不同冲击荷载作用下粉砂岩动力学特性试验研究

崔 衡 （安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001）

1 引言

目前煤矿岩石巷道的施工以钻爆法为主，在此过程中爆破应力波的动态冲击还有机械的应力扰动严重威胁着采矿安全。岩体开挖的瞬态卸载过程是一个典型的动力学过程，所以了解岩石的破坏过程及破坏机理，对于研究煤矿巷道围岩稳定性具有深远的理论意义和重要的实用价值。诸多研究人员利用霍普金森压杆系统对岩石在动荷载作用下的力学特性和破坏模式进行了一系列研究。李成杰等采用分离式霍普金森压杆（SHPB）对预制裂隙煤岩组合进行冲击压缩试验，探讨了不同裂缝组合的能量演化特征，分析了裂缝位置和倾角对组合裂缝分形维数的影响。林大能在压力试验机上模拟冲击载荷，测试了大理岩试件冲击后的轴向超声波波速，描述了试件的损伤程度随超声波波速的变化，得出了大理岩石试件的冲击损伤程度与围压大小、荷载脉冲大小和冲击次数的关系。张雨菲分析了节理岩石在动态荷载加载下的节理面粗糙节理，分析得出试样在多次加载情况下，波形图表现出透射波幅值降低的现象，认为应力波在节理处的透射能力的削弱与节理面出现的损伤现象有关。本文以煤矿开采用最常见的粉砂岩为研究对象，岩样取自皖北矿区某矿地下440m深度开挖出的岩石。采用电镜扫描（SEM）和XRD进行静态力学试验，并利用霍普金森压杆施加冲击荷载研究不同冲击荷载作用下粉砂岩石动力学特征。

2 试验材料及试验装置

2.1 试样的制备

从地下岩层取出的天然粉砂岩石，经取芯、切割、端面打磨等一系列试验流程。根据已有的研究成果将岩石制成H25mm×R50mm的试块。并将试块端面水平控制在0.4%之内，这样端面不平行对动态应力的结果的影响较小；最大动态单轴抗压强度测试误差可忽略不计。

为了检验试样精度，采用精度为0.02 mm的游标卡尺、精度为0.01 g的电子秤和波速仪CE—9201对试样长度、直径、质量和纵波波速等相关物理参数进行测定，并统计出平均值。

图1 试验材料

2.2 试验装置

试验所采用的霍普金森压杆系统简化示意图见图2所示。

图2 霍普金森压杆系统简化示意图

图2为高压氮气和压力调节装置组成的动力系统。压杆系统由冲击子弹、撞击杆：0.6m；入射杆：2.4m；透射杆：1.2m组成。以上三种杆合金钢制成密度为7.8 g/cm，其弹性模量为210 G pa，纵波波速为5190 m/s。

2.3 试验原理

基于一维假定及均匀性假定的测试数据处理方法（即三波法）被广泛应用于各种材料测试的结果处理，其公式如下：

上式中C、E、A为压杆的弹性波波速、弹性模量及截面积。L、AS为试件的长度及截面积；

ε

、

ε

、

ε

分别为测得的入射波、反射波及透射波；v为质点速度，下标1、2分别表示试块的入射端和透射端；t为时间。

3 试验结果分析

3.1 试验材料微观成分分析

为更好地了解材料的属性，作者利用XRD对试验材料粉砂岩的组成成分进行探究，实验结果见图3所示。

图3 岩石组成成分

从图3中可以看出所取岩石的主要成分是石英（Quartz-sio）、高砱石（Kaolinite-AlSiO（OH））还有珍珠高岭石（Nacrite-AlSiO），占比分别为39.2%、41.5%、16.3%，占总数的97%。

3.2 SHPB冲击试验结果分析

3.2.1 试验材料基本参数

为寻找合适的气压，对岩体采用0.2、0.25、0.3、0.35、0.4 MPa五种冲击气压进行试冲，由于粉砂岩在0.4MPa冲击气压时已严重破碎，所以仅对上述前四种气压进行试验。并确保了每种气压均进行了三次及以上的正式试验，为保证试块与压杆紧密接触，在试块两端涂抹凡士林。

不同速度的撞击器对岩样进行撞击实验，得出的成功实验样本中选取4组加载得到的各实验参数，如下表所示。

3.2.2 粉砂岩动态应力——应变曲线分析

不同冲击气压下粉砂岩的应力——应变曲线，如图4所示。

图4 不同冲击荷载下粉砂岩应力——应变曲线

从图4中可以看出，粉砂岩试块的峰值应力和峰值应变随着冲击气压的增加而变大。当冲击气压为0.35MPa时，粉砂岩试样的峰值应变为0.0067，峰值应力为63.10 MPa，表现为粉砂岩试样的塑性增加。因为在较大冲击荷载作用下试块在内部生成了更多的细裂缝，试块的破坏形式从较为完整的大碎块逐渐变成小块甚至粉碎状态，随着试样的破坏状态变得明显，吸收的能量变多。同时，从图4的应力——应变曲线线形变化趋势可以得出：

①粉砂岩的应力——应变曲线可分为弹性阶段、裂缝扩展、塑性变形和破坏四个阶段，在初始弹性阶段随应变增加应力表现为快速线性增加，且在初始弹性阶段曲线基本重合，即粉砂岩的初始弹性模量对应变率不敏感。当应力达到20MPa时，则表现出明显的差异性，随着冲击气压的逐渐增大，试件的应变率在不断增加，并且增速也随之变大；

②另外，在较低气压下未被严重破坏，峰后应变一般都是先增大后减小，说明试块在变形后期仍然具有一定的回弹，在0.2MPa时表现尤为明显。在0.35MPa时基本没有回弹，说明试块被完全破坏。0.3MPa的气压下应力——应变曲线出现反常。针对此现象，为研究造成这一现象的原因，取试块利用SEM（扫描电镜）再次进行试验。

3.3 SEM（扫描电镜）结果分析

在电子显微镜不同倍率下，电镜扫描的结果如图5所示。

图5 不同倍率下的电镜扫描显示

不同冲击荷载下岩样的破碎强度和能量参数

由图5结果显示岩体内表面不平整，呈鳞状分布。在2000倍率下能明显看出有原生裂隙，裂隙较长基本覆盖取样的试块。由此分析认为0.3MPa反常的原因是试块内部原生裂隙的存在。

4 结论

①该矿巷道层位围岩主要成分为石英（Quartz-sio）、高砱石（Kaolinite-AlSiO（OH））和珍珠高岭石（Nacrite-AlSiO），占比分别为 39.2%、41.5%、16.3%，占总成分的97%。

②粉砂岩的受力破坏分为弹性阶段、裂缝拓展阶段、塑性变形阶段和破坏四个阶段。

③粉砂岩的动态峰值应力与冲击气压呈正相关变化趋势。

④粉砂岩在较低气压下未被完全破坏时，峰后应变一般都是先增大后减小。