含水煤样动态拉伸能量演化与破坏特征试验研究.pdf

第4 6 卷第2 期 2 0 2 1 年2 月 煤炭学报 J O U R N A LO FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 6N o ．2 F e b ．2 0 2 l 含水煤样动态拉伸能量演化与破坏特征试验研究 杨科1 ’2 ，魏祯1 ’2 ，窦礼同1 ’2 ，池小楼1 ’- ，刘文杰1 ’2 ，张继强1 ’2 1 ．安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，安徽淮南2 3 2 0 0 l ；2 ．安徽理工大学煤矿安全高效开采省部共建教育部重点 实验室，安徽淮南2 3 2 0 0 1 摘要为研究不同含水煤样动态拉伸变形破坏过程的能量耗散规律，利用分离式霍普金森压杆 s H P B 试验系统，对不同含水煤样进行冲击加栽下的动态劈裂试验，并结合超高速数字图像相关 D I C 试验系统对煤样动态拉伸破坏过程进行观测。基于试验结果分析，获得了煤样破坏过程能 量耗散特性随含水率的变化规律，分析了含水率对破碎煤样分形维数的影响。研究结果表明，冲击 载荷下应力波是煤样内部大量微损伤结构及原生孔隙、空隙损伤演化的主控因素，煤岩体破碎是一 个能量吸收与耗散的过程，随着冲击载荷的增加煤样耗散能密度呈线性增大，但当入射能较小时煤 样耗散能密度值相差不大；试样分形维数随加载气压的增加而增加，且增加速率有减小趋势，同种 加载气压下，饱和煤样的分形维数最大，干燥煤样的最小；煤样破坏主要以拉伸劈裂为主，破坏裂纹 沿加载方向发育，率先在圆盘中部起裂，随后萌生多条次生裂纹，次生裂纹随加载气压的增大而增 多，低加载气压下，劈裂裂纹在煤样中的扩展时间较长，扩展速度较慢；基于数字图像技术发现冲击 载荷下饱和煤样中部出现多个主应变集中域，且范围逐渐扩大最终沿径向发育贯通。 关键词动态拉伸；分离式霍普金森压杆 S H P B ；能量耗散；数字图像相关法 D I c ；分形维数 中图分类号T D 3 1 5 文献标志码A 文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 2 1 0 2 0 3 9 8 1 4 l h s e a r c ho nd y n a m i ct e n - s i l ee n e r g ye V o l u t i o na n df t a c t a lc h a r a c t e r i s t i c sO f w a t e r ．b e a r i n gc o a ls a m p l e s Y A N GK e l ’- ，W E IZ h e n l ”，D O UL i t o n 9 1 ”，C H IX i a o l o u l ”，L I UW e n j i e l ”，Z H A N GJ i q i a n 9 1 ’2 1 ．＆n 抛研L 0 6 0 m t o 叮∥肘溉n g 风印邯eo 砌D 括∞￡e rP 舢眦i 肌。以c 0 眦r o f 汛珧印c 。Ⅱf 胧M ，A 砒Ⅱi №妇脂妙o ，＆如n 钾Ⅱ蒯z o c 加f o ∥，Ⅳ“n j n n n 2 3 2 0 0 1 ，C h i M ；2 ．研k 6 0 m ￡o ∥o ，￡k “凡括眇矿E d u ∞￡如n 扣r _ s 咖鲫d 坳％i e 眦c o 以 以n i n g ，1 4 n “￡，凡i 钾瑙蚵旷 如聊eo n d 死c 加如g y ，H M i 舱n 2 3 2 0 0 1 ，C h i n o A b s t m c t I no r d e rt os t u d yt h ee n e r g rd i s s i p a t i o nl a wo fd y n a m i ct e n s i l ed e f o 珊a t i o na n df a i l u r ep r o c e s so fc o a ls a m - p l e sw i t hd i f 玷r e n tw a t e rc o n t e n t ，t h es p l i tH o p k i n s o np r e s s u r eb a r S H P B t