據常規單軸試驗結果，設計自然及飽水煤樣三軸動靜組合加載試驗方案，見表1。在試驗方案中，和軸分別為8和6 MPa恒定靜載，在軸依次施加2，4，6，8和10 MPa恒定靜載。動靜組合實驗中最大預靜載值為相應狀態煤樣單軸抗壓強度峰值的22.40%和45.09%，可見預加靜載應力處于煤樣的彈性范圍內，不會對煤樣造成損傷。在軸設置0.8 MPa的氣壓推動子彈發射施加動載。

在真三軸動靜組合加載試驗中，首先將煤樣放置在加載臺上，加載臺處于6 根金屬桿正中央，將6 根金屬桿緩慢與煤樣接觸貼緊，三軸末端的液壓缸通過傳力桿向煤樣施加靜載設定值(表1)，三軸方向靜載和動載加載方式如圖4所示。以表1中A1-1煤樣動靜應力狀態(8，2，6 MPa)為例，先以0.1 MPa/s加載速率對三軸方向同時施加靜載2 MPa，再在,軸方向繼續加載靜載至6 MPa，然后在軸方向繼續加載靜載至8 MPa，在保持三軸方向靜載值恒定條件下，通過對入射桿前端撞針施加0.8 MPa氣壓實施沖擊動載，沖擊能量通過入射桿作用于煤樣直至發生失穩破壞。

表1 試驗方案

2 能量分析

2.1 能量計算原理

在動靜組合加載試驗中，煤樣受到三軸方向的靜載作用，預靜載的大小在煤樣的彈性范圍內，靜載做功的能量存儲在煤樣的內部。煤樣施加軸向載荷時的能量密度可根據式(1)進行計算：

(1)

其中，為煤樣在三軸方向中某一點所受軸向應力；d為煤樣在三軸方向中某一點在軸向靜載荷作用下發生的應變。軸向靜載荷作用下煤樣的能量可認為是煤樣在施加靜載過程中的應力-應變曲線與橫軸(應變)形成的封閉區域的面積與煤樣體積之積，即

=

(2)

根據真三軸靜載加載特性，煤樣在軸向施加靜載使得煤樣在同一軸方向兩面受力均勻，因此將煤樣的微小單元簡化為三軸方向的平面問題，在同一軸方向對立面認為受到的切向應力大小相等，方向相反。沖擊動載試驗中僅考慮對煤樣在軸向受到沖擊后的能量吸收、轉換與釋放。圖6為煤樣在試驗過程中三維加載原理。

圖6 真三軸動靜加載系統試驗原理Fig.6 Experimental principle of the true triaxial staticand dynamic combination loading system

根據能量守恒定律，在沖擊加載過程中各部分能量可根據下式進行計算：

(3)

(4)

(5)

其中，為壓桿截面面積；為壓桿的縱波波速；為煤樣密度；()，()和()分別為入射、反射和透射的應力；，和分別為試驗過程中的入射能、反射能和透射能。入射能和無用耗散能量的總量，分別為

=+

(6)

=+T,=,,

(7)

則煤樣在真三軸動靜組合加載下發生破壞時的總吸收能為

(8)

則，煤樣的能耗密度可以表示為

=

(9)

為反映煤樣在沖擊破壞過程中的能量特征，采用各組分能量占總量的權重分析煤樣的能量變化特征，即能量吸收率、反射率，軸方向的透射率和，軸方向的出射率。

=

(10)

=

(11)

=T

(12)

式中，，，分別為能量的吸收率、反射率和透射率。

2.2 能量特征分析

自然及飽水煤樣在三維動靜組合加載下的應力-應變曲線，反映了三維應力狀態下軸靜載變化對煤樣的動態強度及變形的影響，如圖7,8所示。根據自然及飽水煤樣三軸預加靜載壓縮應力-應變曲線，利用靜載能量計算式(1)，(2)，計算出2種狀態下煤樣在三軸不同靜載作用下的靜載能量，見表2。

