層理煤巖SHPB沖擊破壞動態力學特性實驗

解北京， 王新艷， 呂平洋

(中國礦業大學(北京) 資源與安全工程學院，北京 100083)

層理煤巖SHPB沖擊破壞動態力學特性實驗

解北京， 王新艷， 呂平洋

(中國礦業大學(北京) 資源與安全工程學院，北京 100083)

為了研究層理對煤巖動態力學破壞特征的影響，利用?75mm大直徑分離式霍普金森壓桿(SHPB)動載實驗裝置，采用紡錘形子彈和超聲波檢測儀，開展層理原煤試樣(垂直層理和水平層理取樣)和均質性較好的砂巖試樣沖擊破壞動態力學特征對比實驗。實驗結果表明：①紡錘形子彈產生的近似半正弦波加載具有平緩應力波上升沿特征，更適合煤巖類脆性材料動載實驗；②煤體層理使超聲波垂直穿過時產生層理效應,導致波速嚴重衰減，試驗中水平層理取樣的原煤超聲波波速約為垂直層理的2倍；③層理原煤和砂巖的動載破壞應力-應變曲線差異較大，層理特征是導致原煤具有較長塑性變形階段和曲線波動性的重要因素；④砂巖的動態彈性模量比層理原煤試樣大1個數量級，層理影響了煤巖沖擊破壞動力學特性。

層理；煤巖沖擊破壞；動態力學特性；動態彈性模量

在漫長的地質年代中，由于成煤物質的成分、結構構造、膠結物、顆粒大小等不同，使得煤層具體有典型的層理特征[1]。煤層是煤系地層中力學強度最低的巖層，層理的存在一定程度上破壞了煤的均勻性和連續性，改變了煤層受載荷作用下的應力分布[2-3]，也影響了瓦斯的滲流方向[4]。煤的力學性質中煤抗臨界狀態破壞和抗破碎成塊、粉煤的能力是阻止煤巖動力災害發生的重要因素[5]。煤礦井下掘進放炮等采掘過程以及發生煤巖動力災害時等都會使煤巖體承受強烈的動載荷作用，研究層理煤巖動態力學性質和破壞形式對于煤礦安全生產有著重要的意義。

測試材料在較高應變率(101～103s-1)的應力應變行為通常采用分離式霍普金森壓桿(Split Hopkinson Pressure Bar)裝置[6]。近年來，國內大直徑和改進型的SHPB技術在巖石和混凝土材料動態力學性能測試方面得到了廣泛的應用[7-9]，煤沖擊破壞動態力學性能測試也取得了一定的成果。單仁亮等[10-11]對云駕嶺煤礦無煙煤沖擊破壞動態力學特性展開研究，建立適合于應變率5～85 s-1的動態應力應變的線性黏彈性模型，并探討了無煙煤的沖擊壓縮膨脹拉伸破裂機理。李成武等[12-13]進行了速度為 4.174～17.652 ms-1條件下的煤沖擊破壞動力學特性研究，認為在一定應變率范圍內，隨著應變率的增加煤材料的動態響應由硬化向軟化過渡，建立煤沖擊破壞損傷體-黏彈性本構模型，并開展了基于 HJC模型的煤巖 SHPB 實驗數值模擬。劉曉輝等[14]研究發現不同應變率下煤的破壞程度隨應變率的增加逐漸升高，相應的耗能越大。李明等[15]研究認為高應變率下煤應力-應變曲線大致分為5個階段：壓密階段、彈性變形階段、微裂紋演化階段、裂紋非穩定擴展階段以及卸載階段；應變率由68.666 s-1增加到79.751 s-1，煤破壞程度對應變率的敏感性最為顯著。

煤巖是典型的非均質、各向異性、多孔隙脆性材料，內部存在著大量層理、節理、裂隙等不同尺度的微、宏觀缺陷[16]。節理和層理性質對巖石動力學性能存在著顯著的影響[17-18]。趙毅鑫等[19-20]開展了層理煤樣動態拉伸破壞試驗，認為抗拉強度隨層理傾角波動變化；在沖擊速度相近的情況下，層理與加載方向夾角相垂直時，樣品的破壞應變相對較大，而應變率則最小。為開展層理對煤巖沖擊壓縮破壞力學特性的影響研究，本文利用大直徑?75 mm分離式霍普金森桿(SHPB)動載實驗裝置、采用特制的紡錘形子彈和ZBL-U510非金屬超聲檢測儀，研究砂巖和層理原煤試樣(水平、垂直層理取樣)沖擊破壞動態力學特征。