e s ts y s t e mw a su s e dt oc a r r yo u tt h ed y n a m i cs p l i t t i n gt e s to fd i f k r e n tw a t e rb e a r i n gc o a ls a m p l e su n d e ri m p a c tl o a d i n g ，a n dt h ed y n a m i ct e n s i l e f a i l u r e p r o c e s so fc o a ls a m p l e sw a so b s e r v e dw i t hu l t r a h i g hs p e e dd i g i t a li m a g ec o n ．e l a t i o n D I C t e s ts y s t e m ．B a s e do nt h e a n a l y s i so ft h et e s tr e s u l t s ，t h ec h a n g el a wo fe n e r g yd i s s i p a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fc o a ls a m p l e sw i ￡hm o i s t u r ec o n t e n “n t 1 1 ef 撕l u r ep r o c e s sw a so b t a i n e d ，a n dt h ei n n u e n c eo fm o i s t u r ec o n t e n to nt h ef r a c t a ld i m e n s i o no fb m k e nc o a ls a m p l e s w a sa n a l y z e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h es t r e s sw a v ei st h em a i nc o n t r o lf a c t o ro ft h ed a m a g ee v o l u t i o no fal a r g en u m b e r 收稿日期2 0 2 0 1 1 2 8修回日期2 0 2 0 一1 2 2 5责任编辑钱小静D O I 1 0 ．1 3 2 2 5 ／jc nk i _ j c c s ．x R 2 0 ．1 8 5 7 基金项目国家重点研发计划资助项目 2 0 1 6 Y F c 0 8 0 1 4 0 2 ，2 叭9 Y F C l 9 0 4 3 0 4 ；安徽省“1 1 5 ”产业创新团队基金资助 项目 作者简介杨科 1 9 7 9 一 ，男，四川叙永人，教授，博士。E m a i l y k s p 2 0 0 3 1 6 3 ．c o m 通讯作者魏祯 1 9 9 2 一 ，男，甘肃会宁人，博士研究生。E m a i l s d w e i z h e n 0 3 0 2 1 6 3 ．c o m 引用格式杨科，魏祯，窦礼同，等．含水煤样动态拉伸能量演化与破坏特征试验研究[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 1 ，4 6 2 3 9 8 4 1 1 ． Y A N GK e ，W E IZ h e n ，D O UL i f o n g ，e ta 1 ．R e s e a r c ho nd y n a m i ct e n s i l ee n e r g ye v o l u t i o na n df m t a lc h 唧c t e r i s t i c s o rw a t e 卜b e a 而n gc o a ls a m p l e s [ J ] ．J o u m a lo fc h i n ac o a ls o c i e l y ，2 0 2 l ，4 6 2 3 9 8 4 1 1 ． 移动阅读 万方数据 第2 期杨科等含水煤样动态拉伸能量演化与破坏特征试验研究 3 9 9 o fm i c r od a m a g es t r u c t u r e sa n dp d m a r yp o r e sa n dv o i d si nc o a ls a m p l e su n d e ri m p a c tl o a d ．