根據真三軸動靜組合SHPB試驗系統中各桿件應變片上得到的信號數據，利用真三軸動靜組合加載作用下各組能量的計算原理，通過式(3)～(9)和式(10)～(12)計算，得出2種狀態下煤樣在動靜加載試驗過程中各組分能量及占比，見表3，其中，為試樣失穩破壞的能耗密度。

圖7 自然煤樣的動態應力-應變曲線Fig.7 Dynamic stress-strain curves of natural coal samples

圖8 飽水煤樣的動態應力-應變曲線Fig.8 Dynamic stress-strain curves of saturated coal samples

表2 預靜載能量

從表3可以看出，在不同軸靜載加載條件下，煤樣能量損耗和吸能變化特征具有較大差異性；在相同軸靜載加載下，煤樣含水狀態對煤樣能量損耗及吸收特征存在較大影響。因此，需探討軸靜載和含水狀態2個變量對煤樣能量耗散規律的影響。

表3 自然及飽水煤樣動靜加載各組分能量及其占比結果

3 能量耗散規律

圖9，10為自然和飽水煤樣在動態沖擊加載過程中各組分能量隨著時間的變化曲線。在計算時整個系統的總能量包括沖擊入射能和預加靜載能量，其中預加靜載在煤樣彈性范圍內，以彈性能的形式存儲在煤樣中，在整個試驗過程中處于恒定加載狀態，可以認為預靜載能量基本保持不變，而動靜加載過程中煤樣內部發生損傷到完全失穩破壞是靜載和動載共同作用的結果。這里需要說明的是：圖9，10中動態沖擊加載過程各能量是以靜載能量為起點。

3.1 試驗過程中能量的變化特征

自然煤樣的能量變化規律

為了能夠進一步探討軸靜載對煤樣動態力學特性的影響，計算出煤樣在不同軸靜載加載條件下整個試驗過程中能量隨時間變化規律，繪制如圖9所示各組分能量隨著動載應力波作用的全程應力-應變曲線。

圖9 相同動載(0.8 MPa)不同預靜載加載(X，Y，Z)下自然煤樣的能量與時間曲線Fig.9 Energy and time curves of natural coal samples under the same dynamic load(0.8 MPa) and different pre static load(X，Y，Z)

根據圖9中繪制的能量隨時間變化曲線，從軸靜載2 MPa增加到10 MPa，能量大小隨著時間的變化表現出的差異主要體現在沖擊前期，在后期曲線變化特征比較相似。通過對圖9中曲線變化規律差異性較大局部進行放大對比發現，差異性主要表現在不同軸靜載條件下入射能、吸能和反射能大小關系，且各組能量曲線相對于基線的起點不同。

從圖9(a)，(c)和(e)可以看出，當軸靜載為2，6，10 MPa時，在動載沖擊前期，煤樣吸能大于反射能和透射能，圖中吸能基線為靜載能量，當吸能隨著時間不斷增大，表明煤樣在不斷吸收能量，不斷積聚動載帶來的能量，使煤樣在其彈塑范圍內不斷發生變形與損傷產生微觀裂隙，一旦動靜應力達到煤樣極限承載時，煤樣內部微觀裂隙擴展為宏觀裂隙，煤樣承載能力急劇降低，吸能均不斷減少。而從圖9(b)，(d)可以看出，當軸靜載為4和8 MPa時，在動載沖擊前期，除去煤樣在預靜載條件下儲存的能量，煤樣吸能為負值，相對于其他3種軸靜載的加載狀態下，反射能略高于吸能，在軸方向透射能增長趨勢相比較大，表明在這2種加載狀態下，動載擾動使煤樣內部儲存靜載能量失去原有平衡狀態，使煤樣開始釋放部分靜載能量，而釋放的大部分能量以反射能的方式進行反射，只有少部分沿動載沖擊方向發生透射。