1 實驗簡介

1.1煤試件的制備

試驗所用煤巖試件均由大塊煤體和巖體加工而成，每個試樣端面和圓周都進行磨床精密加工打磨，兩端不平行度小于0.02 mm，圓周與端面的不垂直度小于0.02 mm[21]。實驗試樣共計12個，包括原煤試樣6個(3個水平節理M1-M3、3個垂直節理M4-M6)和砂巖試樣6個(Y1-Y6)。為了盡量減少試件的慣性效應和滿足內部應力均勻化假設[22]，根據Davies等[23]所推薦的最佳長徑比計算公式，將煤樣制成直徑75 mm，長40 mm，L/D=8/15的圓柱試樣。實驗時為了減少界面摩擦效應，在彈性桿與試件界面間涂抹凡士林潤滑[24]。實驗煤巖試樣如圖1所示。

1.2超聲波波速測試實驗

超聲波具有方向性好、穿透能力強及易于獲得較集中的聲能等特點，且超聲波在不同的介質中具有不同的傳播速度，通過煤巖試件的超聲波測試可以反映煤巖試件的內在特征[25]。利用ZBL-U510非金屬超聲檢測儀對煤巖試樣進行超聲波波速測試，將發射換能器與接收換能器置于試樣兩端面中心處，使得發射換能器與接收換能器在同一水平線上進行測試，測試示意圖和超聲波檢測儀實物圖，如圖2(a)、(b)所示。為了減少測試誤差，每個煤巖試樣測試三次取平均值，實驗數據如表1所示。

(a)煤試樣M1-M6

(b)砂巖試樣Y1-Y6

(a)超聲波測速示意圖

(b)超聲波檢測儀

1.3煤巖試樣沖擊破壞實驗

1.3.1 實驗系統及裝置

實驗采用大直徑?75 mm分離式霍普金森桿，在中國礦業大學(北京)深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室完成。實驗裝置系統及子彈尺寸如圖3所示。

SHPB實驗系統包括：子彈、壓桿、測速系統、超動態應變儀和數據存儲處理系統，如圖3(a)、(b)所示。本實驗中壓桿為直徑為75 mm的鋼質壓桿，子彈為紡錘型。長期以來，SHPB實驗大多采用矩形波加載法，即采用圓柱形子彈。矩形波在傳播過程中會受到彌散效應的影響，產生明顯的P-C(Pochhammer-Chree)振蕩，且對于巖石、陶瓷等脆性材料來說極限應變很小，而矩形加載波的波形上升階段太快，使得試件常常在波形上升階段就會發生破壞，而此時試件內部尚未達到應力平衡，導致實驗結果失真。為了避免上述試驗缺點，本實驗采用特制的紡錘形子彈總長540 mm，錐段比為310∶100∶130的異型雙錐紡錘體子彈[26]，子彈具體尺寸如圖3(c)所示。

(a)裝置系統示意圖

(b)實驗裝置圖

(c)紡錘形子彈

試件編號沖擊位置試件尺寸/D×L/(mm×mm)超聲波波速/(km·s-1)ν/(m·s-1)ε·max/(s-1)破壞應變εb/‰峰值應力σmax/MPa混合動態彈性模量/GPa破壞情況M1水平?75×502．3533．47282．89????3．970．60損傷M2水平?75×502．9884．467109．457．339．391．28粉碎M3水平?75×502．7345．289132．0314．6810．640．72粉碎M4垂直?75×501．2415．745136．307．9320．922．64粉碎M5垂直?75×501．1326．389159．5113．6818．981．39粉碎M6垂直?75×501．0426．870172．6213．2720．391．54粉碎Y1?????75×502．9414．75871．80????71．5216．04損傷Y2?????75×502．9715．04188．20????71．9610．58損傷Y3?????75×503．0305．377101．108．9166．087．42破裂Y4?????75×502．9716．167115．90????94．9520．91損傷Y5?????75×503．0306．504131．628．3274．578．96粉碎Y6?????75×503．0627．165137．978．2194．3611．49粉碎