T h ec o a la n dm c km a s s f h c t u r ei sap r o c e s so fe n e r g ya b s o r p t i o na n dd i s s i p a t i o n ．W i t ht h ei n c r e a s eo fi m p a c tl o a d ，t h ed i s s i p a t e de n e r g yd e n s i - t yo fc o a ls a m p l ei n c r e a s e sl i n e a r l y ，b u tw h e nt h ei n c i d e n te n e r g yi ss m a l l ，t h ev a l u eo fd i s s i p a t e de n e r g yd e n s i t yo f c o a ls a m p l eh a sl i t t l ed i f k r e n c e ．T h ef I ‘a c t a ld i m e n s i o no fc o a ls a m p l ec h a n g e sw i t hl o a d i n g ．U n d e rt h es a m el o a d i n g p r e s s u r e ，t h ef h c t a ld i m e n s i o no fs a t u m t e dc o a ls a m p l ei st h el a r g e s t ，w h i l et h a t o fd r yc o a ls a m p l ei st h es m a U e s t ．T h e m a i nf a i l u r em o d eo fc o a ls a m p l ei st e n s i l es p l i t t i n g ，a n dt h ef a i l u r ec r a c kd e v e l o p sa l o n gt h el o a d i n gd i r e c t i o n ，w i t ht h e f i r s tc r a c k si nt h em i d d l eo ft h ed i s c ，a n dt h e nm u l t i p l es e c o n d a r yc r a c k sa r ei n i t i a t e d ，w h i c hi n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s e o fl o a d i n gp r e s s u r e ．B a s e do nd i g i t a li m a g et e c h n o l o g y ，i ti sf b u n dt h a tt h e r ea r em a n ym a i ns t r a i nc o n c e n t r a t i o nr e g i o n s i nt h em i d d l eo fs a t u r a t e dc o a ls a m p l eu n d e ri m p a c tl o a d ，a n dt h er a n g eg r a d u a l l ye x p a n d s ，a n dn n a l l yd e v e l o p sa n d p e n e t m t e sa l o n gt h er a d i a ld i r e c t i o n ． K e yw o r d s d y n a m i cs t r e t c h i n g ；s p l i tH o p k i n s o np I ℃s s u r eb a r S H P B ；e n e r g yd i s s i p a t i o n ；d i g i t a li m a g ec o I T e l a t i o n D I C ；f r a c t a ld i m e n s i o n 水是影响材料力学性能的主要因素之一，在煤炭 开采工程中，深部高地压强扰动易诱发工程次生灾 害，产生导水裂隙，形成大量矿井水‘2 j 。