煤系砂岩动态拉伸破坏及能量耗散特征的试验研究

发布时间：2019-09-20 21:37

【摘要】：我国深部开采过程中,围岩处于显著的高应力扰动环境。动载作用下岩石拉伸力学特性的研究,是实现矿井围岩稳定性有效控制及安全生产的重要基础。利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统,对煤层顶板砂岩进行动态巴西圆盘试验。研究结果表明:砂岩动态拉伸强度随加载速率的升高逐渐增强,这种依赖性在较高加载速率时更加显著;砂岩动态拉伸破坏经历主裂纹产生、微裂纹发育及裂纹相互贯穿3个阶段;随着加载速率的升高,试样破坏方式逐渐从单一张拉破坏逐渐发展为张拉破坏与局部剪切破坏共存,碎块平均体积逐渐减小,破坏程度逐渐提高;试验过程中,试样破坏所需的耗散能量随加载速率的升高逐渐增加,并且其占输入能量的比例逐渐提高,即砂岩破坏过程中能量利用率逐渐提高。
【图文】：

波形,细观结构,砂岩

煤炭学报2017年第42卷图1砂岩内部细观结构Fig.1Internalmicrostructureofsandstone统、信号采集系统与信号处理系统5部分，试样放置于入射杆与透射杆之间。试验过程中，撞击杆在高压气体的推动下与入射杆碰撞，在入射杆中形成入射脉冲;入射脉冲在入射杆中传播到达试样的两面时，该应力脉冲作用到试样上并在两端试样－压杆界面多次反射透射，造成试样的高速变形;与此同时，一部分脉冲被反射，另一部分脉冲通过试样透射到入射杆中，分别形成了反射脉冲信号和透射脉冲信号。通过弹性压杆上的应变片，信号分别被记录到采集系统内。1.3试验方法采用动态巴西圆盘试验对砂岩动态拉伸力学性能进行测试，通过改变输入气压为砂岩试样提供不同的加载速率。本次试验设计6组加载气压，分别为P=0.30，0.35，0.40，0.45，0.50，0.55MPa。为了获得更加可靠的动态力学特性参数，试验采用厚度1mm，直径30mm的T2黄铜片作为波形整图2分离式霍普金森压杆试验系统Fig.2SHPBtestingsystem形器。图3给出了未装载试样时的信号波形，由图3可以看到:入射波波形呈半正弦波，在传播过程中未产生明显的横向振动，测试符合应力波传播的一维假设;入射波上升沿达到1600μs，为试样达到均匀应力提供了充足时间，入射波与反射波波形叠加等于透射波，试验过程符合应力均匀性假设。图3典型SHPB应力波形及假设验证Fig.3TypicalSHPBstresswaveformsandhypothesisverification1.4加载速率确定动态巴西圆盘试验中，试样中心点拉伸应力计算公式为σ=P1+P2πDB(1)式中，P1，P2分别为试样两端压杆作用载荷，如图2所示;D，B分别为试样直径与厚度，分别为50，25mm。根据弹性压杆理论［25］，P1，P2计算公式为P1=AEb(ε

波形,分离式霍普金森压杆,试验系统

夂喜⒃诹蕉耸匝鈹酛垢私缑娑?次反射透射，造成试样的高速变形;与此同时，一部分脉冲被反射，另一部分脉冲通过试样透射到入射杆中，分别形成了反射脉冲信号和透射脉冲信号。通过弹性压杆上的应变片，信号分别被记录到采集系统内。1.3试验方法采用动态巴西圆盘试验对砂岩动态拉伸力学性能进行测试，通过改变输入气压为砂岩试样提供不同的加载速率。本次试验设计6组加载气压，分别为P=0.30，，0.35，0.40，0.45，0.50，0.55MPa。为了获得更加可靠的动态力学特性参数，试验采用厚度1mm，直径30mm的T2黄铜片作为波形整图2分离式霍普金森压杆试验系统Fig.2SHPBtestingsystem形器。图3给出了未装载试样时的信号波形，由图3可以看到:入射波波形呈半正弦波，在传播过程中未产生明显的横向振动，测试符合应力波传播的一维假设;入射波上升沿达到1600μs，为试样达到均匀应力提供了充足时间，入射波与反射波波形叠加等于透射波，试验过程符合应力均匀性假设。图3典型SHPB应力波形及假设验证Fig.3TypicalSHPBstresswaveformsandhypothesisverification1.4加载速率确定动态巴西圆盘试验中，试样中心点拉伸应力计算公式为σ=P1+P2πDB(1)式中，P1，P2分别为试样两端压杆作用载荷，如图2所示;D，B分别为试样直径与厚度，分别为50，25mm。根据弹性压杆理论［25］，P1，P2计算公式为P1=AEb(εi+εr)P2=AEbε{t(2)式中，A为压杆面积，πD2/4;Eb为压杆材料弹性模量，210GPa;εi，εr，εt分别表示入射、反射、透射应变信号。由图2可以看出，试验过程符合应力均匀假设，即存在εi+εr=εt(3)将式(2)，(3)代入式(1)可得σ=2AEb
【作者单位】：中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室;中国矿业大学力学与土木工程学院;徐州工程学院土木工程学院;
【基金】：国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2015CB251600) 国家自然科学基金资助项目(51421003);国家自然科学基金优秀青年基金资助项目(51322401)
【分类号】：TD315

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