煤巖組合體沖擊動力學特征試驗研究

楊 科，劉文杰，馬衍坤，竇禮同，劉 帥，魏 禎，許日杰

(1.安徽理工大學 深部煤礦采動響應與災害防控國家重點實驗室，安徽 淮南 232001；2.合肥綜合性國家科學中心能源研究院，安徽 合肥 230031；3.東北大學 資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819)

煤炭地下開采時，煤層并不是獨立存在，而是與頂底板巖層協同共生，煤炭資源采出后遺留煤體(煤柱)與頂板巖層形成了新的圍巖承載結構-煤巖組合結構體。受采掘擾動和強礦壓的影響，煤巖組合結構體不可避免地會受到應力波(動載荷)的作用，煤巖組合體結構的復雜性決定著應力波在其中的傳播和衰減特征與煤巖單體迥異，而煤巖組合體的動力學響應特征，對巷道圍巖承載系統的穩定性起到至關重要的作用。因此，研究應力波在煤巖組合體中的傳播規律以及煤巖組合體的動態力學響應特征，為更好理解煤巖組合結構體的穩定性，控制動壓巷道圍巖變形失穩問題，保證礦井安全高效開采具有重要意義。

國內外學者通過實驗室試驗、理論分析、數值模擬等方法，對多相煤巖層狀復合結構體的力學特性、能量演化規律、變形破壞特征、本構模型、破壞準則等方面開展了深入而全面的研究。如陳紹杰等基于頂板砂巖-煤柱結構體單軸壓縮試驗，分析了不同高比頂板-煤柱結構體變形參數與強度參數的演變規律，揭示了煤巖結構體的漸進破壞機制。李成杰等開展了類煤巖組合體沖擊試驗，研究分析了類煤巖組合體的能量耗散與破碎特征，以及裂隙產狀對類煤巖組合體分形特性的影響規律；GONG等利用SHPB試驗系統，測試了不同應變率下煤巖組合體的動力學特征，試驗結果表明煤巖組合體的動態抗壓強度、動態峰值應變、入射能和反射能等均具有明顯的應變率效應。在復合結構體變形破壞特征方面，LI等開展了單節理紅砂巖的動態沖擊試驗研究，指出應力波作用下單節理砂巖多以張拉片幫破壞為主，節理的存在弱化了砂巖的動態抗壓強度，且節理傾角越大，應力波衰減程度越大；HAN等研究了層狀砂巖動力學特征的膠結砂漿厚度效應，指出隨著水泥砂漿膠結厚度的增大，砂巖破壞形態逐漸由局部張拉剝落向貫穿劈裂轉變。在本構模型方面，LIU等通過串聯損傷體和牛頓體建立了2種煤體的損傷本構模型，揭示了巖石對煤巖組合體中煤體力學行為的影響；解北京等基于不同組合比煤巖樣沖擊加載試驗，構建了多參數組合煤巖層疊本構模型，模型擬合曲線與實測動態本構曲線具有較好的一致性。煤巖組合體破壞準則方面，尹光志等利用均質化理論方法，將復合巖層虛擬為等效均質巖石，提出了基于MLC準則的層狀復合巖石破壞準則；ZHAO等基于應變能等效原理，建立了煤巖組合體的等效均質模型，推導了考慮煤-巖界面黏結強度的組合體壓剪破壞準則。

上述研究闡述了煤巖高比、多相煤巖膠結特征、應力加載方式等方面對多相煤巖層狀復合體力學特性、變形破壞特征以及能量耗散規律的影響，但其大多集中在靜載；而實際煤層的賦存特征，不僅只有煤層厚度和煤層傾角在變化，受地質作用煤層的頂板條件也不盡形同，如沖刷帶影響區和巖漿巖侵入區等，且已有研究表明，受波阻抗的影響，復合巖體動力學特性差異性明顯。為此，筆者采用SHPB試驗系統，以4種典型巖樣與相同煤樣水平層狀組合而形成的煤巖組合體為研究對象，分析了不同巖性組合條件下煤巖組合體動態力學特性，以期為復合煤巖工程地質體的開挖與防護提供一定的借鑒。