地下水库 抽水蓄能发电工程的建设，可有效降低矿井水外排造 成的水体损失，提高电力系统运行的可行性与安全 性∞。5 1 。煤矿开采预设的煤柱和人工墙体构成了地 下储水库，地下水长期浸湿煤柱墙体MJ 。煤矿开采 时，含水层隔水煤柱的设计，富水巷道的掘进与支护， 都要考虑水与煤体的相互作用。另外，煤岩体自身结 构复杂多变，冲击载荷作用下的力学性能与静载时存 在较大差异娟J 。抽水蓄能发电工程的地下煤柱墙 体长期受动载作用，为防止工程体由于动载冲击造成 煤岩破坏诱发灾难性事故，必须了解不同含水状态煤 样的冲击破坏特征一』。因此，通过不同含水煤样的 动态拉伸试验揭示煤岩冲击破坏机制，对地下水库煤 柱设计，巷道安全支护等具有重要指导意义。 近年来，国内外学者对浸水煤体的力学性能开展 了大量试验研究与探索，但多数成果集中在静载下水 对煤样力学性能的影响，重点研究了饱水煤样的静态 拉伸特性，普遍认为静载下水对煤样力学性能具有弱 化作用0 。J 。大量现场工程案例分析表明，煤岩体 常常发生动态失稳破坏2 I ，而煤岩体动态抗拉特性 是其重要的力学属性，对冲击加载下的煤岩稳定性控 制、冲击地压致灾机理进行研究具有重要意义。目 前，学者们采用分离式霍普金森杆 s H P B 试验装置 针对煤岩动载下的力学性能开展了大量研究工作，并 取得了一些有意义的研究成果。李夕兵等纠利用改 进的霍普金森杆装置开展了花岗岩层裂破坏试验，分 析了冲击载荷下硬岩层裂破坏特性。袁璞等4 1 采用 分离式霍普金森压杆 s H P B 装置对不同含水状态 的砂岩进行冲击压缩试验，获得了砂岩动态单轴抗压 强度随含水率的变化特征。K I M 等副研究了含水率 和加载速率对砂岩物理特性的影响。z H A O 等钊研 究了层理倾角和加载速率对煤样裂纹萌生和扩展的 影响。杨仁树等Ⅲ1 针对层状砂岩的动态变形破坏特 征，结合数字图像相关法进行了不同层理倾角下的砂 岩动态巴西圆盘试验研究。A I 等副采用分离式霍 普金森压杆 s H P B 开展了动态砂岩巴试验，结合数 字图像处理技术，分析了冲击载荷下裂纹扩展与动态 力学性能的关系。能量是材料发生破坏的内在因素， 贯穿于物质变形破坏的整个过程，分析能量耗散特征 是研究煤岩体破坏机制的主要途径1 1 9 。2 1o 。学者们基 于能量耗散原理，针对不同煤岩体的动态变形破坏也 开展了一系列试验研究，分析了煤岩体的能量耗 散心2 | 、分形特征心33 与储能特性Ⅲ] ，提高人们对煤岩 体破坏过程能量耗散的认识。然而，地层煤体含有一 定的水分，使得煤样的动态拉伸试验结果存在差异， 因此，有必要开展不同含水状态煤样的动态变形破坏 过程能量耗散特性，从宏观上解释含水煤样的动态破 坏机制；同时，采用称重法计算煤样分形维数定量描 述其变形破碎形态，可以合理反映出试样的破坏程 度。据此，笔者开展不同含水煤样动态拉伸能量耗散 与分形特征研究。 巴西圆盘的间接拉伸试验是测试煤岩体抗拉性 能最简单有效的方法。基于静态拉伸试验原理，经过 多年的理论与装置创新，研发了分离式霍普金森压 杆 S H P B 试验装置，实现了材料的动态拉伸性能测 试旧5 | 。为了进一步深入研究冲击载荷下不同含水状 态煤样的变形破坏特征，选取陕西彬长矿区胡家河煤 矿的硬煤，采用安徽理工大学咖 5 0m m 分离式霍普 金森压杆 s H P B 试验系统，以深部不同含水煤样为 研究对象，探究不同含水煤样动态破坏过程的能量耗 散与分形特征，试验时，通过高速数字相机捕捉记录 煤样裂纹扩展过程，从而对冲击载荷下的煤样应变 万方数据 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 场、位移场动态演化过程、裂纹扩展行为及力学属性 的变化规律进行分析研究，揭示不同含水状态煤样的 动态破坏机制。 l 试验概述 1 ．1 试样制备 试验所用煤样取自陕西彬长矿区胡家河煤矿 4 0 1 1 0 3 工作面，地理位置如图l 所示。根据【到际岩石 力学与工程学会对巴西劈裂试验测定材料动态拉伸强 度的建议1 2 6 l ，将完整性和均质性较好的煤块进行取 芯、切割成西5 0m m 2 5m n 圆盘试样。