1.3.2 實驗方法及原理

實驗通過調整驅動氣壓，給予子彈不同的速度撞擊入射桿，可以實現給煤巖試件施加不同強度的動載荷。子彈沖擊速度由激光測速器測定，入射桿和透射桿上應變計記錄的應變脈沖信號經超動態應變儀放大后由瞬態波形存儲器采集存儲，采樣速率設定為1.25×107s-1，滿足瞬態測試的要求[27]。

為避免應變片靈敏度誤差和電阻誤差的影響，在不加試件的情況下進行一次沖擊標定試驗，根據沖擊速度v得到應變ε，再與超動態應變儀測量的電壓值U對比，得電壓-應變的比例關系：K=ε/U(K為標定系數)，通過實驗測得K=0.000 194 792。根據K值的對應關系，結合沖擊試件所對應的電壓值，求出入射波、反射波、透射波的應變，然后根據簡化的“三波公式”計算出試件中的應變率、應變和應力，并繪出試件不同應變率下的應力-應變曲線圖，得出煤巖試樣的動態力學性能[28]。簡化的公式如下：

(1)

(2)

(3)

2 沖擊破壞實驗結果及分析

2.1實驗測試信號特征及去噪

由于SHPB 測試信號具有高噪聲、持時短、突變快的特點，需要將煤巖沖擊破壞的測試信號采用希爾伯特-黃變換(HHT) 分析技術進行去噪處理。限于篇幅，僅以標定信號去噪結果為例說明濾波效果(如圖4所示)，煤巖沖擊破壞應力應變信號采用同樣的處理方法不再贅述。圖4(a)、(b)分別為標定實驗(沖擊速度為4.404 m/s)測到的入射波、反射波和透射波原始信號和去噪后的信號。從圖4(a)可見，原始信號具有高頻噪聲特別是透射信號，需要進行去噪處理；入射桿中有一脈沖反射信號但數值較小，說明紡錘子彈與桿之間基本滿足一維線性度要求。從圖4(b)可見，濾波后的信號幅值幾乎沒有變化，高頻噪聲被很好的去除；紡錘形子彈產生了半正弦波加載，具有應力波上升沿平緩的特征(上升時間達110 μs以上)，更適合煤巖類脆性材料動載實驗。

(a)原始標定信號

(b)去噪后標定信號

2.2測試數據統計

實驗中鋼質壓桿的彈性模量E=206 000 MPa、波速C=5 060 ms-1、橫截面積A=A0=1 406.25 πmm2，試件的橫截面積As為1 406.25 πmm2，厚度L0為40 mm。共完成了12次沖擊壓縮，沖擊速度(v)為3.472～7.165 ms-1，對所有的信號進行去噪處理后，利用式(1)～(3)計算，最終獲得不同應變率下煤巖試樣動態力學特性曲線(如圖8所示)，詳細實驗數據如表1所示。

2.3層理煤巖超聲波速度變化規律

如圖5為煤巖試樣的超聲波波速對比，可見砂巖試樣Y1～Y6超聲波波速(2.941～3.062 km/s)略高于水平層理取樣的原煤試樣M1～M3(2.353～2.988 km/s)，遠高于垂直層理原煤試樣M4～M6(1.402～1.241 km/s)。試驗中水平層理原煤試樣超聲波波速約為垂直層理取樣的2倍。可見，由于層理面之間存在明顯薄弱的膠結面，當超聲波垂直穿過煤體層理面時波速會產生層理效應發生嚴重的衰減與文獻[25]試驗結論一致。

圖5 煤巖試樣的超聲波波速

2.4沖擊速度與加載應變率的關系

應變率表征試樣變形破壞速度，將試驗中不同沖擊速度下煤巖試樣加載最大應變率與沖擊速度進行線性擬合，如圖6所示。圖6說明應變率的大小與沖擊速度呈較好線性關系，隨著子彈速度的增大，應變率增大，該結論表明實驗測得的入射波與應力波傳播基本理論具有較好一致性。

圖6 沖擊速度與最大應變率的關系

3 煤巖沖擊破壞動態力學特征分析

圖7為煤巖加載應變率時程曲線。由圖7可知，不同的子彈度沖擊條件下，煤巖試樣均對應一段應變率平緩上升的曲線，說明特制的紡錘形子彈加載達到了初始壓力上升平緩的目的，進行煤巖動態力學分析結論有一定的可靠性。

