动态压缩试验中煤系砂岩的应变率效应问题

2022-07-25牛龙华

科学技术创新 2022年22期

牛龙华

（安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南 232001）

由于地球浅层矿产资源逐渐开采殆尽，深部开采成为新常态[1-2]。矿产资源开采深度和强度的增加导致严重威胁着开采活动的安全[3]。而岩体材料在动载作用下发生的损伤或断裂过程中伴随着外部的能量转换和内部的能量消耗[4]。因此，研究动荷载下的岩体的应变率效应和能量耗散特征等，对于探究和理解采矿巷道围岩稳定性以及保障深部采矿安全具有重要意义。

例如张惠梅等[5]通过对干燥及饱水的红砂岩进行动态冲击试验，揭示了红砂岩在动荷载下的破坏特征；王梦想等[6]则是通过研究冲击荷载下的煤矿泥岩的动态力学和破裂破碎特征，揭示了其能量耗散规律以及细观成分与破裂破碎特征的关系。

煤矿开采的巷道围岩会在动载作用下导致巷道变形变大[7]。对安徽省淮南市新庄孜煤矿中的砂岩进行动态冲击压缩试验，研究分析砂岩的应变率效应和能量耗散的关系，以期为该地区的采矿区开采以及巷道掘进提供参考价值。

1 砂岩动态压缩试验

1.1 试样制备

试样取自淮南矿区新庄孜煤矿巷道中的砂岩，且其完整性和均质性较好。经过钻芯、切割、打磨成形，制作的圆柱形试件试样（直径×高度：50mm×50mm）如图1 所示。

图1 砂岩冲击试件

1.2 试验装置及原理

利用如图2 所示装置对砂岩试样进行单轴压缩冲击试验。试验前进行试冲，以此来确定合适的冲击气压。本次试验对砂岩样本选定0.4MPa、0.5MPa、0.6MPa 三种冲击气压，为排除样本的单一特殊性，每组需要确保3 个以上试件进行冲击试验。试验过程中，试样两端表面保证平整性并涂抹黄油，来分别减弱两端与杆端之间的摩擦效应，另外试验两端还要与压杆充分紧密接触。试验结束后分组收集冲击试块，分析冲击试件冲击破碎程度。

图2 Φ50mm 变截面SHPB 试验装置

1.3 应力平衡分析验证

试件在试验破坏前是否达到应力平衡是决定试验可靠性的关键[8]，试验中冲击波形与应力平衡结果如图3所示，透射波应力曲线和入射与反射波相加后形成的应力曲线基本一致，满足应力平衡条件。

图3 试件冲击波形图

根据弹性应力波传播理论和基本假设[4]，公式如下：

式中：A、AS、E、C 分别为压杆的横截面积、试件的横截面积、压杆材料弹性模量和纵波波速；LS为试件长度；εI(t)、εR(t)、εT(t)分别为t 时刻的入射、反射和透射应力波所对应的应变率；下标I、R 和T 分别指的是入射波、反射波和透射波；t 为应力波持续时间；压应力取正。

2 冲击试验结果分析

2.1 试样破坏形态

冲击试验中，入射杆、反射杆和透射杆之间传递的动能是以应力波的形式在。分别为入射能、反射能和透射能，分别记作WI(t)、WT(t)和WR(t)，可有下列式子计算：

即SHPB 试验过程中的试件耗散能量WS（t）为：

为了评价单位尺寸的能量耗散，引入能量耗散密度WP来表征总耗散能转化为单位体积耗散能[13]，即试件总耗能WS(t)与试件体积的比值：

本次冲击试验共分三组，每组8 个，砂岩试样总共24个。鉴于冲击试验的离散型以及篇幅有限，每组选取了两组较为接近的数据分析。

2.2 砂岩试样的应变率分析

由图4 可知，在初始阶段，在弹性阶段，三组冲击气压下的砂岩试件应力与应变的存在一一对应的线性增加关系，且不同冲击气压下的关系曲线基本重合。随着冲击气压的继续增大，试件内部裂缝不断萌生发育，最终达到峰值应力；而且从0.4MPa 到0.5MPa 冲击气压下的峰值应力增加了0.5 倍，但从0.5MPa 到0.6MP 冲击气压的峰值应力仅增加了0.16 倍。这表明峰值应力的大小虽然与冲击气压的大小、应变的大小有关。

图4 试件应力- 应变曲线

另一方面，由图5 所知，砂岩试样的动态抗压强度随着平均应变率的增加呈现线性增加，这说明动态抗压强度也存在应变率效应。

图5 试件动态抗压强度的应变率效应曲线

2.3 砂岩试样能量耗散与应变率的关系

图6 为砂岩试件透射、吸收、反射能量与入射能量的关系，当入射能较大时，透射能增量最为迅速，吸收能次之，反射能最小；且随着入射能的变化，透射能与吸收能二者的值基本相等。这说明对于较低的入射能，试件处于弹性阶段，随着入射能的增加，试件到达塑性阶段，内部原生微裂缝扩展，新微裂纹产生，增加了透射波的传播，造成后期透射能增量最大。