1 煤巖組合體SHPB試驗

1.1 煤巖組合體試件制備

試驗所需煤樣取自陜西彬長礦業集團胡家河礦401111工作面，煤層具有強沖擊傾向性，巖樣取自淮南、山東、內蒙古等部分沖擊地壓礦井。為控制煤巖樣的離散性，現場將完整性較好且未經風化的煤巖樣蠟封后運回實驗室，經過切割、鉆取、打磨后加工成50 mm×25 mm的圓柱體試件，然后用環氧樹脂將煤巖單體試樣黏結成50 mm×50 mm的巖樣-煤樣組合試件。如圖1所示，黏結過程嚴格控制環氧樹脂用量，既保證煤巖兩相組分均勻充分黏合，又盡可能降低黏結劑厚度。按照試樣組合形式將煤巖組合體分為黃泥巖-煤樣組合體(M-C)、砂質泥巖-煤樣組合體(SM-C)、白砂巖-煤樣組合體(WS-C)和黑砂巖-煤樣組合體(BS-C)4組煤巖組合體試樣。試件加工時，要求煤巖單體試樣和煤巖組合試樣的端面不平行度和不垂直度均符合GB/T 23561.7—2009的要求，同時制備巖樣和煤樣單軸壓縮和巴西劈裂試樣，測得煤巖體基本物理力學參數，見表1。

圖1 煤巖組合體試樣Fig.1 Samples of coal-rock combined body

表1 煤巖試樣基本力學參數Table 1 Mechanical parameters of coal and rock samples

1.2 SHPB試驗系統與試驗方案

1.2.1 試驗系統

煤巖組合體沖擊壓縮試驗在安徽理工大學深部煤礦采動響應與災害防控國家重點實驗室，采用SHPB試驗系統和超高速攝像系統等相關試驗設備完成。如圖2所示，SHPB試驗裝置入射桿、透射桿、紡錘沖頭均由密度為7 800 kg/m，彈性模量為210 GPa，縱波波速為5 190 m/s的高強度合金鋼制成，桿件直徑為50 mm。試驗時，通過調節高壓腔體內部氮氣壓力，或者改變紡錘沖頭位置，來控制沖擊速度和入射應力波的幅值。應力波在入射桿和透射桿中傳播時產生應變信號，該信號由SG1和SG2動態應變片和SDY2107A超動態應變儀進行采集，然后由Yokowaga-DL850E型示波器進行顯示和存儲。高速攝像系統由FASTCAM SA-Z型高速相機、閃光燈、同步觸發控制系統等組成。試驗前，設定高速相機拍攝速度為120 000 fps，圖像分辨率為256 pixel×408 pixel，拍攝時長為200 μs。當應力波在入射桿中傳播時，應變片將應變信號傳輸到超動態應變儀轉化為電壓信號同步觸發高速相機和閃光燈工作，保證相機可以清晰地捕捉試樣變形破壞的全過程。

圖2 SHPB和高速攝像系統Fig.2 SHPB and high-speed camera system

煤巖組合體試驗沖擊加載過程中，設計應力波垂直煤巖界面入射，傳播方向為由巖樣傳播入煤樣。由表1可知，所選煤巖樣的物理力學參數差異性較大，巖石單軸抗壓強度在8～70 MPa，彈性模量在1～8 GPa，因此，選擇合適的沖擊速度，確定合適的沖擊速度顯得尤為重要。試驗前，對煤巖樣單體進行試沖，試沖結果顯示，強度較低的泥巖和煤樣在較低沖擊氣壓作用下，即較為破碎。隨著沖擊氣壓的增大，當沖擊氣壓大于0.6 MPa時，砂巖開始出現宏觀裂紋的萌生與擴張。因此，試驗最終選用0.4，0.5，0.6，0.7和0.8 MPa五個沖擊氣壓進行試驗，每個沖擊氣壓下保證3組以上的平行試驗。試驗時，在試樣與桿件接觸處，涂抹一層厚度較薄的凡士林，減少端面的摩擦效應。

1.3 動態應力平衡驗證

煤巖組合體沖擊破壞前，試件兩端達到應力平衡是一維應力波假設與應力(應變)均勻性假設的前提，決定著試驗結果的可靠性。典型煤巖組合體沖擊壓縮試驗試樣應力，如圖3所示。由圖3可知，在煤巖組合體沖擊試驗中，入射應力和反射應力之和與透射應力近似相等，能夠較好地滿足應力平衡條件。

