震动载荷下含瓦斯煤动力学特征.pdf

第4 5 卷第3 期 2 0 2 0 年3 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 5N o ．3 M a r ．2 0 2 0 移动阅读 孔祥国，王恩元，李树刚，等．震动载荷下含瓦斯煤动力学特征[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 0 ，4 5 3 1 0 9 9 - 1 1 0 7 ．d o i 1 0 ． 1 3 2 2 5 ／j ．c n k i ．j C C S ．2 0 1 9 ．0 3 9 5 K O N GX i a n g g u o ，W A N GE n y u a n ，L IS h u g a n g ，e ta 1 ．D y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i c so f g a s - b e a r i n gc o a lu n d e rs h o c kl o a d [ J ] ．J o u r n a lo f C h i n aC o a lS o c i e t y ，2 0 2 0 ，4 5 3 1 0 9 9 - 1 1 0 7 ．d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c n k i ．j C C S ．2 0 1 9 ．0 3 9 5 震动载荷下含瓦斯煤动力学特征 孔祥国1 , 2 ，王恩元3 ，李树刚1 , 2 胡少斌4 ，鞠云强3 ，李金铎3 1 ．西安科技大学安全科学与工程学院，陕西西安7 1 0 0 5 4 ；2 ．教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西西安7 1 0 0 5 4 ；3 ．中国矿业大 学安全工程学院，江苏徐州2 2 1 1 1 6 ；4 ．河海大学土木与交通学院，江苏南京2 1 0 0 9 8 摘要为了研究震动载荷下含瓦斯煤动力学特性，建立了含瓦斯煤霍普金森压杆试验系统，考虑 轴向静载、围压、瓦斯压力和动载荷冲击速度4 个因素，开展了合瓦斯煤动力学试验，通过采集入射 波、反射波和透射波信号，分析了震动栽荷下合瓦斯煤动态应力应变曲线变化规律，研究了合瓦斯 煤峰值强度和峰值应变与有效轴向静载、有效围压和动载荷冲击速度的关系。研究结果表明震动 载荷下含瓦斯煤动态应力应变曲线无压密阶段，初始加栽应力就随应变呈“线弹性”增加趋势；随 着应变进一步增加，应力变化先趋于平缓又快速增加，该曲线表现出“跃进”特性，这与炭在晶体微 破裂中的作用有关；峰后试样未产生宏观破坏，弹性能释放造成应力应变出现“回弹”现象。含瓦 斯煤峰值强度随有效轴向静载呈指数增加、随有效围压呈线性增加、随动载荷冲击速度呈先增加后 减小；含瓦斯煤峰值应变随有效轴向静载呈线性增加、随有效围压呈指数衰减、随动载荷冲击速度 增大而增加。震动载荷下含瓦斯煤应变率效应明显，在应变率低水平阶段，合瓦斯煤峰值强度和峰 值应变随应变率增加而增加，超过临界应变率，含瓦斯煤峰值强度和峰值应变将保持稳定。该研究 有助于完善含瓦斯煤动力学，为矿井动栽荷诱导的合瓦斯煤动力灾害防治提供借鉴。 关键词含瓦斯煤；动力学特征；震动载荷；应变率效应 中图分类号0 3 4文献标志码A文章编号0 2 5 3 - 9 9 9 3 2 0 2 0 0 3 - 1 0 9 9 - 0 9 D y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i c so fg a s - b e a r i n gc o a lu n d e rs h o c kl o a d K O N G X i a n g g u o ’”，W A N GE n y u a n 3 ，L IS h u g a n 9 1 ”，H US h a o b i n 4 ，J UY u n q i a n 9 3 ，L IJ i n d u 0 3 1 ．C o l l e g eo f S a f e t yS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，船’a aU n i v e r s i t yo f S c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，X i ’a r t7 1 0 0 5 4 ，C h i n a ；2 ．研L a b o r a t o r yo f W e s t e r n 胁地E 印f o i - r a t i o na n d H a z a r d P r e v e n t i o no f t h e M i n i s t r y o f E d u c a t i o n ，X i ’a r t 7 1 0 0 5 4 ，C h i n a ；3 ．