文摘

爆破能量的影响保留岩石爆破破碎和伤害是很重要的钻爆施工安全与进度的煤矿。本研究旨在调查泥岩的动态力学性能在煤矿使用能量表征方法,及其定量关系公式也发达。泥岩的冲击压缩实验淮南矿区进行了动态机制,研究饱和泥岩裂缝属性和能量耗散规律使用直径50毫米分离式霍普金森压杆(SHPB)。反复下的结果表明,应力波的反射,饱和泥岩标本的特点是圆周失败和轴向分裂破坏,出现在岩石颗粒的界面。通过能量分析,每卷(类别),能量耗散能量耗散/质量(EDM)和吸收阻抗能量比率(ay)是用来表示泥岩的能量耗散特性。和ay是最好的指标。此外,有三个指标之间的二次函数关系和平均应变率,显示应变率的依赖。

1。介绍

泥岩在煤系地层广泛分布,特点是宽松的,胶结差,强度低。因此,泥岩对应力极为敏感,湿度,温度,和次表层水(1,2]。泥岩的力学性能和内部结构随应力状态的变化(3- - - - - -5]。许多研究人员研究了泥岩的物理和机械性能和失败法律在复杂的自然环境条件下煤矿。泥岩的强度小于30 MPa,回顾现有的文献研究。和其强度将降低当面对水、温度、风化等(6,7]。巴塔拉依等人研究了化学和物理风化的影响抗剪强度的泥岩(8]。结果表明,剪切强度完全风化泥岩是10倍的弱风化泥岩。黄等人进行了一系列的单轴压缩试验和不同含水量下泥岩的蠕变实验标本,发现岩石强度和弹性模量迅速减少含水量的增加,和一个非线性蠕变本构方程建立了基于实验数据(9]。张等人和陆等人研究了泥岩的软化效应的力学性能在高温下(10,11]。高温会导致热膨胀的泥岩,扩张将随着温度的增加而增加。

由于冲击荷载的影响,如煤矿爆破和机械振动,在巷道围岩的扰动范围增加,然而岩体的承载能力下降。因此,很容易发生塌顶和底鼓(12- - - - - -15]。岩石冲击载荷作用下的动态行为是煤炭开采的一个重要问题16,17]。一些典型的完整的动态应力-应变曲线的大理石和花岗岩利用SHPB技术山等。18),加上一个解释关于曲线的形状和意义的讨论。陈等人花岗岩的动态力学性能测试(19]。结果表明,影响动态强度增加随着预先压缩应力的增加和预加压力时可以达到它的最大压力是大约50%的静态拉力强度。刘等人研究了角闪岩的机械特性,sericite-quartz片岩,冲击荷载下砂岩和动态抗压强度,分析失效模式和能量耗散变化与应变率和应变率硬化效应从砂岩微观结构的角度20.]。Mardoukhi等人使用光学显微镜和轮廓测定法分析拉力强度的下降率和冲击载荷作用下岩石的损伤区域利用SHPB试验(21]。花岗岩标本不同静水压力下的动态力学研究了杜et al .,,结果表明,动态强度的岩石标本随应变速率增加而增加,而岩石强度降低的利率敏感性随着静水压力的增加(22]。热影响岩石的动态属性是深部煤炭开采的另一个重要的问题。风扇等人研究了高温对花岗岩的动态行为的影响利用SEM和SHPB试验,结果表明,动态强度和能量吸收能力随着温度的增加而减少23]。

许多研究人员研究了冲击载荷下的失效形态的岩石标本。和中国科学家取得了巨大成就。李等人研究了影响故障特征的岩石进行一维耦合的静态和动态负载(24]。岩石标本将打破一个剪切破坏模型进行一维耦合的静态和动态负载,而传统的失效模式将分裂断层影响测试。赵等人认为,失败的岩石由拉伸应变的影响,轴向拉伸断裂分裂和毁灭性的失败25]。李等人进行了数值研究失败的砂岩,石灰岩和白云岩冲击载荷作用下(26]。岩石的失效模式是完整性,乳沟,粉碎。