圖3 試件動態應力平衡驗證Fig.3 Verification of dynamic stress balance for specimen

2 試驗結果與分析

2.1 應力波傳播特征分析

對比分析不同沖擊速度下煤巖組合體波形(圖4)可知，隨著沖擊速度的增大，煤巖組合體入射波和反射波幅值逐漸增大，具有明顯的應變率效應。相同沖擊速度下，各組煤巖組合體入射波波形基本一致，但隨著巖石波阻抗的增大，煤巖組合體的透射波幅值逐漸增大，反射波幅值減小，這種差異性在低沖擊速度(7～10 m/s)下較為明顯，高沖擊速度(10～12 m/s)下逐漸減弱。由應力波傳播特征分析可知，巖石的波阻抗越大，煤巖組合體與入射桿的波阻抗匹配效果越好，當入射波傳播到煤巖組合體與入射桿交界面時，更多的應力波將通過組合體傳播到透射桿中。因此，相同沖擊速度下，WS-C透射波幅值應最大，M-C透射波幅值應最小。但隨著沖擊速度的增大，試樣與入射桿波阻抗的匹配效果對應力波傳播的影響逐漸減弱，透射波波形逐漸趨于一致。

圖4 不同沖擊速度下煤巖組合體波形Fig.4 Waveform of coal-rock combined samples at different impact velocities

2.2 動態應力-應變曲線特征

由圖5煤巖組合體應力-應變曲線可知，同組煤巖組合體的應力-應變曲線變化規律相似，不同組煤巖組合體應力-應變曲線形態差異較大，說明應力波在同種煤巖組合體內部的傳播和衰減規律相似。與煤、巖單體動態應力-應變曲線相比，煤巖組合體無明顯的壓縮密實階段。煤巖組合體中，煤、巖力學特性差異性較大時，在動態應力-應變曲線達到最大動態峰值應力()前，應力-應變曲線大多呈“雙峰”分布，這一現象在文獻[22]中亦有體現，文中煤巖組合體中巖組分的強度與彈性模量為煤樣的5～6倍。

煤巖組合體應力-應變曲線達到首個動態峰值應力()前，應力-應變曲線呈現明顯的非線性特征，隨沖擊速度的增大，并未呈現出明顯的規律性變化，但低沖擊速率下的明顯小于高沖擊速率下的。最大動態峰值應力()具有明顯的應變率效應，如圖6(a)所示，低沖擊速率下，增長較為明顯，高沖擊速度下增速變緩，與沖擊速度近似呈冪函數關系。

圖5 煤巖組合體動態應力-應變曲線Fig.5 Equivalent stress-strain curves of coal-rock combined samples

相同沖擊速度下，隨著巖石強度和彈性模量的增大，煤巖組合體峰值應力和峰值應變先均先增大后減小(圖6)。與WS-C相比BS-C的峰值應力和峰值應變明顯較小，WS-C動態應力-應變曲線在達到最大動態峰值應力()前，應力-應變曲線曲折上升，呈現出明顯的應變硬化特性。與WS-C相比,M-C，SM-C和BS-C曲線在達到最大動態峰值應力()前，應力-應變曲線近似為一條直線，且曲線斜率并不隨沖擊速率的增大而發生較大改變。組合體應力達到最大動態峰值應力()后，動態應力-應變曲線經過數次“跌宕式”降低，表明組合體應變硬化特性顯著，塑性變形明顯增強。

2.3 能量耗散特征分析

由熱力學定律可知，物質的破壞是能量驅動下的狀態失穩。煤巖組合體變形破壞過程中無不貫穿著能量的積聚、釋放與耗散。研究沖擊荷載下煤巖組合體的能量耗散規律，對于分析煤巖組合體的吸能特征，針對性提高煤巖復合工程巖體下巷道圍巖承載結構的防沖特性具有重要意義。假設試驗過程中，試樣與周圍環境沒有熱交換，忽略聲發射能和電磁輻射能，應力波傳播所攜帶的能量可按照式(1)～(3)進行計算。

⑥焊接好的管段目視檢查接口合格后應及時下管并調整管道位置，進行管道側面及管頂回填，管頂覆沙厚度為60 cm，分層回填并用平板震動器夯實。

(1)

(2)

(3)