为满足S H P B 试验要求，减小端面摩擦效』、证，采用s H M 一2 0 型双端 面磨石机对圆盘试样研磨抛光，要求煤样端惭不平行 度小于0 ．0 5m m ，端面直径偏差小于0 ．0 2m n ，。为保证 试样物理力学性质的关联性，避免试样结构和成分差 异，所有试样均取自同一完整煤块。 N ；度 ，o 、 ＼一／ 研究区域 胡家河煤矿 图l 试验收样地理位置 F i g ．1 ；e g r a p h i c a ll J ’a t i n ft e s ts a l l l p l i n g 试验对象共分为5 组，每组1 5 个并进行不同含 水率煤样制备，具体步骤如下 】 将所有煤样放置存恒温干燥箱内烘1 二，获得 干燥煤样 含水率为o ，其质量为m m ，。 2 根据G B ／T 2 3 5 6 1 ．5 2 0 0 9 采用真李抽气装 置制备饱水煤样，其质量为m 。．，计算可得到煤样饱 和含水率为 Ⅲ．坠丛1 0 0 ％ I Ⅲ．． xl U U _ 0llJ “‘ m m 3 采用自然吸水法对煤样进行浸水处理，选取 干燥煤样放人纯净水水箱，每隔3 0m i n 取出，拭去表 面水分进行称量，当煤样质最接近预定含水率时，缩 短称量时问问隔，直至达到预先设定的含水率，其质 量为m 。。，将制备好的煤样用聚乙烯薄膜包裹，防止 水分发生变化，试验含水率的取值参照P A N 等。2 一的 研究。重复卜．述步骤，得到介于干燥和饱和水状态之 问的煤样，含水率计算公式I 酬J 为 Ⅲ⋯．坠盟1 0 0 ％ 2 跗，。。2 xl u u 7 8 Lz ， 为了充分探究含水率对煤样动态拉伸的影响，试 验设置5 组不同含水率，包括T 燥状态、饱和水状态 和3 种未饱和含水率，每组1 5 个煤样。含水率煤样 制备结果见表l ，此种煤样饱和含水率为3 ．J 7 4 ％。 表l 试验煤样含水率 T a b l elM o i s t u r ec O n t e n to ft e s tc o a ls a m p l e％ 2 ．1 3 7 ．2 2 ．1 2 8 ．2 2 ．1 0 8 ．2 2 ．1 4 8 ．2 1 3 ．21 6 6 1 4 ．2 ．1 7 3 1 1 9 ．2 ．1 5 6 l 3 ．2 ．1 1 3 B D 一3 一 5 2 ．1 5 7 ．21 5 2 ．21 4 3 试验前，在煤样表面通过喷漆方式制作散斑，散 斑大小、密度及不规则度等满足数字图像相关法计算 要求旧”。试验I I 寸，追踪煤样表面的数字图像散斑点， 获得煤样动态拉伸过程中表面』、证变信息。 1 ．2 试验系统与方案 本试验采用中南大学研制的异性冲头s H P B 试 验系统，如图2 所示。试验装置压杆直径为5 0m n ， 压杆和冲头为高强度合金钢材料，密度78 0 0k g ／I l ，3 ， 弹性模量2 1 0 j P a ，纵波波速51 9 0H ∥s ，冲击波形为 正弦波。试验时，异性冲头沿轴向以一定的速度撞击 输入杆，在输入杆中产生应力波。当应力波传输到煤 样时，煤样产牛反射应力波传输到输入杆中，同时煤 样透射一个应力波传输到输出杆中，粘贴在压杆L 的 应变片将会接收剑相应的应力波信号。 试验数据采集设备包括s I Y 2 1 0 7 A 超动态应变 0 5 0 5 3 3 4 4 一 一 一 3 3 3 一 一 一 一 D D D D B B B B 稗饱牝 陕 西甲＼． 成 万方数据 第2 期杨科等含水煤样动态拉伸能艟演化‘j 破坏特征试验研究 压，e 腔子弹红外测速入射朴 B D 煤样 透射杆吸收杆 吸收装置 激j 匕测速仪 ，L ／ ＼ fo1 ioj 、r 二 超高速摄像机和l t J 光灯 桥盒 oj 、、一／ 赢簟蔫臻 超动态应变采集仪 _ 波器电脑 图2s 川’B 及高速数字牛H 关试验系统 F i g ．2 S H P Bn 1 1 11 1 i g hs p e e 1 【l i g i t a I ‘ H ．r e l a t i o nt e s t ‘y s t r n l 仪、Y o k o w a g a I L 8 5 0 E 型示波器和超高速数宁图像 相关 D I c 试验系统3 部分，数字图像相关试验系统 主要由F A S T C A MS A z 型高速相机、照明闪光灯、触 发与同步控制系统组成。