冲击荷载作用下煤岩动力特性试验研究_张嘉凡.pdf

第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 冲击荷载作用下煤岩动力特性试验研究 张嘉凡， 高壮， 程树范， 张慧梅 （西安科技大学 力学系， 陕西 西安 710054） 摘要 为研究陕北地区硬质煤岩的动态力学性能， 利用应力加载系统和分离式霍普金森压杆 （SHPB） 试验装置， 对煤岩试件进行了基础的动、 静力学特性试验， 研究了其破坏机理。结果表 明 静载作用下， 煤岩试件多为单一裂纹破坏； 而动载作用下， 破坏形式比较丰富， 如低应变率时 的劈裂破坏和较高应变率下的压碎破坏； 弹性模量与峰值应力的率相关性显著， 而峰值应变的 率相关性较弱； 在动态加载方式下， 由于加载速度过快， 试件内部孔隙、 裂隙、 颗粒间距等缺陷闭 合压实时间过短， 宏观上表现为应力-应变曲线压密段缺失。 关键词 煤岩； 动态力学性能； 应变率； SHPB； 破坏形态； 冲击荷载 中图分类号 TD324.1文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020 ） 08-0023-05 Experimental Study on Mechanical Properties of Coal Rock Under Impact Load ZHANG Jiafan, GAO Zhuang, CHENG Shufan, ZHANG Huimei （Department of Mechanics, Xi’ an University of Science and Technology, Xi’ an 710054, China） Abstract In order to study the dynamic mechanical properties of hard coal and rock in northern Shaanxi Province, the basic dynamic and static tests of coal and rock specimens were carried out by using stress loading system and split Hopkinson pressure bar （SHPB）test device, and the failure mechanism was studied. The results show that under static load, most of the coal and rock specimens are damaged by single crack, while under dynamic load, the failure s are relatively rich, such as splitting failure at low strain rate and crushing failure at high strain rate. The correlation between elastic modulus and strain rate of peak stress is significant, but the correlation between peak strain rate is weak. Under dynamic loading mode, the closure time of defects such as voids, cracks and particle spacing is too short due to the fast loading speed, which shows that the stress-strain curve is missing on the macro level. Key words coal rock; dynamic mechanical properties; strain rate; SHPB; destruction ; impact load 煤与瓦斯突出和冲击地压是常见的煤岩动力灾 害，且均在极短时间内发生，这类安全隐患严重制 约着煤矿安全高效开采[1-2]。爆破是煤矿开采中必备 的动力破岩手段，爆破过程中产生高应变率的冲击 荷载是煤与瓦斯突出和冲击地压发生的诱因之一。 因此，研究煤岩冲击荷载作用下的动态特性对于预 防煤矿动力灾害事故具有重要的意义。 Costantino[3]和 Kleplaczko[4]分别对准静态和冲击 载荷作用下煤岩体的力学特性进行了研究；尹土兵 等[5]研究了在冲击荷载作用下不同温度处理后的煤 岩物理力学性质； 刘保县[6]通过单轴压缩及声发射 试验得到了煤岩的损伤演化规律； 袁梅[7]利用自主 研制的三轴渗透仪进行了三轴渗流试验，研究了瓦 斯压力对煤层渗透率的影响； 刘晓辉[8]对煤岩进行 了不同应变率下的冲击压缩试验，从能量的角度分 析了煤岩的动态力学特性； 解北京[9]利用 φ75mm 的 大直径 SHPB 实验装置开展了层理原煤试样和砂岩 试样的对比实验，得到了层理对煤岩冲击破坏力学 特性的影响； 刘少虹[10]通过改进的 SHPB 装置研究 了一维动静组合加载下煤岩的强度特征，认为煤岩 体结构特性增强了煤层对动静载荷的抵抗能力； 潘 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.08.005 张嘉凡， 高壮， 程树范， 等. 