在入射能達到峰值后，所有加載狀態下各組分能量大小關系均表現出相似規律。就能量變化趨勢而言，隨著軸靜載增大，反射能和動載沖擊方向的透射能差值逐漸減小，雖然在軸靜載為8 MPa時差值又稍有增大，但是當軸靜載為10 MPa時差值又表現出減小，相對情況下，反射能減小，沖擊方向透射能增大。因此，在試驗結果中，軸加載條件為4和8 MPa時的能量變化規律曲線與其他加載條件下有所不同，不排除由煤樣自身差異導致。

飽水煤樣的能量變化規律

圖10為不同軸靜載加載條件下，飽水煤樣在試驗過程中各組分能量隨著時間的變化特征。

圖10 相同動載(0.8 MPa)不同預靜載加載(X，Y，Z)下飽水煤樣的能量與時間曲線Fig.10 Energy and time curves of water saturated coal samples under the same dynamic load(0.8 MPa) and different pre static load(X，Y，Z)

從圖10可以看出，在不同軸靜載條件下各能量曲線表現出來的規律大致相同，主要差異性表現在沖擊前期，這與自然煤樣的特性相似。采用相同方法對圖10曲線中差異性較大局部進行放大，進行飽水煤樣動靜載加載過程中的入射能、吸能和反射能的分析。在不同預靜載加載狀態下，曲線的相似性表現在動載沖擊前期，相同時間內反射能大于吸能，在軸靜載為10 MPa時，煤樣吸能變化經歷了從大于反射能到小于反射能，但在整體呈現大致相當的現象。

由能量隨著時間的變化規律可以推斷出，煤樣在經過飽水處理后，其彈塑特性發生了變化，使在預靜載加載下煤樣更容易存儲靜載能量。在動載應力波作用下，首先破壞煤樣預靜載的平衡狀態，在高動載應力波作用下煤樣失穩破壞釋放存儲的預靜載能量，沿入射桿和透射桿傳播，呈現動載應力波作用煤樣前期的反射能大于煤樣吸能的現象。隨著動載應力波作用在煤樣上，煤樣反射能逐漸趨于平穩，吸能逐漸大于反射能，呈現增大的現象。在煤樣預靜載加載狀態分別為(8 MPa，4 MPa，6 MPa)和(8 MPa，8 MPa，6 MPa)時，與其他預靜載狀態下能量曲線變化規律差異性較大的是部分時間段反射能大于入射能，且煤樣吸能呈現較大負值。

根據在不同預靜載加載狀態下各組分能量曲線變化特征，煤樣吸能為負值表明能量的釋放，推斷造成部分時間段反射能大于入射能的主要原因是煤樣內部積聚能量大量釋放。在煤樣高預靜載加載狀態為(8 MPa，10 MPa，6 MPa)時，煤樣吸能隨著入射能的增加而增加，且大于反射能，與其他預靜載加載狀態形成較大不同，在動載作用煤樣的中期，反射能大于吸能，隨后小于吸能，能量變化規律與其他預靜載加載條件下表現出相似特征。

因此，煤樣在預靜載狀態分別為(8 MPa，2 MPa，6 MPa)，(8 MPa，4 MPa，6 MPa)，(8 MPa，6 MPa，6 MPa)和(8 MPa，8 MPa，6 MPa)時，預靜載的加載使煤樣變形處于煤樣內部裂隙未完全壓縮前的彈性變形，而煤樣高預靜載加載狀態為(8 MPa，10 MPa，6 MPa)時，預靜載的加載使煤樣變形處于煤樣內部裂隙進一步壓縮后的彈性變形。

3.2 各組分能量的變化特征

2種含水狀態煤樣及不同預靜載加載狀態下，各組分能量在煤樣內的傳遞效率存在較大差異。從能量變化角度直觀反映了煤樣狀態對能量的損耗特點；從整體強度角度間接反映了煤樣從加載到失穩破壞過程中的受力特征。各組分能量的傳遞效率能夠從細觀角度反映煤樣在不同狀態下的整體特征。圖11為2種含水狀態煤樣能量反射率、透射率和吸收率的占比與軸方向靜載的關系。