S c h o o l o f S a f e t y E n g i n e e r i n g ，C h i n aU n i v e r s i t y o f M i n i n g a n d T e c h n o l o g Y ，X u z h o u2 2 1 1 1 6 ，C h i n a ；4 ．c 0 阮萨o f C i v i la n dT r a n s p o r t a t i o nE n g i n e e r i n g ，I t o h a iU n i v e r s i t y ，N a n j i n g2 1 0 0 9 8 ，C h i n a A b s t r a c t T os t u d yt h ed y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i c so fg a s - b e a r i n gc o a lu n d e rs h o c kl o a d ，t h es p l i tH o p k i n s o np r e s s u r eb a r t e s ts y s t e mo fg a s - b e a r i n gc o a l S H P B - G A S W a sb u i l t ．W i t ht h ec o n s i d e r a t i o no ft h ef a c t o r so fa x i a ls t a t i cl o a d 。c o n f i ． n i n gp r e s s u r e ，g a sp r e s s u r ea n dd y n a m i cl o a di m p a c tv e l o c i t y ，t h ed y n a m i c se x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u t ．B yc o l l e c t i n g i n c i d e n tw a v e ，r e f l e c t e dw a v ea n dt r a n s m i s s i o nw a v es i g n a l s ，t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e np e a ks t r e n g t h ，p e a ks t r a i na n d v a r i o u sf a c t o r sw e r ea n a l y z e d ．T h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ed y n a m i cs t r e s s - s t r a i nc u n ，e so fg a s - b e a r i n gc o a lw e r eo fn o c o m p a c t i o ns t a g e ，w h i c hs h o w e dl i n e a re l a s t i c i t yc h a r a c t e r i s t i ca tt h ei n i t i a ll o a d i n gs t a g e ．W i t ht h ei n c r e a s eo fs t r a i n ， t h es t r e s sc h a n g e st e n d e dt ob eg e n t l ei n c r e a s ea n dt h e nr a p i di n c r e a s e ．w h i c hw a sc a l l e d ”l e a p ”c h a r a c t e r i s t i c ．T h i s w a sr e l a t e dw i t hc h a r c o a li nc o a lc r y s t a lm i c r o - f r a c t u r e ．A f t e rt h es t r e s s ．s t r a i np e a k ，t h ec o a ls a m p l e sd i d n ’th a v em a c ． 收稿日期2 0 1 9 - 0 4 - 0 1修回日期2 0 1 9 - 0 6 - 0 4责任编辑常明然 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 1 9 0 4 2 3 6 ，5 1 5 7 4 2 3 1 ；陕西省自然科学基础研究计划资助项目 2 0 2 0 J Q - 7 5 6 作者简介孔祥国 1 9 9 0 一 ，男，山西朔州人，副教授，博士。