试验前，设定高速相机拍摄 速度为1 2 00 0 0f p s ，图像分辨率为2 5 6p i x e l 4 0 8p i x _ e l ，可以清晰的捕捉煤样变形破坏特征，满足试验要 求。试验通过凋节氮气压力控制异性冲头的速度和 入射波幅值。 为了寻找合适的加载气压，试验前对备用煤样进 行试冲。试冲发现，煤样抗拉强度相对较小，试验采 用0 ．3 0 ，0 ．3 5 ，0 ．4 0 ，0 ．4 5 ，0 ．5 0M P a 五个加载气压进 行试验，每个加载气压3 块平行试样，共进行了7 5 次 动态拉伸试验，试验结束后，从【f l 选取符合标准要求 的有效试验结果进行对比分析。 为提商试验结果的准确性，每次试验时，在压杆 和煤样接触的位置涂抹凡十林，使煤样与压杆紧密接 触，减小摩擦效J 、迈的影响。 2 试验结果与分析 2 ．1 应力平衡验证 首先对试样编号进行说f 1 』】，表1 中编号B 1 一l _ 0 ．3 0 ，B D 代表巴西劈裂试验，l 代表第l 组试验， o ．3 0 代表加载气压。对于s H P B 试验，试样破坏前 的应力平衡是动态试验结果有效的先决条件卜”j ，冲 ．t i 加载时，入射杆和透射杆J 的应变片采集电信号， 通过信号转化，获得试样2 端弹性杆中的应变 应 力 随时问的变化情况。根据试验数据，绘制f } j 典型 试样动态拉伸试验应力平衡图，如图3 所示。由图3 可知，冲击加载过程中透射波曲线与入射波和反射波 叠加曲线基本取叠，表明试样破坏前两端应力荩本平 衡，其试验结果是有效的。试验数据处理时，对所有 试验结果进行严格的应力平衡验证，剔除不满足条件 的试验结果。 图3典，趔试样的动态膻／J 半衡 F i g ．3D y n a n l i s I l e s sb a l a n ．P fl y } ，i 1 a 】s p e ‘i n l e f l 2 ．2 应变场演化特征 将冲击加载时煤样初始散斑l 到作为参考，选取加 载过程典型时刻的散斑图作为变形图像，利用l ’h r 卜 f I n h 与P 删V i e w e ’数字图像前后处理软件，对试验 散斑图像进行分析∞川。图4 ，5 为加载气压为 0 ．3 0M P a 时，不同含水率的典型拉伸煤样应变场演 化厶图 图4 为最大主应变，图5 为剪应变，拉应变为 正，压应变为负 。从图4 可以看出，在冲击载荷作 用下不同含水煤样应变场演化特征大致为煤样中部 率先形成最大主应变集中带，且迅速扩展发育，直至 试样破坏。表明试样在中心处最先达到破坏临界值 而发生断裂，并迅速扩展形成平行于加载方向的宏观 裂纹。 煤样动态拉f l { _ j 过程中，最大主应变场表现出较好 的对称性，即加载时试样处于动态平衡状态。煤样在 径向对称的冲击载荷下，中心处拉应变始终保持最 万方数据 4 0 2 29 2 制 词 4 4 型 昭 O0 2 2 ．8 8 O 6 4 ．4 2 2 2 O 3 ．5 8 制 崔 02 2 煤炭 学报 3 ．4 0 制 崔 5 8 岩 01 2 4 2 0 8 3 5 2 厂] ’●I 嘲． 4 5u s 6 0 8 制 翻 3 ．0 4 型 谣 7 5 8 制 型 3 ．2 4 型 谥 2 0 2 1 年第4 6 卷 、一 6 5u s 制 倒 3 ．2 9 接 强 3 ．6 8 1 0 5H s 1 2 5 “s1 4 5 s 1 6 5 ”s e 饱利 阁4 不同含水煤样 加载气压0 ．3 0M P a 最大丰应变分布 “g ．4 M a x i l T l u n l1 l i l l t i l _ J a ls t r a 而f i e l 【i ‘“s l r m u t i o nw i t ht j i f 卜m 1 1 1w a t e r ’ 1 1 1 I P l l I I L a i 抽gp r e s ⅥJ l PO ．3 0M P a 大，微裂纹从中心处产生，并沿径向发生劈裂破坏，该 响，煤样应变集中带范围较宽，结合右侧剪应变云图， 现象与静载巴西圆盘试验现象相一致，垂直加载方向 的拉应力 图4 是裂纹萌生扩展的主要因素。 l ， ，5 b 为含水率为1 ．7 6 5 ％的煤样在 冲击载荷下的应变场云图。从图4 } ， ， 5 b 可以看出，煤样中心位置呈现显著的应变集中， 即煤样裂纹在拉应力和剪应力共同作用下，首先在中 心区域起裂扩‘展。