圖11 自然及飽水煤樣在不同預靜載條件下對各組分能量傳遞效率的影響特征Fig.11 Influence characteristics of natural and water saturated coal samples on energy transferefficiency of each component under different preload conditions

從圖11可以看出,2種含水狀態煤樣的各組分能量占比具有較大差異，自然煤樣能量吸收率在3者中占比最大，反射率次之，透射率最小；飽水煤樣能量反射率在3者中占比最大，吸收率次之，透射率最小。兩幅圖的相同點是能量透射率占比最小，最大不同點是自然煤樣能量吸收率大于反射率，飽水煤樣能量反射率大于吸收率，但在軸靜載為10 MPa時與自然煤樣表現出相似的特征。

為了分析軸靜載和含水狀態對煤樣的能量變化的影響，圖12給出了2種含水狀態煤樣相同靜載動態沖擊載荷作用下煤樣反射率、透射率和吸收率的關系；圖13給出了2種含水狀態煤樣不同軸靜載加載狀態下煤樣反射率、透射率和吸收率的關系。

靜載加載條件的影響

當僅考慮含水狀態對煤樣能量傳遞效率的影響，從圖12(a)看出,在相同軸靜載作用下飽水煤樣的能量反射率明顯高于自然煤樣，高出幅度17.25%～37.04%。從圖12(b)可以看出,含水狀態對動靜沖擊載荷下煤樣能量透射率的影響較為復雜，在軸靜載為2 MPa時，自然和飽水煤樣能量透射率大致相當；在軸靜載為4和10 MPa時，自然煤樣能量透射率大于飽水煤樣，分別為50.30%和19.18%；在軸靜載為6和8 MPa時，飽水煤樣能量透射率大于自然煤樣，分別為30.94%和34.17%，表明當三軸靜載應力相近時對動靜沖擊作用下煤樣能量透射率影響明顯。

圖12 自然及飽水煤樣在不同Y軸靜載條件下各組分能量的傳遞效率Fig.12 Energy transfer efficiency of each component of natural and water saturated coal samples underdifferent Y-axis static load conditions

圖13 煤樣狀態對各組分能量傳遞效率的影響特征Fig.13 Influence characteristics of coal sample state on energy transfer efficiency of each component

從圖12(c)可以看出，相同軸靜載作用下自然狀態煤樣能量吸收率明顯高于飽水煤樣，高出幅度在17.13%～55.95%，其中自然煤樣能量吸收率呈現波浪式起伏變化，飽水煤樣能量吸收率呈現先降低后變大的趨勢，最低點位于軸靜載8 MPa，最高點位于10 MPa。

含水狀態的影響

從圖13(a)可以看出,在動靜沖擊作用下的飽水煤樣能量反射率大于自然煤樣，表示飽水處理對煤樣在沖擊加載過程中能量反射有著較大影響。圖13(b)顯示飽水煤樣能量透射率的離散性明顯大于自然煤樣，表明煤樣含水狀態與軸不同靜載大小耦合作用對能量透射率具有較大影響。圖13(c)顯示自然煤樣能量吸收率大于飽水煤樣，自然煤樣的動態強度大于飽水煤樣，表明動靜沖擊作用下能量吸收率與煤樣的動態強度變化特征相似。

三軸方向預加靜載作用，使煤樣處于不完全封閉的加載狀態，預靜載在內部原始孔隙形成擠壓的同時，對自由水在擠壓水楔作用誘導形成新裂隙，原始裂隙中的自由水浸入新生裂隙，使得煤樣中的充水更加充分，當軸靜載達到某一臨界值時，能量反射率不再增加，反而呈現降低現象；能量透射率隨著三軸預加靜載的改變而改變，從軸靜載最小到三軸靜載相近到軸靜載最大，呈現出先增大后減小的現象。其中自然煤樣的軸峰值頂點為4 MPa，飽水煤樣的軸峰值頂點為6 MPa。