E m a i l k x g t u d o u 7 2 1 8 1 6 3 ．c o m 通讯作者王恩元 1 9 6 8 一 ，男，内蒙古卓资人，教授，博士生导师。E - m a i l w e y t o p 2 6 3 ．n e t 万方数据 1 1 0 0 煤炭 学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 r or u p t u r e ，S Ot h es t r e s s - s t r a i nc u r v e sa p p e a r e d “r e b o u n d ”p h e n o m e n o n ．T h ep e a ks t r e n g t ho fg a s - b e a I i n gc o a li n c r e a s e de x p o n e n t i a l l yw i t he f f e c t i v ea x i a ls t a t i cl o a d ，i n c r e a s e dl i n e a r l yw i t he f f e c t i v ec o n f i n i n gp r e s s u r e ，a n di n c r e a s e d f i r s ta n dt h e nd e c r e a s e dw i t ht h ei m p a c tv e l o c i t yo fd y n a m i cl o a d ．P e a ks t r a i no fg a s - b e a r i n gc o a li n c r e a s e dl i n e a r l y w i t he f f e c t i v ea x i a ls t a t i cl o a d ，d e c r e a s e de x p o n e n t i a l l yw i t he f f e c t i v ec o n f i n i n gp r e s s u r e ，a n di n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fi m p a c tv e l o c i t yo fd y n a m i cl o a d ．T h es t r a i nr a t ee f f e c t so fg a s - b e 撕n gc o a lw e r eo b v i o u su n d e rs h o c kl o a d ．A t t h el o wl e v e lo fs t r a i nr a t e ，t h ep e a ks t r e n g t ha n dp e a I 【s t r a i no fg a s - b e a r i n gc o a li n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fs t r a i n r a t e ，a n dw h e ni te x c e e d e dt h ec r i t i c a ls t r a i nr a t e ，t h ep e a ks t r e n g t ha n dp e a ks t r a i no fg a s - b e a r i n gc o a lw o u l dr e m a i n s t a b l e ．T h i ss t u d yi su s e f u lf o ri m p r o v i n gt h ed y n a m i c so fg a s b e a r i n gc o a l ，a n dp r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ep r e - v e n t i o na n dc o n t r o lo fm i n ed y n a m i cd i s a s t e r so fg a s - b e a r i n gc o a li n d u c e db yd y n a m i cl o a d ． K e yw o r d s g a s - b e a r i n gc o a l ；d y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i c s ；s h o c kl o a d ；s t r a i nr a t ee f f e c t s 随着煤矿开采深度的增加，地应力、瓦斯压力和 瓦斯含量不断增高，采场结构也越来越复杂，应力和 瓦斯复合动力灾害日趋严重且复杂【l 。