与干燥煤样相比，受含水量的影 冲击加载下剪应变值较小，表明煤样破坏模式为张了 断裂型。 图4 e ，5 e 为饱和煤样在0 ．3 0M P a 冲击动载 作用下的应变场云图。从图4 p ，5 e 可以看出，试 样中部出现多个主应变集中域，主应变集中域的数量 与冲击载荷大小无关，随着冲击载荷的作用，主应变 集中域扩展发育，最终形成一条沿径向贯通的应变集 4 6 2 3 9 L 4 ● ㈡．．㈠口圈■■●■■_■■ ■■■●『 制型州K 略 0 8 ● ● 8 卜 4 一㈠川_二㈠口■●■■■■■■ 5 6 8 3 4 8 l 4 一 ．■i口■■■■■■■■ H H U 弘 盯 № 8 3 ____；_川㈠H甚■■■■■- 制翟- { 文瑙 0 0 ●1J 8 6 卜 3 ， 一 门HH■■■■■■- 制芝耳 瑙 6 5 2 5 5 9 3 ㈠㈠二二二H■■●■■■■■● n二_㈠㈠㈡1口阁渊0l■_] ■■■■■■■■■■■|_llllllllllll__ 制芝叫K 嘣 舶 川 坻 6 2 1 ㈠H]_ro』H翻■■■■■■___■ “ K 皤 Ⅺ 厂110ik燃酽I．L■冒目国 万方数据 第2 期杨科等含水煤样动态拉伸能量演化与破坏特征试验研究 4 0 3 0 5u s 礴 ● 1 0 5u s 爿移簿 1 0 5u s 08 l 制 0 1 3 器 O5 5 l0 9 r ] 『繇。蝤 L 一 制 0 3 1 器 1 ．3 3 制 0 2 1 器 10 3 O ．8 5 斟 o ．3 1 望 14 7 O ．5 3 制 O ．0 4 型 i 永 一04 5 2 5u s 一▲ 1 2 5L L s n Lj 1 2 5u s 囊 ● 嘈 1 2 5L L s 12 5L I s 制 O ．2 3 罴 O ．5 9 2 ．0 7 n 謦警 Lj fa 、w 0 。4 ，翼鬃 1 心 1 ．7 9 2 ．6 2 4 5u s 。；‰1 rb l w 1 ．7 6 5 ％ 制 o ．6 1 黑 12 6 O ．8 5 c 制 0 4 5 罂 18 1 d 0 ．8 5 制 O ．3 1 翻 j 甚 4 7 1 4 5u s e 饱和1 4 5 H 8 0 9 制 O ．2 4 罴 0 ．5 9 23 3 日 I 送一 制 o ．4 7 挥纛 1 卟 8 2 2 ．6 2 制 o6 7 器 14 0 2 ．5 2 制 0 8 5 器 0 3 制 O4 4 翻 l5 5 6 5u s 16 5u s 1 6 5L L s 图5不同含水煤样 加载气压0 ．3 0M P a 剪应变场分布 F i g ．5 S h e a rs t r a i nf i e l 1c I i s t r i b u t j o no f 1 0 a 1s a n l p l e sw i t hd i f I b r e n tw a t e rc 0 1 1 t e n t 1 【 a d i n gp r e s s u r e0 ．3 0M P a 中带。从饱和煤样最大主应变云图可以看出，应变集 中带的数值大小不一，但最值始终位于应变集中域； 从剪应变云图可以看出，冲击载荷作用下试样中部出 现若干剪应变集中域，但剪应变集中域未贯通形成明 显的应变集中带，表明试样裂纹扩展以张拉型为主。 饱和煤样的裂纹扩展较为复杂，煤样中部首先形 成多个主应变集中域，外动载作用下，应变集中域范 围逐渐扩大，且沿加载方向发育贯通。饱和煤样剪应 变云图没有明显的分布规律，且数值较小，该现象主 3 3 制 0 7 4 器 一0 ．6 2 26 8 制 0 4 7 器 2 ．0 5 2 ．8 8 制 0 6 6 器 15 6 3 ．0 1 制 1 0 4 器 1 ．9 4 1 8 制 0 ．5 1 翟 j 积 要是由于在外载荷作用下，受含水量的影响，煤样内 部水体来不及排除，在孔隙裂隙中产生较高的孔隙压 力，与冲击力相互叠加作用。 图6 为不同加载气压下典型煤样的最大主应 变演化特征。结合图4 ，5 中含水率为2 ．13 6 ％煤 样0 ．3 0M P a 动态载荷下的应变场演化，可以看 出，煤样最大主应变值随加载气压的增大而增大， 试样中部区域均出现主应变集中带，且沿径向贯 穿煤样。图6 a 为含水率为2 ．