式中，，和分別為入射波、反射波和透射波所攜帶的能量；()，()和()分別為時刻的入射應變、反射應變和透射應變；，，分別為壓桿橫截面積、彈性模量和聲波傳播速度。

根據能量守恒原理，忽略應力波傳播過程中壓桿與試樣之間因摩擦而產生的能量損失，沖擊荷載作用下煤巖組合體吸收的能量為

=--

(4)

圖6 煤巖組合體峰值應力與峰值應變對比Fig.6 Peak stress and peak strain comparison between coal-rock combined samples

為分析動載作用下煤巖組合體能量傳播和耗散規律，定義試件吸收能與入射能之比為吸收能占比，反射能與入射能之比為反射能占比。

(5)

(6)

由式(1)～(6)計算可得煤巖組合體在不同沖擊速度下的入射能、反射能、透射能和吸收能，分析可得沖擊速度-入射能、沖擊速度-吸收能占比以及沖擊速度-反射能占比的關系如圖7所示。由圖7(a)，(b)可知，隨沖擊速度增大，入射能與試樣本身無關，近似呈線性增大，同組煤巖組合體，反射能占比隨沖擊速度的增大呈線性降低。結合2.1節應力波傳播規律分析不難理解，相同沖擊速度作用下，巖石與入射桿波阻抗匹配效果越好，更多能量將隨入射波傳播到煤巖組合體中，反射能占比就會減小，因此，與其他組相比，WS-C組合體相對最小。另一方面隨沖擊速度的增大，巖石與入射桿波阻抗匹配效果的影響逐漸減弱，更多占比的入射能將傳輸到煤巖組合體中，反射能占比也就隨之逐漸降低。

由圖7(c)可知，吸收能占比隨沖擊速度增大而增大，但增速有降低趨勢，近似呈冪函數增長。分析認為相同沖擊速度下，當巖石強度較低時，煤巖組合體儲能極限相對較低，變形破壞時所需要的能量較少，因此，與WS-C試樣和BS-C試樣相比，M-C試樣和SM-C試樣吸收能占比較小。但另一方面隨沖擊速度的增大，煤巖組合體破碎程度逐漸增大，組合體吸收的能量也就越多，但當沖擊速度大于某一定值時，在不改變邊界條件的前提下，組合體破碎程度趨于穩定，組合體破壞時所吸收的能量增速變慢，吸收能占比逐漸趨于平緩。值得注意的是，雖然黑砂巖強度大于白砂巖，但是WS-C的吸收能占比大于BS-C，這一現象將結合組合體破碎特征進一步分析。

圖7 沖擊速度與入射能、反射能占比、吸收能占比的關系Fig.7 Relationship between impact velocity and incident energy, proportion of reflected energy & proportion of absorbed energy

2.4 裂紋動態演化特征

煤巖組合體中裂紋的萌生、擴展與止裂行為間接體現了其局部受力和強度特征，采用高速攝像機捕捉煤巖組合體的破壞過程，獲得煤巖組合體裂紋動態演化過程(圖8～11)。根據筆者已有研究，煤巖組合體變形破壞時，在煤巖交界面處，彈性模量較大，泊松比較小的巖石強度被“弱化”，彈性模量較小，泊松比較大的巖石強度被“強化”；雖然在應力波作用下，試件兩端的應力以及煤、巖樣的彈性模量和泊松比是變量，但其只改變應力的大小并不改變其方向，也就是說其只對交界面處煤巖體強度的“弱化”或者“強化”程度具有一定的影響，這種作用與真實應力作用相比可能并不明顯，但是理論上是真實存在的，且直接影響著交界面處裂紋的發育。

由圖8可知，沖擊荷載作用下，M-C試樣起裂破壞大多發生在遠離煤巖交界面的黃泥巖中，加載初期黃泥巖中裂隙數目明顯大于煤體。在應力波的持續作用下，當裂隙尖端應力大于“弱化”煤體強度時，交界面處黃泥巖中部分裂隙越過煤巖交界面發育到煤體中，進而誘發組合體發生整體性破壞，M-C試樣破壞以劈裂裂紋擴展為主，部分伴隨剪切裂紋發育。由煤巖組合體表面裂紋萌生、擴展以及止裂行為可知：遠離交界面黃泥巖強度<交界面處黃泥巖強度<交界面處煤體強度<遠離交界面處煤體強度。