2J 。煤炭开采 过程中，远场震源，如顶底板断裂或活动、断层活化和 震动放炮等人工扰动行为均会产生动载，引发冲击地 压或煤与瓦斯突出，甚至使得发生灾害的临界指标参 数降低∞弓J 。当动载荷较小时，不会引起煤岩体宏观 破坏，但有瓦斯的异常放散心J ，笔者将此类动载称之 为震动载荷，研究震动载荷下含瓦斯煤体的动力学特 性。 关于煤岩动力学特性的研究，主要借助霍普金 森压杆试验系统，前人不断对霍普金森压杆系统进 行改造以满足不同试验的要求，测试了多种煤岩动 力学特性，为后续研究奠定了坚实的基础∞qJ 。国 外作者较早地开展了煤岩动力学特性测试，K L E ． P A C K OJR 等一1 研究了准静态载荷和冲击载荷下 煤的动力学特性，O L S ；S O NWA 【I 训发现了岩石强度 应变率效应；宫凤强等u 测试了一维动静组合加载 下砂岩的动力学特性，发现相同应变率下岩石对外 界冲击的响应受轴压比影响很大，动态冲击强度随 轴压比的增加表现出先增加后减小的趋势；夏开文 和姚伟2 1 利用具有预加载装置的分离式霍普金森 压杆系统研究了岩石在不同预拉伸应力下的拉伸 强度，结果显示动态拉伸强度和总拉伸强度随着加 载率的增加而增加，表现出明显的率相关性；朱晶 晶等【l 列使用大直径S H P B 试验装置，测试了循环冲 击下花岗岩的动力学特性，变形模量和峰值应力均 随着循环作用次数的增加而减小，但屈服应变相应 增加；金解放等4 ’分析了循环冲击下轴压和围压对 砂岩能量耗散的影响，单位体积吸收能随平均应变 率的增加而线性增加，当围压从低到高增加过程 中，二者间拟合斜率随轴压的增加变化关系为“增 加基本不变一减小”；为了进一步阐释动静组合 加载下岩石动力学机制；李夕兵等列结合统计损伤 模型和黏弹性模型，建立了一维和三维动静组合加 载本构模型，并通过试验结果进行拟合验证，从本 质上解释了岩石动力学特性。 岩石动力学特性研究相对较早且成果丰富，煤体 动力学主要基于岩石动力学而进一步发展。单仁亮 等【l 钊研究了云驾岭矿无烟煤的动力学特性，发现初 始弹性模量、屈服强度和极限强度均随着应变率的增 加而提高；为了进一步完善煤体动力学，刘晓辉等Ⅲ1 研究了不同应变率下煤样破坏模式，煤样在低应变率 下多呈轴向劈裂破坏，高应变率下呈现出压碎破坏； 冯俊军等副研究了动载荷下煤样的能量耗散机制， 发现能量耗散与入射能和动态压缩强度呈正相关，说 明试样破坏过程中高应力导致高能量释放；为了揭示 煤体动力学作用机制，高文蛟等别提出了无烟煤单 轴冲击强度理论，确定了动力学参数之间的定量关 系，揭示了无烟煤多孔介质在冲击载荷下破坏机理； 付玉凯等Ⅲ1 运用弹塑性理论，建立了煤的损伤体一黏 弹性本构模型，发现煤的动力学特性对高应变率较敏 感；考虑到元件型模型解的不唯一性，王登科等1 2 建 立了煤的强度型统计损伤本构模型，能够有效地描述 煤体动态破坏过程的力学特性。刘少虹等【2 2 。2 3 1 分析 了动静加载下煤的破坏特性，认为静载是改变原始裂 隙的数量和裂隙尖端的蓄能，而动载使裂隙发生扩展 进而破坏，煤岩体结构和动静载相互作用是诱发动力 灾害的关键；相对于岩石赋存环境，煤层经常存在于 富含瓦斯的环境之中，瓦斯对煤体动力学特性影响不 可忽略，而这方面研究相对较少，因此含瓦斯煤动力 学特性急需开展研究以进一步完善煤岩体动力学机 制。 笔者主要开展震动载荷下含瓦斯煤动力学特 性研究，考虑轴向静载、围压、瓦斯压力和动载荷冲 击速度4 个因素对含瓦斯煤动力学特征的影响，分 析震动载荷下含瓦斯煤未宏观破裂时所表现的动 力学特性，主要研究了含瓦斯煤峰值强度和峰值应 万方数据 第3 期 孔祥国等震动载荷下含瓦斯煤动力学特征 11 0 l 变随各种因素的变化关系，并进一步分析了震动载 荷下含瓦斯煤应变率效应，确立了峰值强度和峰值 应变与应变率的关系，有助于揭示含瓦斯煤动力学 机制。 1 试验系统、试样及测试原理 1 ．1 试验系统 在前人设计的霍普金森压杆基础上，自主建立了 含瓦斯煤霍普金森压杆系统 S H P B G A S ，实现了含 瓦斯煤动力学特征测试的目标。含瓦斯煤霍普金森 压杆系统主要由轴向静载加载子系统、围压加载子系 统、瓦斯充放子系统、动载荷加载子系统、超动态应变 采集子系统、红外测速子系统、气动发射装置、缓冲装 置和抽真空系统等组成。含瓦斯煤霍普金森压杆系 统示意简图如图1 所示，该系统最主要组成是轴向静 载子系统和动载荷加载子系统的主要杆件部分，分别 是撞击杆 1 0 0m m 4 0c m 、入射杆 l o om m x 5m 和透射杆 1 0 0m mx3m ，杆件均采用 3 0 C r m o s i n i 2 a 钢材制作，弹性模量2 1 0G P a ，纵波传播 速度为51 0 0m ／s 。 