13 6 ％煤样在 万方数据 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 0 ．3 5M P a 冲击载荷下的最大主应变分布云图。 煤样动态破坏的最大主应变值随时问增加而增 大，10 5 s 时为4 ．4 7 ，l6 5 斗8 时为6 ．9 1 。同一时 刻圆盘试样的最大主应变随加载气压的增大而增 制 倒 3 ．5 4 州 _ K 皤 O 1 3 7 3 2 制 目 3 ．7 1 型 嘣 0 ．1 1 大，l6 5 s 时0 ．3 0M P a 和0 ．5 0M P a 冲击载荷下 最大主应变分别为6 ．5 9 和l o ．6 8 。煤样在高动载 作用下，煤样最大主应变演化迅速，中部区域较快 的形成贯穿型应变集中带。 69 l 制 { ≯ 3 ．9 7 竹 嘣 l0 4 7 ．0 3 制 l 爿 3 ．6 9 州 嘣 O ．3 6 99 4 图6 不同加载气雎下煤样 w 2 ．1 3 6 ％ 最大主应变场分布 F 唔6 D i s t r i b u t i o no fn l a x i m u mp r i n c i p a ls t r a i n “e l d r 。 a ls a I “p l e s ⋯22 ．13 6 ％ u 1 1 d e rd i f f e l e n l l o a d i n gp 1 ．e s ⋯e s 2 ．3 动态裂隙演化特征 冲击载荷下试样裂隙演化特征是煤岩动态力学 属性的主要研究内容∞2J 。煤样动态拉伸过程的裂纹 扩展与破坏形态随含水状态的变化而变化，s H P B 试 验时，对不同含水状态的煤样破坏过程进行高速摄像 记录，并对其表面裂纹演化特征进行素描分析，如图 7 所示。 图7 左侧为不同含水率煤样动态破坏过程的 高速相机拍摄图，右侧为对应煤样动态劈裂裂纹 演化素描与破坏形态结果。由图7 可知，不同含 水率煤样以拉伸劈裂形式破坏，裂纹沿加载方向 发育。在冲击载荷作用下煤样中裂纹沿入射方向 启裂，随后在压杆与试样接触位置萌生多条微裂 纹，微裂纹发育、汇聚、贯穿形成破裂面。由图7 可知，相同冲击气压作用下，含水率为2 ．13 6 ％和 2 ．6 2 7 ％的煤样破碎程度大于0 和1 ．7 6 5 ％，饱和 煤样破碎程度与含水率为2 ．6 2 7 ％相比，其破碎增 大程度较小。不同含水率煤样动态拉伸破碎程度 大致规律如下随含水率增大煤样破裂面逐渐增 多，破碎程度加剧，但破坏增大幅度逐渐减小。高 含水率状态，煤样的承载能力降低，冲击作用下产 生形态复杂的破裂裂纹。 。锹毯洲咏略 。 。 愀毯川嘣 B 幅 钉 ．。．拶．o ％ 舛 ∞ ％ 电 2 0 5 2 O 6 n㈠㈠㈠㈠JI__㈠㈠㈠ 万方数据 第2 期 c 饱秕加载‘L 瓜O3 0 M P a 图7不同含水二钙煤样冲击劈裂破坏过程及素描 g ．7 h ’I L I l ’rp r o ’P s s Ⅲ1 Is k t I t 1 1 f a Is d r ⋯ l P Hw i I h 1 j l k l r ⋯、v a l P l l - f l c e f 妇于煤样内部原生裂隙、层理等的影响，表l I j 『宏 观裂纹扩展路径并不光滑，动载作j } J 下煤样逐渐发生 分解‘了剥离。I 燥状态、含水率1 ．7 6 5 ％的煤样破坏 【l 、j ‘裂纹数目较少，如图7 a ， h 所示，以t ⋯Ⅵ拉伸 劈裂主裂纹 红色 为主，含水率2 ．1 3 6 ％，2 ．6 2 7 ％和 饱和状态煤样沿加载方向产牛拉伸劈裂主裂纹，l j ．伴 有大量分叉次，{ i 裂纹 蓝色 ，如图7 c ～ P 所尔。， 从煤样整体裂纹扩展素描图分析叮知，不同含水率煤 样动态拉伸裂纹扩展特征如下冲。旨载荷下，煤样r f l 心率先出现拉仲裂纹，进而衍生新裂纹，裂纹逐渐发 育、扩展、贯穿试样；随含水率增大煤样破坏后裂纹数 日增多，形态复杂。综上所述，／f i 同状态的煤样表而 裂纹扩展特征冲击动载下，煤样中心率先出现拉伸 裂纹，进而衍尘j 新裂纹，裂纹逐渐发育、扩展，最终分 解剥离煤样。 煤是一种灭然的非连续性介质，内部存在大f 芷的 微裂纹。冲击载荷下煤样原生微裂纹、节理、孔洞等 弱面结构失去平衡状态，表面裂隙发育扩展至试样破 坏不同加载气压下煤样动态裂纹扩展如图8 所示。 由㈥8 可知，煤样裂纹