注：圖中黃色線條代表煤體裂隙，黑色線條代表巖石裂紋圖8 黃泥巖-煤樣試樣變形破壞過程Fig.8 Deformation and failure process of M-C specimens

由圖9可知，SM-C試樣宏觀起裂并不集中呈現在某一巖相，而是在煤巖組合體中隨機出現。動載應力波作用下，SM-C試樣主裂隙多以豎向(應力加載方向)裂隙發育為主，主裂隙在越過煤巖界面時，裂隙擴展方向基本不發生變化。隨著沖擊速度的增大，組合體煤、巖組分均愈發破碎，煤、巖組分均以張拉劈裂破壞為主。

注：圖中黃色線條代表煤體裂隙，黑色線條代表巖石裂紋圖9 砂質泥巖-煤樣試樣變形破壞過程Fig.9 Deformation and failure process of SM-C specimens

注：圖中黃色線條代表煤體裂隙，黑色線條代表巖石裂紋圖10 白砂巖-煤樣試樣變形破壞過程Fig.10 Deformation and failure process of WS-C specimens

由圖10可知，沖擊荷載初始加載階段，WS-C試樣宏觀裂隙主要集中在煤體中，遠離交界面煤體最先發生鼓脹破裂，白砂巖無明顯宏觀裂隙起裂，完整性較好。煤體裂隙擴展至煤巖界面時，大尺寸裂隙擴展、開裂路徑被阻隔，煤體裂隙難以發育至白砂巖中。隨著沖擊速度的增大，根據格里菲斯強度理論，當裂隙尖端應力大于白砂巖強度時，白砂巖開始起裂破壞，主裂紋與加載方向呈較大夾角，且隨沖擊速度增大，白砂巖剪切破壞面不斷增大增多。需要說明的是，沖擊速度為7.2，8.5 m/s時，白砂巖在與桿件發生多次撞擊后發生破壞，裂隙由邊緣砂巖開始起裂，不具備分析價值。低沖擊速度下，白砂巖被裂隙分割為塊度較大的巖塊，隨沖擊速度的增大，白砂巖破碎程度逐漸增大，由大塊巖塊過渡為小塊，煤樣也愈發破碎，破碎體塊度由顆粒狀向粉狀過渡。由煤巖組合體表面裂紋萌生、擴展以及止裂行為可知：遠離交界面煤體強度<交界面處煤體強度<交界面處白砂巖強度<遠離交界面處白砂巖強度。

由圖11可知，當沖擊速度小于9.7 m/s時，BS-C試樣宏觀裂隙起裂破壞主要集中在煤體中，黑巖樣無宏觀裂隙發育；沖擊速度大于10.7 m/s時，黑砂巖發生與加載方向夾角較大的主裂紋擴展，巖樣呈單斜面剪切破壞。低沖擊速率下，組合體試樣巖組分損傷破壞程度較小，完整性較好，而煤體內部微裂隙較為發育，裂隙擴展發育較為復雜，破碎煤體呈顆粒狀；隨著沖擊速度的增大，煤體裂隙最終穿過煤巖界面發育到黑砂巖中，砂巖被裂隙分割成大塊巖塊，而煤樣破碎體逐漸向粉狀過渡，由上述分析可知，煤巖組合體宏觀裂紋起裂破壞大多發生在遠離煤巖交界面強度相對較低的煤體或巖石端部，當裂隙發育至煤巖界面時，裂紋擴展開裂受到阻隔，但隨著沖擊速度的增大和沖擊荷載的持續作用，當裂紋尖端應力大于煤體或巖石“弱化”強度時，裂紋將越過煤巖交界面繼續發育。同種沖擊速度下，BS-C和WS-C組合體煤樣中裂紋的起裂、發育與M-C和SM-C相比具有明顯的差異性，M-C和SM-C組合體煤樣大多呈鼓脹劈裂破壞，煤體被裂紋分割成塊狀，BS-C和WS-C組合體煤樣微裂隙充分發育，煤樣破碎體呈顆粒狀和粉狀，煤體沖擊顯現更加劇烈。

圖11 黑砂巖-煤樣試樣變形破壞過程Fig.11 Deformation and failure process of BS-C specimens

由2.2節可知，相同應力波作用下，WS-C試樣吸收能占比大于BS-C，而煤巖組合體吸收能大多用于裂紋的萌生和擴展，僅從組合體表面裂紋發育角度，難以定量分析其破碎程度的差異性，獲得不同巖性組合下煤巖組合體整體和煤、巖各組分的能量耗散和動力顯現特征，因此，有必要對煤巖組合體的破碎特征開展分析。