冲击荷载作用下煤岩动力特性试验研究 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （8） 23-27. ZHANG Jiafan, GAO Zhuang, CHENG Shufan, et al. Experimental Study on Mechanical Properties of Coal Rock Under Impact Load［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （8） 23-27.移动扫码阅读 基金项目 国家自然科学基金资助项目 （11172232， 51774231） 23 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 图 1煤岩样本 Fig.1Sample of coal rock 俊锋[11]研究了不同冲击倾向度对煤岩动静组合力学 特性的影响。 采用应力加载系统和分离式霍普金斯压杆装置 分别对煤岩进行准静态单轴压缩和冲击压缩试验， 研究煤岩在静载和动载作用下的变形破坏特征， 分 析煤岩弹性模量、动态抗压强度及峰值应变随冲击 荷载的变化规律，从煤岩的动力学本质特性揭示其 破坏机理， 为防治煤矿动力灾害提供理论基础。 1试验设计 1.1试样采集及制备 试验所需煤岩试样采自陕北神木某矿，为确保 试验的可靠性，减小煤岩试件物理力学性质上的离 散性，试样均取自同一块完整的煤岩样本，煤岩样 本如图 1。 根据 GB/T 23561.72009煤和岩石物理力学 性质测定方法规定，将新鲜采集的煤岩样本制成 φ50 mm100 mm 和 φ50 mm25 mm 2 种标准试件， 共计 18 个，拟分别进行准静态单轴压缩试验和 SHPB 冲击试验。按照规范要求， 利用 JKSHM-200S 程控双端面磨石机对煤岩试件的端面进行打磨， 使 煤岩试件平行度小于 0.05 mm， 从而消除试验误差。 试件加工完成后进行编号， 煤岩试件如图 2。 1.2试验方案 准静态下的单轴压缩试验在西安科技大学力学 实验室的应力加载系统上完成。应力加载系统由 DNS200 电子万能试验机和力学参数采集仪组成， 加 载方式采用位移控制， 加载速率为 0.05 mm/min， 数 据采集频率为 1 Hz， 一般情况下煤岩试件破坏时长 在 20～40 min 之间。 本次 SHPB 冲击压缩试验采用 1.2 mm 厚度的 紫铜片滤波， 去除高频信号， 以保持应变率稳定， 在 入射杆距离试件 65 cm 和透射杆距离试件 40 cm处 粘贴电阻应变计， 采用超动态应变仪采集电压信号。 将加工好的冲击压缩试件分为 5 组， 每组 3 个， 采用 分离式霍普金森压杆装置 （图 3） ， 通过控制冲击气 压完成对煤岩试件在不同应变率下的冲击压缩试 验。 试验所用冲击气压分别为 0.25、 0.30、 0.35、 0.40、 0.45 MPa，利用激光测速仪测得对应的冲击速度分 别为 1.98、 2.45、 3.0、 3.56、 4.19 m/s， 根据应变片所采 集到的应变信号， 通过三波法[12]对数据进行处理可 得到平均应变率分别为 79.78、 84.36、 98.05、 119.22、 135.85 s-1。 2试验结果 2.1煤岩破坏形态 煤岩静载作用下的破坏特性与动态破坏特性有 明显的区别，静载作用下试件表现为单一裂纹破坏 形式， 即只存在 1 条主导的破坏裂纹； 动载作用下则 为多裂纹破坏形式， 同时有多条裂纹贯穿， 且冲击速 图 2煤岩试件 Fig.2Coal rock specimen 图 3分离式霍普金斯压杆装置 Fig.3Split Hopkinson presser bar 24 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 图 5静载作用下煤岩应力-应变曲线 Fig.5Stress-strain curve of coal rock under static load 度越大， 贯穿裂纹越多， 破碎越严重。不同应变率下 煤岩试件破坏形态如图 4。 由图 4 可以看出， 当应变率为 79.78 s-1时， 试件 出现 Y 型破坏裂纹， 试件较为完整， 没有发生整体 破碎； 当应变率为 84.36 s-1时， 试件被进一步压碎， 沿轴向发生劈裂破坏， 碎块较大； 当应变率为 98.05 s-1和 119.22 s-1时，碎块越来越多且伴有一些粉末 状煤渣，但都存在粒径明显较大的碎块；在应变率 为 135.85 s-1时， 试件破碎程度最为严重， 由于应变 率高， 冲击能量大， 冲击波持续时间长， 粒径较大的 煤块也被压碎，属于整体压碎破坏。从破坏特征来 看， 煤岩试件先碎成大块， 随着应变率的增加， 碎块 被进一步压碎，粒径不断变小且块数越来越多， 最 终破碎为粉末， 表现出明显的应变率效应。 分析认为，在静态加载时，应力与应变同步变 化， 随着荷载的增加， 试样薄弱处首先开裂， 在裂纹 尖端开始出现应力集中，同时导致周边应力减小， 限制了其他裂纹的有效开展， 形成 1 条主裂纹； 而高 应变率加载条件下，在单一缺陷及其周围应力降低 的区域，由于撞击杆冲击速度快但应变传播速度过 慢，来不及阻止其他小的缺陷或者亚缺陷被激活， 从而出现了多条主要裂纹。 2.2应力-应变曲线特性 静载作用下煤岩应力-应变曲线如图 5。由图 5 可以看出，静载作用下的应力-应变曲线大致可分 为 4 个阶段 压密阶段、 裂隙稳定发展阶段、 微裂纹 扩展阶段和失稳破坏阶段。初始加载时，煤岩试件 内部原生裂隙闭合，颗粒间接触面积增大，试件逐 渐被压实； 在经过裂隙稳定发展阶段后， 试件内部形 成了微裂纹， 其局部承载能力在下降， 但整体承载能 力在上升； 应力达到峰值后， 煤岩试件开始进入失稳 破坏阶段， 随着应变增加， 应力急速下降， 试件被完 全压坏。 