沖擊荷載下煤的動力學特性實驗研究

陳 軍 張文清

（1.淮河能源控股集團潘二煤礦，安徽 淮南 232000；2.安徽理工大學安全科學與工程學院，安徽 淮南 232001）

目前，國內外學者對煤巖受載荷變形破裂過程中的力學性質研究中靜載荷的較多，動載較少。而材料在靜載與動載破壞時往往表現出不同的破壞形式和力學特征。在煤與瓦斯突出和沖擊地壓災害發生初期，煤礦開采的石門揭煤、爆破掘進等會使煤體承受強烈的沖擊載荷，因此，有必要研究煤巖體在瞬間沖擊破壞時表現出的動力學特性。

從現有的文獻資料看，對巖石類材料、混凝土、金屬材料等的動態力學性能的研究較多，例如中南大學的李夕兵課題組，而針對煤巖的研究相對較少。20世紀80年代起，Klepaczko、劉寶琛、吳綿拔等人開始對煤巖的動態變形特性進行相關研究。近年，單仁亮、劉曉輝等人分別從煤巖的動態強度及本構關系、動態能量耗散等方面開展研究，取得了一定成果。

該文利用分離式霍普金森壓桿裝置（簡稱SHPB）對煤巖進行不同載荷作用下的沖擊壓縮實驗，研究煤巖的動態抗壓強度、彈性模量等力學性能參數及其與應變率的關系，為防治礦山動力學災害提供理論依據。

1 煤巖試件的制備

該實驗選用的煤巖取自淮南礦業集團張集煤礦C煤層。將大煤塊運達學校后，在安徽理工大學巖石試件加工實驗室鉆取加工成直徑為50mm的圓柱形試件，試件的長徑比控制在0.5~1.0。同時，將試件的兩端用砂紙仔細打磨，保證2個端面應該有足夠的光潔度以減少實驗過程中端面摩擦的影響。2個端面的平行度在0.01mm以上，以滿足SHPB實驗要求。制作完成的試件如圖1所示。

圖1 煤巖試件實拍圖

2 動態沖擊實驗

2.1 SHPB裝置基本原理

該實驗是在安徽理工大學沖擊實驗室的75mmSHPB實驗系統上完成的，裝置示意如圖2所示。系統采用的撞擊桿（即子彈）、入射桿、輸出桿直徑均為75mm，長度分別為0.4m、4m和2.5m，材質均為高強度合金鋼，彈性模量為195GPa。

圖2 分離式霍普金森壓桿系統示意圖

用高壓氣體驅動子彈以一定的速度撞擊輸入桿，在輸入桿內產生一個應力脈沖ε（），稱為入射波。入射波沿輸入桿向試樣傳播，經過應變計1被記錄下來。當入射波傳播到試樣位置時，推動試樣開始變形，并在輸入桿中產生一個反向應力脈沖，稱為反射波ε（），到達應變計1時也被記錄下來。另一部分脈沖透過試樣進入輸出桿向前傳播，稱為透射波ε（），經過應變計2時被記錄下來。

基于一維彈性應力波和應力均勻性假設的條件下，試樣的平均應力、平均應變和平均應變率可用公式（1）計算。

式中：為平均應力；為平均應變；為平均應變率；為壓桿的彈性模量；為應力波在壓桿中的彈性波速，本系統為4984m/s；和分別為壓桿和試件的橫截面積；為試件的長度；ε（）和ε（）分別為透射波和反射波對應的應變。

2.2 實驗過程簡介

該實驗共完成8個煤巖試件的沖擊實驗，驅動氣壓控制為0.2MPa~0.4MPa，子彈沖擊速度為4.368m/s~6.153m/s，其中成功取得有效數據的試件6個，其實驗情況統計見表1。

表1 煤巖動態沖擊實驗情況匯總

通過調整驅動氣壓，實現以不同的子彈速度撞擊入射桿，給試件施加不同強度的動載荷。隨著驅動氣壓增大，子彈速度提高，荷載強度越大，試件的應變率也增大。收集不同荷載沖擊后煤巖試件的碎塊如圖3所示。

圖3 沖擊后的試件

1、3、4、5、7和8試件對應的實驗應變率分別為96s、120s、125s、145s、177s和 186s。宏觀上分析，在96～186s應變率范圍內，煤體均處于破碎狀態，但未被完全破碎成粉末狀，這可能與原煤試件的脆性破壞有關。隨著應變率的提高，煤體破碎程度加劇。