2.5 破碎特征分析

圖12 煤巖組合體破壞形態Fig.12 Failure modes of coal-rock combined samples

收集沖擊破碎后的煤巖塊體，獲得不同沖擊速度下煤巖組合體的破壞形態如圖12所示，隨著沖擊速度的增大，煤巖組合體破碎程度逐漸加劇，破碎體塊度逐漸減小，分級特征明顯。相同沖擊速度下，WS-C試樣吸收能占比較大，但BS-C試樣煤體卻較為破碎，結合組合體在低沖擊速度下的破壞形態可知，WS-C試樣吸收能主要用于煤、巖兩相組分裂紋的發育，而BS-C試樣吸收能幾乎全部用于煤體內部裂隙的發育，巖樣完整性較好。煤巖組合體破壞后界面處部分破碎體仍以組合形式存在(圖12)，說明煤巖組合體破壞過程更加復雜，在分析組合結構體變形破壞時不能單一的從煤體或巖體出發，應該考慮界面效應帶來的影響，煤巖組合體破壞過程中煤、巖組分相互影響著彼此的能量耗散和動力顯現特征。

為進一步分析煤巖組合體各組分的能量分配和動力顯現特征規律，根據煤巖組合體碎塊特征選取尺寸為25，20，16，10，5，2.5 mm的標準篩，對煤巖破碎體進行篩選稱重，并以各孔徑篩上累積質量百分比標定篩分試驗結果，見表2。引入破碎塊體的平均粒徑直觀反映煤巖組合體的破碎程度。

表2 煤巖組合體沖擊荷載下煤體碎塊篩分結果Table 2 Screening test results of impact fragments of coal-rock combined samples

(7)

式中,為不同孔徑篩上滯留巖石破碎塊度的平均尺寸；為篩孔尺寸為時破碎巖塊質量分數。

利用碎塊質量-等效邊長關系計算試樣的分形維數量化表征破碎塊體的分布特征：

=3-

(8)

(9)

式中,為等效邊長為時所對應的碎屑質量；為計算尺寸內碎屑的質量；為/(-)在雙對數坐標下的斜率；/為等效邊長小于的碎屑累計質量分數。

由圖13可知，試樣的分形維數隨入射能的增大而增大，但高入射能下，組合體分形維數增大速率逐漸降低趨勢，驗證了3.2節吸收能占比與沖擊速度曲線變化規律分析。值得注意的是，理論上相同入射能作用下，巖石強度越低，組合體破碎程度應該越高，破碎塊體越多，分形維數越大，但相同入射能下，BS-C試件分形維數反而最大，WS-C、SM-C次之，M-C最小。結合煤巖組合體破壞形態(圖13)和煤樣破碎塊體篩分結果(圖14(a))分析，沖擊速度為10.7 m/s時，BS-C試樣巖組分整體性較好，破碎程度較低，而煤體平均粒徑為6.52 mm，破碎程度明顯大于相同沖擊速度下其他組煤巖組合試樣，其他沖擊速度下不同組煤巖組合體破碎塊體亦存在相同規律。由此可知，相同入射能下，隨著巖石強度的增大，巖石更多起到了能量積聚和傳遞的作用，煤巖組合體吸收的能量更多的是用于煤體內部微裂隙的萌生、發育，導致煤體的破碎程度較大，在分形維數計算時，煤體的分形對組合體整體分形影響較大，致使煤巖組合體整體分形維數較大。由圖14(b)煤樣破碎塊體平均粒徑與巖石強度曲線可知，隨巖石強度的增大，煤樣破碎塊體平均粒徑逐漸降低。當巖石強度在0～45 MPa時，煤樣破碎粒徑近似呈線性迅速降低。當巖石強度大于45 MPa，相同沖擊速度下，巖石強度對煤體動力顯現的影響程度逐漸趨于極限。

圖13 煤巖組合體分形維數與入射能的關系Fig.13 Relationship between the fractal dimension and the incident energy of coal-rock combined samples

圖14 煤樣破碎塊體平均粒徑與沖擊速度和巖石強度關系Fig.14 Relationship between lumpiness mean particle size and impact velocity & rock strength of coal sample crushing block