不同应变率下煤岩动态应力-应变曲线如图 6。 由图 6 可知， 煤岩动态应力-应变曲线大致可分为 3 个阶段线弹性阶段、裂纹扩展阶段和塑性软化阶 段。在线弹性阶段，当应变率为 79.78 s-1时弹性模 量为 1.193 GPa，应变率为 135.85 s-1时弹性模量为 2.253 GPa， 弹性模量增幅为 88.8， 表现出较强的 率相关性；在裂纹扩展阶段，当应变率为 79.78 s-1 时峰值应力为 11.95 MPa， 应变率为 135.85 s-1时峰 值应力为 26.59 MPa， 峰值应力增幅为 114.1， 表现 出很强的率相关性； 而应变率为 79.78 s-1时峰值应 变为 5.5710-3，应变率为 135.85 s-1时峰值应变为 8.9610-3， 峰值应变增幅为 60.9， 相对于峰值应力 与峰值应变， 表现出相对较弱的率相关性； 在塑性软 化阶段， 当应变率较低时， 应变先增大后减小， 有明 显的回弹现象，这种现象表明煤岩试件在被冲击破 坏后并没有严重破碎，保持了一定的完整性，在加 载后期还有一定的反弹； 而当应变率较高时， 没有出 现回弹现象，说明煤岩试件已经完全破碎从两侧飞 移， 此分析结果与图 4 中煤岩试件破坏形态相对应。 可见， 煤岩的动力学特性决定了其破坏形态， 均表现 出明显的应变率效应，因此通过合理设计煤岩爆破 参数可提高煤炭块煤率实现优质高效开采。 通过图 5 与图 6 对比分析， 可以看出， 静载作用 下煤岩应力-应变曲线有明显的压密阶段，而煤岩 图 4不同应变率下煤岩试件破坏形态 Fig.4Failure modes of coal and rock under different strain rates 25 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 动态应力-应变曲线压密段缺失，从曲线上看是直 接进入线弹性阶段的。分析认为，煤岩体内部结构 复杂， 在动态加载下， 由于冲击速度过快， 煤岩试件 孔隙、裂隙、颗粒间距等缺陷闭合压实时间过短而 导致的。 2.3应变率效应 不同的冲击气压下产生不同的冲击速度，所对 应的应变率也存在差异，应变率与冲击速度的变化 关系如图 7。 从图 7 可以看出，煤岩试件的应变率随着冲击 速度的增加而增加，近似二次多项式增长规律， 具 有较强的相关性， 其表达式为 ε ˙5.198v2-5.329v68.422 （R20.988） （1） 式中 ε ˙为平均应变率； v 为冲击速度。 因此可通过设计冲击速度控制应变率的大小， 为煤炭开采参数的选取提供依据。 弹性模量与应变率的变化关系如图 8。 由图 8 可知，弹性模量与应变率近似呈线性增 长关系， 其表达式为 E0.017ε ˙-0.168 （R20.94）（2） 式中 E 为弹性模量； ε ˙为应变率。 动态抗压强度与应变率的变化关系如图 9。 由图 9 可知，动态抗压强度与应变率近似呈线 性分布关系， 表现出较强的相关性， 其表达式为 σb0.249ε ˙-7.224 （R20.972）（3） 式中 σb为煤岩试件的动态抗压强度。 峰值应变与应变率的变化关系如图 10。 从图 10 可以看出， 峰值应变与应变率近似呈指 数分布关系， 其表达式为 εb0.102e ε˙/37.27 5 （R20.967）（4） 图 10峰值应变与应变率的变化关系 Fig.10The relationship between peak strain and strain rate 图 9动态抗压强度与应变率的变化关系 Fig.9The relationship between dynamic compressive strength and strain rate 图 6不同应变率下煤岩动态应力-应变曲线 Fig.6Dynamic stress-strain curves of coal rock under different strain rates 图 7应变率与冲击速度的变化关系 Fig.7The relationship between strain rate and impact speed 图 8弹性模量与应变率的变化关系 Fig.8The relationship between elastic modulus and strain rate 26 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 式中 εb为峰值应变。 3结论 1） 静载下， 煤岩试件表现为单一裂纹破坏形式； 动载下低应变率时， 试件呈现 Y 型破坏， 能保留较 完整碎块， 随着应变率的增大， 多条裂纹相互贯通， 碎块进一步被压碎， 最终碎成粉末。 2 ） 随着应变率的增加， 弹性模量和峰值应力增 幅明显， 分别为 88.8和 114.1， 表现出较强的率 相关性， 峰值应变增幅相对较低， 其值为 60.9， 表 现出稍弱的率相关性。 3） 煤岩体内部结构复杂， 在动载作用下， 撞击杆 加载速度过快， 煤岩试件内部孔隙、 裂隙、 颗粒间距 等缺陷闭合压实时间过短，宏观上表现为应力-应 变曲线压密段缺失。 参考文献 ［1］ 姜耀东， 潘一山， 姜福兴， 等.我国煤炭开采中的冲击 地压机理和防治 ［J］ .煤炭学报， 2014， 39 （2） 205. ［2］ 陈晓坤， 蔡灿凡， 肖旸.2005-2014 年我国煤矿瓦斯事 故统计分析 ［J］ .煤矿安全， 2016， 47 （2） 224-226. ［3］ Costantino M. 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