图1含瓦斯煤霍普金森压杆实验系统 F i g ．1 S H P B G A Se x p e r i m e n t a ls y s t e m 1 ．2 试样特征 此次试验所用煤样均选自杨庄煤矿，根据煤岩动 力学测试要求，制成6 1 0 0m m x 5 0m m 的试样，经过 打磨将试样两端平行度控制在0 ．0 2r a i n 公差范围 内。为了减少试样的离散性，事先测试试样的波速并 选择密度相近的试样进行试验，试验时在试样两端涂 抹黄油以减少摩擦效应。所选试样的基本物理参数 见表1 。 表1 试样基本物理参数及试验结果 T a b l e1 P h y s i c a lp a r a m e t e r so fc o a la n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s 1 ．3 测试原理及过程 含瓦斯煤动力学测试原理与一维动载试验原理 相同，仍是基于一维应力波假定和应力均匀化假设。 试验过程中，将加工好的试样放入试验腔体，通过轴 向静载子系统将轴向静载加载到预设压力；通过围压 加载子系统向试样环向方向均匀的施加围压；关闭充 气管路上的阀门，将放气管路与真空泵相连，进行4h 抽真空；关闭真空泵及放气管路上阀门，打开气瓶减 压阀及充气管路阀门向试样内充人一定压力瓦斯，吸 附4h ，待吸附平衡后关闭充气管路；启动空气压缩机 使气动发射装置内压缩空气达到相应压力，设置红外 测速子系统和超动态应变子系统到预触发界面；待准 万方数据 1 1 0 2 煤炭学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 备工作全部做好，启动气动发射装置将撞击杆发射撞 击入射杆，同时打开放气管路卸掉瓦斯，红外测速子 系统会自动触发并测定撞击杆速度，超动态应变子系 统通过贴于人射杆和透射杆上的应变片采集含瓦斯 煤动力学实验过程中的应力波信号，如图2 所示。 图2 采集到的应力波波形 F i g ．2 C o l l e c t e ds t r e s sw a v e 撞击杆撞击入射杆，形成应力波在入射杆中传 播，当入射波到达入射杆与试样的接触界面，一部分 被反射，另一部分进入试样传播，到达试样与透射杆 接触界面又发生反射和透射，应力波在人射杆、试样 和透射杆中传播会经过多次反射和透射。相比应力 波脉冲长度，试样长度足够小，一般地认为应力波反 射一个卸载波 反射波 到入射杆和经过试样透射一 个加载波 透射波 到透射杆，试样应力即达到平衡。 因此，在对应力波信号进行处理时，通过3 波分离的 方法只选取第1 个人射波、反射波和透射波 图2 进 行计算。 基于一维应力波假定和应力均匀化假设，可推导 出试样的平均应变率、应变和应力 ，1 ； t 二[ 占． f 一s ， t 一s ． t ] 1 L f 厂’r t s t 一} I [ 占， t s ． ￡ 一占． ￡ t ] d t 2 L ooo A 盯 z } E [ 占． f 占， ￡ s ． f ] 3 Z A 0 式中，C 为应力波在弹性杆中传播的速度；L 。为试样 长度；E 为弹性杆的弹性模量；4 为弹性杆截面积；4 。， 为试样截面积；￡为应力波脉冲持续时间。 2 含瓦斯煤动力学测试结果 为了分析轴向静载、围压、瓦斯压力和动载荷分 别对含瓦斯煤动力学特征的影响，采用控制变量法分 别研究了不同加载条件下的应力应变曲线、峰值强度 和峰值应变与各种因素的关系，测试结果见表1 。 2 ．1 应力一应变曲线特征分析 震动载荷作用下，不同轴向静载、围压、瓦斯压力 和震动载荷下含瓦斯煤应力应变曲线分别如图3 所 示。不同加载条件下含瓦斯煤震动应力应变曲线基 本相似，相比静态加载应力应变曲线，含瓦斯煤震动 应力应变曲线没有压密期，在初始变形阶段，应力随 应变线性增加，表现为弹性变形，这是因为震动载荷 作用下，动载作用时问较短，煤体很快被压实并进入 弹性变形期；随着应变增加，煤体应力增加到一定程 度会有所放缓，之后又快速增加，呈现出“跃进”特 性，这一特性可能与炭在晶体微破裂中的作用有关， 类似于低碳钢。l6 I ；随着应变的进一步增加，应力达到 峰值，然后降低，在最后阶段，应力应变曲线出现“回 弹”现象引，一般认为发生回弹是峰后弹性能释放引 起的，说明发生明显回弹的试样在动载作用后仍具有 承载能力，在震动载荷作用下，煤样内部仅发生了微 损伤而没有表现出宏观破坏。由图3 8 可知，不同 轴向静载下线弹性阶段斜率受试样离散性影响较大， 图3 } ， 和 d 显示含瓦斯煤的弹性模量随着有效围 压和动载荷冲击速度增加而增大；而图3 c 显示含 瓦斯煤弹性模量随瓦斯压力增加而减小。 2 ．2 峰值强度特征 震动载荷作用下，含瓦斯煤峰值强度与有效轴向 静载、有效围压和震动载荷冲击速度的关系如图4 所 示。