3 煤巖動態力學性能分析

3.1 動態力學參數

實驗得到的不同沖擊速度下，煤巖試件的動態抗壓強度、峰值應變、動態彈性模量等動態力學參數如表2所示。

表2 煤巖動態力學參數

3.2 動態應力應變曲線

圖4為不同應變率條件下的煤巖動態應力應變曲線?？梢钥闯?，不同應變率條件下煤巖的動態抗壓強度和動態彈性模量不同，均隨著應變率的提高而增大。

圖4 煤巖動態應力應變曲線

從煤巖的動態應力應變曲線整個過程來看，起始階段由于煤巖固有的內部裂隙受壓，使曲線向上彎曲上升；隨后煤巖進入線彈性階段，曲線近似為直線；當應力繼續上升至峰值應力的80%時，曲線開始向下彎曲，試件內部開始破壞；直至峰值應力以后，試件破壞。由于在峰值應力點后，煤體迅速破壞，峰后應力應變曲線全部為一類卸載（負斜率），而SHPB實驗技術對峰后一類卸載曲線的測量尚存爭議。因此，煤巖的整個變形過程基本包括了密實階段、彈性變形階段、屈服階段和破壞階段。

3.3 應變率效應分析

將煤巖在不同應變率條件下的動態抗壓強度數據描繪在同一坐標中，如圖5所示。

圖5 煤巖動態抗壓強度與應變率的關系

實驗結果表明，在90s~200s的應變率范圍內，隨著應變率的增大，煤巖的動態抗壓強度顯著提高，體現了明顯的應變率效應。利用指數函數擬合得到了較好的效果。

在該實驗應變率范圍內，煤體的動態強度較靜態強度提高了約2倍~5倍，煤是率敏感性材料，具有應變率強化的特點。這是因為煤體的破壞是因為裂紋的產生與發展，而裂紋形成所需的能量遠比裂紋發展所需要的能量高，當加載速率較高時，產生裂縫的數量就多，荷載作用于試件的時間比較短，材料沒有足夠的時間用于能量的積聚時，它只有通過提高應力的方法來達到提高能量的目的，結果導致材料的破壞強度隨應變率的提高而增加。

在實驗應變范圍內，峰值應變也具有明顯的應變率效應，體現出顯著的動態增韌效果。隨著應變率的增大，煤巖的峰值應變近似呈指數增長。

4 沖擊破壞的能量分析

由文獻[1]可知，在SHPB實驗系統中應力波（）所攜帶的能量通過式（2）計算得到。

式中：為應力波攜帶的能量；A為輸入與輸出桿的橫截面積；E為輸入與輸出桿材料的彈性模量；C為一維應力波速度；（）為應力波對應的應力；（）為應力波對應的應變。

那么，根據計算的入射波、反射波和透射波能量，試件的耗散能如公式（3）所示。

式中：W為應力波的入射波能量；W為反射波能量；W為透射波能量；W為試件的耗散能。

計算煤巖試件在不同強度沖擊載荷作用下的能量耗散結果匯總于表3。

表3 煤巖沖擊載荷作用下能量計算結果

由表3可知，隨著應變率的提高，應力波攜帶的入射能、反射能、透射能以及耗散能等能均呈增加的趨勢。

圖6是不同載荷作用下的耗散能隨實驗應變率的變化規律?？梢钥闯?，隨著應變率的提高，應力波攜帶的能量呈線性增長。而試件破壞吸收的耗散能，呈指數增長，即隨著應變率的提高，用于試件破碎的能量快速增加，呈現明顯的應變率相關性。這與前人對巖石在動態沖擊作用下的能量耗散規律研究基本一致。

圖6 耗散能與應變率的關系

5 結論

煤巖的動態變形過程與靜態破壞過程基本相似，都包括密實階段、彈性變形階段、屈服階段和破壞階段。煤巖的動態彈性模量隨應變率的提高而增大，煤巖在達到峰值應力前具有較好的線彈性變形特性。動態抗壓強度具有顯著的應變率依賴性，隨應變率的增大呈近似指數增長。沖擊載荷作用下，煤巖破碎的耗散能呈明顯應變率相關性。隨著應變率的提高，耗散能呈指數增長，說明用于試件破碎的能量快速增加。受實驗樣本數量的限制，煤巖在較低和較高應變率條件下的動態力學特性有待進一步實驗研究。