(a)原煤試樣

(b)砂巖試樣

3.1煤巖沖擊破壞應力-應變曲線特征

圖8為不同應變率下的煤巖試樣的應力-應變曲線。

(a)砂巖試樣

(b)原煤試樣

由圖8(a)可見，不同應變率下砂巖的應力-應變曲線過程大體相同，均具有較長的彈性上升階段和較短的塑性變形階段，試樣達到應力極值后快速進入應變軟化階段。由圖8(b)可見，層理煤樣應力-應變曲線總體上均具有較短的彈性上升階段和較長的塑性變形階段。試樣隨著應變率的升高，整體上線彈性上升應力最大值逐漸變大，但應力上升階段波動性較大。

3.2煤巖試樣破壞特征

沖擊載荷作用下煤巖試樣存在相應程度的應變率敏感性[29]。圖9為不同應變率沖擊下下各個煤巖試樣的破壞形態。

71．80s-188．20s-1101．10s-1115．90s-1131．62s-1137．97s-182．89s-1109．45s-1132．03s-1136．30s-1159．51s-1172．62s-1

圖9 不同應變率下的煤巖試樣破壞形態

Fig.9 Failure modes of coal and rock samples under different strain rates

由圖9中砂巖試樣破壞形態來看，在71.80 s-1～115.90 s-1應變率范圍內，砂巖不破壞或者破壞程度較低，破壞后的試件呈塊狀劈裂結構，為張拉破壞。在131.62 s-1～137.97 s-1應變率范圍內，隨著應變率的升高，試件破碎塊度隨著應變率的提高而減小，破碎體數量顯著增加。

由圖9中原煤試樣的破壞形態來看，在82.89 s-1～109.45 s-1應變率范圍內，煤樣不破壞或破壞程度低，存在與原試件等高的碎塊；當應變率由132.03 s-1增大到172.62 s-1，煤樣破碎產生的碎塊體積越來越小；同時發現在應變率為132.03 s-1和136.30 s-1時，即使應變率十分接近，但破碎形態有很大差異，后者產生的小體積碎塊數明顯增多，分析原因是因層理不同，其所擁有的層理薄弱膠結面受力方向有很大不同，直接影響了試樣破壞形態。

3.3煤巖動態抗壓強度和破壞應變特征

峰值應力是材料在沖擊破壞時的極限應力，可用來表征材料的承載能力。在動態壓縮試驗中，當材料破壞時，其峰值應力也稱為動態抗壓強度，因砂巖Y1、Y2和Y4試樣未破壞，故其峰值應力幅值不是動態抗壓強度值，不予考慮。圖10(a)表示了煤巖試樣動態抗壓強度隨應變率的變化。破壞應變是材料的基本力學特征之一，表征材料極限變形程度。破壞應變隨應變率的變化圖像，如圖10(b)所示。

由圖10(a)看出，在試驗的應變率范圍內，砂巖試樣的動態抗壓強度隨應變率的增大而增大；水平層理原煤試樣的動態抗壓強度隨應變率的增大有增加的趨勢；垂直層理煤試樣的峰值應力隨應變率的變化不明顯。砂巖試樣的動態抗壓強度遠遠大于原煤試樣的動態抗壓強度，由圖9不同應變率下的煤巖試樣破壞形態可以明顯看出巖樣破壞明顯小于原煤試樣。由圖10(a)還可以看出垂直層理原煤試樣的動態抗壓強度略大于平行層理，但兩者的加載應變率差別較大，具體原因還需要進一步試驗分析。同樣由圖10(b)可見，砂巖和原煤試樣的破壞應變隨著沖擊速度增加的變化規律不明顯，這可能與層理、微裂隙等內部初始損傷不均勻有關系[30]。