由图4 a 可知，在有效围压4M P a 和震动载荷 冲击速度5 ．2 3m ／s 条件下，含瓦斯煤峰值强度与有 效轴向静载呈指数关系，在有效轴向静载较低阶段， 峰值强度随有效轴向静载快速增加，当有效轴向静载 达到一定值时，峰值强度基本维持在某个值附近，说 明当动载荷较小不足使煤体破裂时，有效轴向静载有 助于提高煤体抵抗外界载荷的能力；由图4 1 ， 可知， 当有效轴向静载4M P a 和震动载荷冲击速度 5 ．2 3m ／s 时，震动载荷作用下含瓦斯煤峰值强度随 有效围压呈线性增加的趋势，拟合度高达0 ．9 9 65 ，这 也很好地解释了上覆岩层断裂和断层滑移引起的动 载多造成临空煤体和巷道变形破坏的现象，因为临空 煤体和巷道都有自由面，缺失围岩的保护作用，在动 载荷影响下，巷道帮部容易向自由面方向变形；由图 4 c 可知，当有效轴向静载4M P a 和有效围压5M P a 时，含瓦斯煤峰值强度随冲击速度先增加后减小，证 明在冲击速度较小范围内，动载强度有助于提高含瓦 斯煤体的强度，表现出不易破坏的能力，当动载超过 一定值时，含瓦斯煤峰值强度将随动载减小，易受外 载荷扰动影响。 2 ．3 峰值应变特征 震动载荷作用下，含瓦斯煤峰值应变与有效轴向 静载、有效围压和动载荷冲击速度的关系如图5 所 万方数据 第3 期孔祥国等震动载荷下含瓦斯煤动力学特征 l1 0 3 d 山 主 R 聋 轴向静载1 ．5M P a轴向静载3 ．0M P a 应变 a 不同轴向静载 瓦斯压力0 ．2 5M P a瓦斯压力0 ．5 0M P a 1 0 0 9 0 罡 萋8 0 制 詈7 0 磐 6 0 5 0 应变 C 不同瓦斯压力 矗 凸一 茎 R 毯 ∞ 山 主 R 倒 1 0 0 8 0 2 0 围压2 M P a围压3 M P a 围压6 M P a 围压7 M P a 围压9 M P a O0 ．0 0 50 ．0 1 00 ．0 1 5O ．0 2 00 ．0 2 5 应变 b 1 不同围压 冲击速度2 ．2 9m ／s冲击速度3 ．2 7m ／s 应变 d 1 不同震动载荷 图3不同加载条件下含瓦斯煤震动应力应变曲线 F i g ．3 S t r e s s s t r a i nc u r v e so fg a s b e a k ’i n gc o a lu n d md i f f e r e n te o m p o s i t i v el o a d i n gc o n d i t i o n s ￡～ 蒌 篝7 5 趔 骘 有效轴向静载／M P a a 8 0 蛊 萋 萋6 0 删 磐5 0 0I23 4 5 6789 有效围压／M P a b 图4含瓦斯煤动态强度与各因素的关系 4567 冲击速度／ m S 1 1 c F i g ．4R e l a t i o n s h i p sb e t w e e nd y n a m i cs t r e n g t ho fg a s b e a r i n gc o a la n dv a r i o u sf a c t o r s 万方数据 1 1 0 4 煤炭学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 制 毯 j 型 鹫 有效轴向静载／M P a a 有效围压／M P a b 冲击速度／ m s 一1 c 图5 震动载荷下含瓦斯煤峰值应变与各因素关系 F i g ．5R e l a t i o n s h i p sb e t w e e np e a ks t r a i no fg a s - b e a r i n gc o a la n dv a r i o u sf a c t o r su n d e rs h o c kl o a d 示。由图5 a 可知，当有效围压5M P a 和震动载荷 冲击速度5 ．2 3m ／s 时，含瓦斯煤震动峰值应变随有 效轴向静载呈线性增加关系，拟合度大0 ．9 2 01 ；由图 5 b 可知，当有效轴向静载5M P a 和震动载荷冲击 速度5 ．2 3m ／s 时，震动载荷作用下含瓦斯煤的峰值 应变随着有效围压的增加呈指数衰减，拟合度为 0 ．9 5 86 ，说明围压限制了煤体变形，有效围压越大， 变形越困难，因而峰值强度所对应的煤体峰值应变也 越小，类似于静态三轴加载峰值应变随轴压和围压的 变化规律Ⅲo ；图5 c 表明含瓦斯煤的峰值应变随冲 击速度呈抛物线关系，在试验的冲击速度范围内，峰 值应变随冲击速度呈增加的趋势，但增加幅度逐渐减 小，即处于抛物线的上升期。 3 讨论 3 ．1 含瓦斯煤峰值强度应变率效应 前述研究发现，震动载荷下含瓦斯煤动力学特征 与有效轴向静载、有效围压和动载荷冲击速度具有一 定的关系，但是不同条件下同一动力学参数却不具有 可比性。