3 討 論

(1)SHPB試驗中，對于煤巖單體而言，當應力達到峰值后，若峰值應力大于試樣屈服強度，試樣將發生不可逆破壞，應力-應變曲線呈開口型；若峰值應力小于試樣屈服強度，試樣發生塑性變形，但試樣整體性較好，應力-應變曲線出現卸載段，卸載回路形成滯回圈，應力-應變曲線呈閉口型。對于煤巖組合體，其可以看做是2個串聯的彈塑性體，沖擊荷載作用下，M-C試樣和SM-C試樣中的煤巖組分固然均經歷了壓密階段、彈性階段、塑性階段和峰后階段，而WS-C試樣和BS-C試樣中的砂巖組分可能僅經歷了壓密階段、彈性階段和峰后應變恢復階段。但由于煤巖力學特性不同，高應變率下，煤巖進入相應變形破壞階段的時間和時長不同，應變響應規律亦不同。此外，當交界面處裂隙尖端應力大于“弱化”后砂巖強度時，可能動載荷并未達到砂巖屈服應力，但亦會引起砂巖試樣破壞失穩，此時，煤體應變會繼續增大而砂巖彈性應變會突然釋放降低，導致不同組煤巖組合體應力-應變曲線形態各異。

(2)由煤樣破碎塊體平均粒徑(圖14)和煤巖組合體破壞形態(圖12)可知，沖擊速為9.7 m/s時，煤樣破碎塊體平均粒徑隨巖石強度的增大而逐漸降低。值得注意的是，此時BS-C試樣黑砂巖組分無明顯宏觀損傷，完整性較好，說明試樣吸收的能量幾乎全部用于煤樣的變形破壞，而此時，若要進步提高煤樣破碎程度則需要提高沖擊速度。由此可知，沖擊速度對煤體沖擊動力顯現的影響大于巖石強度和波阻抗匹配效果。當沖擊速度為7.2 m/s和11.8 m/s時，不同組煤巖組合體煤樣破碎塊體平均粒徑差值的最大值分別為9.77，6.40 mm，也就是說沖擊速度增大，引起試樣與入射桿波阻抗的匹配效果的改變，對煤樣破碎塊體平均粒徑的影響程度為3.37 mm，為巖石強度變化帶來煤樣破碎塊體平均粒徑差值的1/2～1/3。此外，WS-C試樣中白砂巖波阻抗大于BS-C試樣中黑砂巖的波阻抗，但是黑砂巖分形維數和煤樣破碎粒徑較小。由此可知，在煤巖組合體動力顯現的影響程度方面沖擊速度>巖石強度>波阻抗匹配效果。

4 結 論

(1)低沖擊速率下，煤巖組合體與入射桿波阻抗匹配效果的差異性對煤巖組合體應力波傳播的影響較大，但隨著沖擊速度的增大，波阻抗效應逐漸減弱。

(2)隨沖擊速度的增大，煤巖組合體最大動態峰值應力和峰值應變具有明顯的應變率效應。入射能呈線性增大，反射能占比呈線性降低，吸收能占比近似呈冪函數增大。

(3)煤巖組合體的破壞是逐次進行的過程，宏觀裂隙宏觀起裂破壞大多發生在遠離煤巖交界面強度相對較低的煤體或巖石端部，裂隙擴展至煤巖界面且尖端應力大于煤體或巖石“弱化”強度時，裂隙將越過煤巖交界面繼續發育。煤體以張拉破壞為主，隨巖石強度的增大，巖樣破壞模式逐漸由張拉破壞向剪切破壞轉變。

(4)在煤巖組合體破碎程度的影響方面，沖擊速度>巖石強度>波阻抗差異性。隨沖擊速度和巖石強度的增大，煤巖組合體中煤體破碎程度逐漸加劇，煤樣破碎粒徑逐漸由塊狀向粉狀過渡，分形維數逐漸增大。在煤巖組合體試樣中，當巖石強度較大時，巖組分更多扮演著能量的積聚和傳遞的作用，為沖擊能量積聚體，煤體為沖擊能量顯現體。

感謝合肥綜合性國家科學中心能源研究院(安徽省能源實驗室)，煤炭清潔利用與安全精準智能化平臺研發(19KZS203)項目對本研究的資助。