(a)應變率與動態抗壓強度的關系

(b)應變率與破壞應變的關系

3.4層理煤巖動態彈性模量變化特征

彈性模量是衡量材料剛度特征的重要參數，宏觀層面可以用來表征材料抵抗變形的能力，微觀上用來反映材料內部顆粒、晶體之間的結合方式及程度。動態彈性模量是變化反應了材料動載破壞的動力學特性,利用SHPB桿可以研究一定應變率條件下材料的動態彈性模量變化[31]。由于煤巖破壞前的應力-應變曲線為非線性，因此彈性模量的數值與選擇的參考點有關。巖石、混凝土類材料應力-應變曲線在屈服應力以前可用粘彈性模型來模擬[32]，而煤的本構方程也可以用粘彈性模型來表征。在一維單軸應力σ(t)作用下，相應的應變響應為ε(t)，則動態彈性模量為Ed=σ(t)/ε(t)，也即任意時刻t的割線模量。對所測應力-應變達到應力極限前的曲線進行處理可以獲得動態彈性模量，為了方便分析采用峰值應力與其對應的應變計算出的混合動態彈性模量值做比較，具體數值如表1所示。圖11為應變率與混合動態彈性模量關系圖。

由圖11可知，砂巖的動態彈性模量比層理原煤試樣大1個數量級。砂巖試樣的動態彈性模量隨著加載應變率的增大先減小后增大，而具有層理的原煤試樣隨應變率的增大動態彈性模量變化很小，表現出較強的塑性變化。層理的存在影響試樣的動力學特性。

圖11 應變率與混合動態彈性模量關系圖

4 結 論

(1)?75 mm大直徑分離式霍普金森壓桿(SHPB)煤巖動載實驗中采用紡錘形子彈產生的近似半正弦波加載具有平緩應力波上升沿特征(上升時間達110 μs以上)，更適合煤巖類脆性材料動載實驗。

(2)超聲波測速實驗表明，煤體層理使超聲波垂直穿過時產生層理效應導致波速嚴重衰減，試驗中水平層理取樣的原煤超聲波波速約為垂直層理的2倍；

(3)層理原煤和砂巖的動載破壞應力-應變曲線差異較大，砂巖試樣應力-應變曲線均具有較長的彈性上升階段和較短的塑性變形階段，達到應力極值后快速進入應變軟化階段；而層理煤樣應力-應變曲線總體上均具有較短的彈性上升階段和較長的塑性變形階段。層理特征是導致原煤具有較長塑性變形階段和曲線波動性的重要因素。

(4)砂巖的動態彈性模量比層理原煤試樣大1個數量級。砂巖試樣的動態彈性模量隨著加載應變率的增大先減小后增大，而具有層理的原煤試樣隨應變率的增大動態彈性模量變化很小，具有較大塑性變形。層理的存在影響試樣的動力學特性。

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DynamicpropertiesofbeddingcoalandrockandtheSHPBtestingforitsimpactdamage

XIEBeijing,WANGXinyan,LüPingyang

(China University of Mining & Technology (Beijing), College of Resources & Safety Engineering, Beijing,100083, China)

In order to study the influence of bedding on the dynamic failure characteristics of coal and rock, the impact experiments on bedding coal samples (vertical bedding and horizontal bedding sampling) and sandstone samples with good homogeneity were conducted by using a ?75 mm large diameter split Hopkinson pressure bar (SHPB) dynamic load test device, with the combined use of spindle bullets and ultrasonic detector. The experimental results show that: the approximate half sine wave generated by the spindle bullet has the rising edge feature of a gentle stress wave, which is more suitable for dynamic load tests on the brittle material of coal rock; ultrasonic wave passing vertically through the coal bedding surface will produce serious attenuation effect, leading the ultrasonic wave velocity of passing through the horizontal bedding coal samples to be 2 times of that passing through the samples under vertical stratification sampling; there are great differences between the dynamic load stress-strain curves of bedding coal and sandstone, and the bedding is an important factor for the coal to have a long plastic deformation stage and the curvel volatility; the dynamic elastic modulus ratio of sandstone is 1 order of magnitude greater than that of bedding coal, and the bedding has an obvious effect on the impact damage properties of coal and rock.

bedding; coal and rock impact damage; dynamic mechanical properties; dynamic elastic modulus

X936

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.21.018

國家自然科學青年基金(51404277)；國家自然科學基金(51274206)；中央高校基本科研業務費專項資金(2014QZ05)；中國礦業大學(北京)本科生創新訓練(K201501028)

2016-08-16 修改稿收到日期：2016-12-22

解北京 男，博士，講師，1984年11月生