4 討 論

4.1 能耗密度與動態強度的聯系

煤樣對能量的吸收量體現煤樣發生內部損傷時所需要外部做功的大小，是煤樣內部裂隙演化的決定性因素。從微觀能量的吸收與宏觀表現的動態強度特征為出發點，分析煤樣峰值動態強度與能耗密度的關系，以及飽水對煤樣峰值動態強度的影響，圖14給出了三軸方向峰值動態應力與能耗密度的關系。

圖14 自然及飽水煤樣的動態應力與能耗密度的關系Fig.14 Relationship between dynamic strength and energy consumption density of natural and water saturated coal samples

由圖14可知，自然狀態下煤樣的能耗密度為1.50～2.12 J/cm，平均值為1.83 J/cm，離散率為15.55%；飽水煤樣的能耗密度為0.97～1.73 J/cm，平均值為1.24 J/cm，離散率為25.22%。在軸方向，自然煤樣的峰值動態應力為126.51～138.10 MPa，飽水煤樣的峰值動態應力為99.35～119.65 MPa；在軸方向，自然煤樣的峰值動態應力為22.91～35.95 MPa，飽水煤樣的峰值動態應力為31.56～37.80 MPa；軸方向自然煤樣的峰值動態應力為29.60～34.56 MPa，飽水煤樣的峰值動態應力為34.07～42.82 MPa。自然煤樣的能耗密度大于飽水煤樣的能耗密度，自然煤樣的峰值動態應力在軸方向大于飽水煤樣，在和軸方向小于飽水煤樣的峰值動態應力，表明在沖擊加載方向，能耗密度與煤樣峰值動態應力呈正相關的關系，在和軸方向呈負相關的關系。

分析表明能耗密度的變化規律能夠反映煤樣在真三軸動靜組合加載試驗中的動態強度變化特征。從能量角度能夠在微觀結構上分析煤樣發生破壞的內在因素。

4.2 破壞特征與靜載的聯系

能量隨時間變化特征是從細觀角度對失穩破壞進行描述，表面裂隙的發育和擴展是應力波在微觀下作用到煤樣表現的宏觀破壞。因此煤樣破壞特征表現出了試驗過程中能量的耗散特征，限于篇幅，圖15，16給出部分靜動組合作用下自然及飽水煤樣的破壞特征。

圖15 自然煤樣在試驗后破壞形態Fig.15 Failure mode of natural coal sample after test

圖16 飽水煤樣在試驗后的破壞形態Fig.16 Failure mode of water saturated coal sample after test

煤樣內部微觀結構變化分為2個部分：一部分是預靜載施加時對內部裂隙的擠壓作用；另一部分是試驗系統施加動載的沖擊作用，宏觀裂隙則是預靜載與動態沖擊共同作用的結果。沖擊破壞后煤樣表面裂隙發育和破壞形態能夠反應出三軸預靜載狀態下的動態破壞特征。由圖15可以看出，在不同軸靜載作用下煤樣破壞形態和部分側面裂隙的分布特征有所不同。隨著軸靜載應力增大，破壞后煤樣的整體性逐漸完好，整體破壞均是各作用面的裂隙連接形成宏觀裂隙帶。

動載應力波作用于試樣后，一部分以反射波形式沿入射桿返回，另一部分能量將作用于試樣，動載應力波會首先作用于試樣內部存在的原生裂隙壓密，促進形成新的微觀裂隙，應力波不斷在煤樣中傳播，微觀裂隙不斷發育、擴展形成宏觀裂隙滑移，煤樣失穩破壞，多余大部分能量透過試樣沿透射桿傳播，只有極少部分能量沿，軸方向透射桿傳播。由于，軸方向靜載與X軸動載相比明顯偏低，煤樣受載后出現泊松效應表現出側向膨脹，導致裂隙張開與滑移向，軸方向發展，煤樣破壞形態與靜載應力狀態有關。

由圖15(a)可知，當軸靜載應力為4 MPa的最小主應力時，三軸預靜載應力差較大，煤樣出現垂直于軸靜載應力的張拉破裂面，煤樣的邊緣結構遭到嚴重破壞，整體性比較差；煤樣表面裂隙呈現中心發散狀，多平行于三軸方向。煤樣的部分結構呈現粉碎性，具有明顯層裂現象，但仍具有整體性特征；從破裂面看出煤樣內部裂隙發育且相互貫穿，這也是煤樣整體性缺失的原因。

