【摘要】：我國深部開采過程中,圍巖處于顯著的高應(yīng)力擾動環(huán)境。動載作用下巖石拉伸力學(xué)特性的研究,是實現(xiàn)礦井圍巖穩(wěn)定性有效控制及安全生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)。利用分離式霍普金森壓桿(SHPB)試驗系統(tǒng),對煤層頂板砂巖進行動態(tài)巴西圓盤試驗。研究結(jié)果表明:砂巖動態(tài)拉伸強度隨加載速率的升高逐漸增強,這種依賴性在較高加載速率時更加顯著;砂巖動態(tài)拉伸破壞經(jīng)歷主裂紋產(chǎn)生、微裂紋發(fā)育及裂紋相互貫穿3個階段;隨著加載速率的升高,試樣破壞方式逐漸從單一張拉破壞逐漸發(fā)展為張拉破壞與局部剪切破壞共存,碎塊平均體積逐漸減小,破壞程度逐漸提高;試驗過程中,試樣破壞所需的耗散能量隨加載速率的升高逐漸增加,并且其占輸入能量的比例逐漸提高,即砂巖破壞過程中能量利用率逐漸提高。
【圖文】：

煤炭學(xué)報2017年第42卷圖1砂巖內(nèi)部細觀結(jié)構(gòu)Fig.1Internalmicrostructureofsandstone統(tǒng)、信號采集系統(tǒng)與信號處理系統(tǒng)5部分，試樣放置于入射桿與透射桿之間。試驗過程中，撞擊桿在高壓氣體的推動下與入射桿碰撞，在入射桿中形成入射脈沖;入射脈沖在入射桿中傳播到達試樣的兩面時，該應(yīng)力脈沖作用到試樣上并在兩端試樣－壓桿界面多次反射透射，造成試樣的高速變形;與此同時，一部分脈沖被反射，另一部分脈沖通過試樣透射到入射桿中，分別形成了反射脈沖信號和透射脈沖信號。通過彈性壓桿上的應(yīng)變片，信號分別被記錄到采集系統(tǒng)內(nèi)。1.3試驗方法采用動態(tài)巴西圓盤試驗對砂巖動態(tài)拉伸力學(xué)性能進行測試，通過改變輸入氣壓為砂巖試樣提供不同的加載速率。本次試驗設(shè)計6組加載氣壓，分別為P=0.30，0.35，0.40，0.45，0.50，0.55MPa。為了獲得更加可靠的動態(tài)力學(xué)特性參數(shù)，試驗采用厚度1mm，直徑30mm的T2黃銅片作為波形整圖2分離式霍普金森壓桿試驗系統(tǒng)Fig.2SHPBtestingsystem形器。圖3給出了未裝載試樣時的信號波形，由圖3可以看到:入射波波形呈半正弦波，在傳播過程中未產(chǎn)生明顯的橫向振動，測試符合應(yīng)力波傳播的一維假設(shè);入射波上升沿達到1600μs，為試樣達到均勻應(yīng)力提供了充足時間，入射波與反射波波形疊加等于透射波，試驗過程符合應(yīng)力均勻性假設(shè)。圖3典型SHPB應(yīng)力波形及假設(shè)驗證Fig.3TypicalSHPBstresswaveformsandhypothesisverification1.4加載速率確定動態(tài)巴西圓盤試驗中，試樣中心點拉伸應(yīng)力計算公式為σ=P1+P2πDB(1)式中，P1，P2分別為試樣兩端壓桿作用載荷，如圖2所示;D，B分別為試樣直徑與厚度，分別為50，25mm。根據(jù)彈性壓桿理論［25］，P1，P2計算公式為P1=AEb(ε

夂喜⒃諏蕉聳匝鈹酛垢私緱娑?次反射透射，造成試樣的高速變形;與此同時，一部分脈沖被反射，另一部分脈沖通過試樣透射到入射桿中，分別形成了反射脈沖信號和透射脈沖信號。通過彈性壓桿上的應(yīng)變片，信號分別被記錄到采集系統(tǒng)內(nèi)。1.3試驗方法采用動態(tài)巴西圓盤試驗對砂巖動態(tài)拉伸力學(xué)性能進行測試，通過改變輸入氣壓為砂巖試樣提供不同的加載速率。本次試驗設(shè)計6組加載氣壓，分別為P=0.30，，0.35，0.40，0.45，0.50，0.55MPa。為了獲得更加可靠的動態(tài)力學(xué)特性參數(shù)，試驗采用厚度1mm，直徑30mm的T2黃銅片作為波形整圖2分離式霍普金森壓桿試驗系統(tǒng)Fig.2SHPBtestingsystem形器。圖3給出了未裝載試樣時的信號波形，由圖3可以看到:入射波波形呈半正弦波，在傳播過程中未產(chǎn)生明顯的橫向振動，測試符合應(yīng)力波傳播的一維假設(shè);入射波上升沿達到1600μs，為試樣達到均勻應(yīng)力提供了充足時間，入射波與反射波波形疊加等于透射波，試驗過程符合應(yīng)力均勻性假設(shè)。圖3典型SHPB應(yīng)力波形及假設(shè)驗證Fig.3TypicalSHPBstresswaveformsandhypothesisverification1.4加載速率確定動態(tài)巴西圓盤試驗中，試樣中心點拉伸應(yīng)力計算公式為σ=P1+P2πDB(1)式中，P1，P2分別為試樣兩端壓桿作用載荷，如圖2所示;D，B分別為試樣直徑與厚度，分別為50，25mm。根據(jù)彈性壓桿理論［25］，P1，P2計算公式為P1=AEb(εi+εr)P2=AEbε{t(2)式中，A為壓桿面積，πD2/4;Eb為壓桿材料彈性模量，210GPa;εi，εr，εt分別表示入射、反射、透射應(yīng)變信號。由圖2可以看出，試驗過程符合應(yīng)力均勻假設(shè)，即存在εi+εr=εt(3)將式(2)，(3)代入式(1)可得σ=2AEb
【作者單位】： 中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室;中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木工程學(xué)院;徐州工程學(xué)院土木工程學(xué)院;
【基金】：國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973)資助項目(2015CB251600) 國家自然科學(xué)基金資助項目(51421003);國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金資助項目(51322401)
【分類號】：TD315

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本文編號：2539021