根据一维动静载煤岩动力学特性可知，煤岩 材料的应变率效应较强，应变率是表征材料变形速度 的一种度量，被广泛用于材料动力学研究。因此，研 究了不同有效轴向静载、有效围压和动载荷冲击速度 加载条件下含瓦斯煤峰值强度的应变率效应，如图6 所示。由图6 a 可知，不同有效轴向静载下，含瓦斯 煤峰值强度随应变率呈指数变化，在应变率低水平阶 段时，峰值强度随着应变率增加而增加，说明煤体变 形速率较小时，煤体裂隙被逐渐压实以增强煤体的完 整性，进而增加其峰值强度；当应变率增加到一定值 时，峰值强度基本稳定在某个值附近，说明煤体变形 存在一个I 晦界应变率，超过这个值，煤体变形速率较 快，煤体来不及反应就发生破坏，峰值强度将几乎不 再增加，这一临界应变率可能与煤岩材料的本身特性 及加载条件有关。由图6 b 可知，不同有效围压条 件下的含瓦斯煤震动的峰值强度也呈现明显的应变 率效应，峰值强度随应变率增加而减小，在应变率 1 4 0 ～1 8 0s ～，基本呈线性减小。由图6 c 可知，在 应变率8 0 ～1 8 0s ～，不同冲击速度下含瓦斯煤震动 峰值强度随应变率增加而线性增加。 3 ．2 含瓦斯煤峰值应变应变率效应 不同有效轴向静载、有效围压和动载荷冲击速度 下，含瓦斯煤峰值应变与应变率关系如图7 所示。由 图7 a 可知，与含瓦斯煤峰值强度随应变率变化关 系类似，不同有效轴向静载下，含瓦斯煤峰值应变与 应变率仍呈现指数关系，存在一个临界应变率，低于 该值时，峰值应变随应变率迅速增加；超过该应变率， 峰值应变逐渐趋于稳定。而图7 b 显示，不同有效 万方数据 第3 期 孔祥国等震动载荷下含瓦斯煤动力学特征 l 1 0 5 重 釜 鬈 有效轴向静载，ⅦP a a 有效轴向静载 应变率／s - i b 有效围压 重 器 鬈 应变率／s 叫 c 震动载荷 图6 含瓦斯煤峰值强度应变率效应 F i 昏6 S t r a i nr a t ee f f e c t so fg a s b e a t i n gc o a lp e a ks t r e n g t h 应变率／s - I a 有效轴向静载 应变率／s 。。 b 有效围压 应变g ／s ‘。 c 震动载荷 图7 含瓦斯煤峰值应变应变率效应 F i g ．7 S t r a i nr a t ee f f e c t so fg a s - b e a r i n gc o a lp e a ks t r a i n 万方数据 1 1 0 6 煤炭学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 围压条件下，除1 7 8 ．1 1S 叫异常点外，含瓦斯煤震动 峰值应变随应变率增加而线性增加。由图7 e 可 知，不同动载荷冲击速度下峰值应变随应变率增加也 呈线性增加，拟合度0 ．9 5 24 以上。 总之，震动载荷下含瓦斯煤震动应变率效应阐释 了峰值强度和峰值应变与应变率的关系，使不同加载 条件下的动力学指标具有可比性，即只要加载条件变 化造成应变率改变，则含瓦斯煤峰值强度和峰值应变 就发生相应变化。除了不同有效围压条件下峰值强 度随应变率的关系，震动载荷下含瓦斯煤峰值强度和 峰值应变均随着应变先增加后趋于稳定。 4 结论 1 震动载荷下，不同轴向静载、围压、瓦斯压力 和动载荷冲击速度条件下含瓦斯煤应力应变曲线基 本相似，初始加载阶段，应力随应变线性增加，表现出 明显的线弹性特征；当应变增加到一定程度时，应力 应变曲线呈现出“跃进”特征，与炭在晶体微破裂中 作用有关；峰后弹性能释放引起应力应变曲线出现 “回弹”现象。 2 含瓦斯煤峰值强度和峰值应变随有效轴向 静载、有效围压和动载荷冲击速度表现出明显的规律 性。震动载荷作用下，含瓦斯煤峰值强度随有效轴向 静载呈指数函数增加、随有效围压呈线性增加，随动 载荷冲击速度呈先增大后减小的规律；含瓦斯煤峰值 应变随有效轴向静载呈线性增加、随有效围压呈指数 衰减、随动载荷冲击速度增大而增加。 3 震动载荷下，不同加载条件下含瓦斯煤动力 学指标表现出明显的应变率效应。除了不同有效围 压条件下峰值强度随应变率的关系，在应变率低水平 阶段，含瓦斯煤峰值强度和峰值应变均随应变率增加 而增加，当应变率超过临界应变率，含瓦斯煤峰值强 度和峰值应变基本稳定于某值附近。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 2 ] [ 3 ] 梁冰，汪北方，李刚，等．动力扰动诱发巷帮煤体冲击矿压机制 研究[ J ] ．安全与环境学报，2 0 1 4 ，1 4 2 1 3 - 1 8 ． L I A N GB i n g ，W A N GB e i h n g ，L 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