由圖15(b)可知，當軸靜載應力為6 MPa時，煤樣依然保持整體性結構，僅缺失邊角部分。從軸方向俯視觀察到表面裂隙與沖擊方向剪切破裂面的最大角度為56°，近似平行發育，相互之間形成貫穿，且相鄰作用面的裂隙相互連接導致煤樣結構性失穩。

由圖15(c)可知，當軸靜載應力為8 MPa時，三軸預靜載應力差較小時，從軸方向俯視觀察到表面裂隙與沖擊方向剪切破裂面的最大角度為32°，宏觀貫穿性裂隙在軸靜載的作用面發育形成，且煤樣與入射桿接觸面發生嚴重的整體性破壞，表面有明顯微裂隙結構發育，煤樣整體性比較完整，少有微小裂隙，多為貫穿整個作用面的裂隙。當軸靜載為10 MPa時，從軸方向俯視觀察到表面裂隙與沖擊方向的最大角度為100°，與沖擊方向平行的裂隙存在于邊緣區域，屬于后期形成；在入射桿與煤樣的作用面的中部具有平行于軸的損傷裂隙帶，且與相鄰作用面的形成連接。

可見煤樣破壞程度與預靜載狀態有關，當三軸靜載應力差較大時，例如軸靜載在2和4 MPa，動靜載荷作用下煤樣內部裂隙貫穿發育，分布縱橫交錯，結構損傷較大，發生更加嚴重的破壞，不能保證原有煤樣的完整性，更多出現張拉破壞。

當三軸靜載應力差較小時，例如軸靜載在6～8 MPa時，煤樣能夠保證原有的完整性結構，動靜載荷作用下煤樣的結構破壞以剪切斷裂為主，剪切破裂面與沖擊方向形成角度變化；在軸靜載6～8 MPa時，角度呈減小趨勢；在軸靜載8～10 MPa時，角度呈增大趨勢；從表面裂隙整體來看，呈現“”型的斷裂模式。剪切破裂面與沖擊方向形成的角度變化趨勢與三軸預靜載加載狀態和動載沖擊有著較大的關系。

由圖16可知，飽水煤樣在三軸不同靜載動態沖擊作用下的破壞形態呈現較大差異。從整體上看，原有形態煤樣裂隙多向軸和軸發育，相鄰面裂隙相互貫通，可以推斷由于軸預靜載較小，軸預靜載接近軸預靜載大小，導致煤樣在軸方向受到動載沖擊后，煤樣會以軸和軸形成的平面，沿軸兩端進行開裂。

當><≠0和>>≠0時，三軸預靜載應力差較大，例如：預靜載應力(8 MPa,4 MPa,6 MPa)和(8 MPa,10 MPa,6 MPa)，分布于煤樣內部的裂隙比較發育，且與煤樣在表面裂隙相互貫穿，表明三軸預靜載應力差異較大時，煤樣在受到動載沖擊后，擾動預靜載應力平衡導致內部裂隙迅速進入大發育階段，煤樣碎裂成塊，無法保持原有的狀態，如圖16(a)所示煤樣在動靜沖擊加載后表現出碎裂成塊特征，無法保持原有完整性，且碎塊大小不一。當>=≠0和=>≠0三軸預靜載應力差較小時，例如：預靜載應力(8 MPa,6 MPa,6 MPa)和(8 MPa,8 MPa,6 MPa)，圖16(b)顯示飽水煤樣在動靜沖擊加載中能夠近似保持較為完整形態，且其表面裂隙發育多呈現對角方向，煤樣表面裂隙與軸方向呈約42° 夾角，表面裂隙發育與內部裂隙互相貫通，且相鄰面裂隙也相互貫通。圖16(c)動載沖擊后的煤樣雖然能夠呈現較為完整形態，但根據煤樣表面裂隙發育特征，煤樣內部裂隙進入大發育階段，表面呈現較大貫穿裂隙，且煤樣表面裂隙多沿軸和軸方向發育，煤樣已經喪失原有穩定結構。

對較大碎塊裂隙進行觀察，煤樣內部具有較多裂隙，裂隙之間相互連接，貫穿整個煤樣并切割成較小塊體結構，且內部裂隙往往能夠在煤樣表面形成連接。雖然破壞后煤樣存在部分結構保持原有形態，但裂隙發育、貫穿和連接已經使這部分結構失去了整體性。

在真三軸動靜組合加載試驗中，不同預靜載對飽水煤樣破壞程度影響大不相同，對裂隙發育特征具有較大影響。對比相同靜、動應力條件煤樣破壞形態，飽水煤樣破壞程度往往大于自然煤樣，表現為飽水對煤樣的弱化現象。相同預靜載狀態煤樣中，均是預靜載狀態為(8 MPa,4 MPa,6 MPa)和(8 MPa,10 MPa,6 MPa)時的破壞程度相對最大，在預靜載狀態為(8 MPa,6 MPa,6 MPa)和(8 MPa,8 MPa,6 MPa)時均表現出破壞性較小。

煤樣動態特性對三軸預靜載加載條件比較敏感，在相同沖擊條件下，沖擊方向峰值動態應力呈現先增加后減小特點，表明煤樣動態強度受到三軸約束限制，對煤樣進行三軸預靜載加載抑制了煤樣內部裂隙發育，對煤樣施加合適三軸預靜載加載有助于提高煤樣的動態強度。

煤礦沖擊地壓的本質是由于采礦活動煤巖體系統在變形破壞過程中能量穩定態積聚、非穩定態釋放的非線性動力學過程，對已具有沖擊危險區域進行解危，煤層注水可以避免高應力集中，改善煤巖體介質性質以減弱積聚彈性能的能力。因此，在煤層開采過程中，當煤層承載的三向應力中某一方向應力較低或三向方向的應力相仿時，可通過煤層注水方式改善煤層力學特性，減緩沖擊地壓對煤層及周圍巖體損傷。但當煤層承載應力較大且三向應力差較大時，需要采取相應措施改善圍巖應力環境，使其接近于三向等應力，從而減緩動載沖擊作用下煤層破壞。

5 結 論

(1)飽水煤樣在靜載作用下，相對于自然煤樣可以存儲較多的靜載彈性能，在沖擊初始階段試樣吸能為負值表現出部分彈性能的釋放。靜載作用下的能量，一部分能量轉化為對裂隙內自由水的擠壓應力，另一部分轉化為誘導新裂隙形成的動能。

(2)在2種狀態及不同加載狀態下，煤樣內各組分能量的傳遞效率存在較大差異。相同動靜加載條件下，飽水煤樣反射能大于透射能，飽水煤樣的能量反射率比自然煤樣高17.25%～37.04%，自然煤樣的能量吸收率比飽水煤樣高17.13%～55.95%，飽水處理對煤樣在沖擊加載過程中能量的反射有著較大影響。

(3)自然煤樣的能耗密度大于飽水煤樣的能耗密度，在沖擊加載的軸方向上，煤樣能耗密度與峰值動態應力呈正相關的關系，在和軸方向呈負相關的關系。自然煤樣的峰值動態應力在軸方向大于飽水煤樣，在和軸方向小于飽水煤樣的峰值動態應力。

(4)不同預應力條件飽水煤樣的破壞程度往往大于自然煤樣，當煤層承載應力較大且三軸應力呈現階梯性變化時，需要改善圍巖應力環境使其接近于三向等應力大小，從而減緩動載擾動作用下煤層破壞。當煤層承載應力中某一方向應力較低或三向應力相仿時，可以通過注水改善煤層力學性能和應力狀態，有效減緩沖擊地壓等級及影響范圍。

感謝澳大利亞莫納什大學ZHAO Jian教授、ZHANG Qianbing博士在試驗期間給予的指導與幫助！