尽管许多研究冲击载荷下的岩石力学性质进行(27- - - - - -40),很少有人注意到泥岩在煤矿的动态行为。结果,本研究旨在调查泥岩的动态力学性能在煤矿使用能量表征方法,及其定量关系公式也发达。在目前的研究中,一系列的压缩实验的泥岩在淮南矿区不同冲击载荷下,中国进行了动态行为,研究了泥岩裂缝属性和能量耗散规律使用直径50毫米SHPB试验装置。泥岩的裂纹和材料成分的关系确定。从能量吸收的角度,变形,失败,和能量耗散的泥岩。煤岩的研究提供了良好的理论和技术支持巷道爆破开挖施工。

2。SHPB测试的理论基础

在传统SHPB技术,泥岩样品位于事件栏和传播之间的酒吧。SHPB装置如图1。当前锋栏点击事件栏,一个矩形压力脉冲产生和传播事件栏,直到罢工的标本。部分事件压力脉冲反映从酒吧/标本接口,因为材料的阻抗失配。和它的一部分通过标本传送。标本的发射脉冲发出旅行沿着传播酒吧,直到它结束罢工的酒吧。SHPB装置来自安徽科技大学。前锋的长度,事件酒吧,酒吧和传播是0.60米,2.40米,1.20米,分别。酒吧里的材料都是合金钢。和酒吧的密度是7.8克/厘米³杨氏模量是210 GPa,纵波速度为5.19公里/秒,分别。

岩石的失败受到冲击荷载下,岩石不断交流能源与异国情调的环境。这是一个进化过程,微裂隙不同障碍点,最终发展成宏观裂纹。这个过程从microdamage宏观裂缝是能量耗散的过程41]。因此,破坏机理可以很容易地分析揭示了能量。在SHPB试验,得到应力、应变的记录菌株和入射光的传播。在冲击荷载,入射能量 ,传播能量 ,和反射能量样本如下(12,22,32]: 在哪里是酒吧的部分区域,是酒吧的杨氏模量,然后呢是酒吧的波速。 , ,和的应变是入射波、反射波、透射波在时间吗 ,分别。

通过省略标本之间的摩擦力引起的浪费能源和事件酒吧,酒吧在冲击载荷,被吸收的能量传输的标本是

3所示。样品制备和物理

3.1。制备的标本

位于安徽省中部,中国的长江中下游(见图2),Panyi矿山面临的危险高地应力、岩石巷道建设水压力和温度。2016年12月这个矿区在使用。巷道底鼓和侧挤压变形是在2017年发现的。泥岩块,用于在实验中,来自800米深5 #煤层矿区地质剖面,如图所示3。煤矿区由泥岩、砂岩、煤岩层倾斜约40°南在感兴趣的领域。有一些缺点通过mudstone-sand层,容易导致岩石崩落。泥岩形成发展时期大陆强大的张性断层和有经验的主要挤压和俯仰式构造和热液蚀变的活动。

圆柱形标本通过钻探,切割,研磨在实验室。为了满足一维应力波传播理论的假设的SHPB,减少摩擦和轴向惯性效应的标本,标本准备的长径比是0.5。因此,试样的直径50毫米;样品的长度是25毫米。0.05毫米内没有并行性标本的两端,粗糙度是在0.02毫米。泥岩标本的煤矿在图所示4。

在测试之前,与液体饱和标本的过程中进行了使用真空饱和装置(ZYB-IA,见图5),按照以下程序。蒸馏水被用作饱和液体,以避免化学因素的潜在影响。(1)把干燥的泥岩样品装在一个篮子里,在真空饱和装置上(2)真空样品仓,直到没有气泡产生的液体储罐(3)特定的阀门开关;液体储罐的蒸馏水是吸入样品仓库(4)泥岩样品沉浸在蒸馏水(即。,vacuum water-saturated environment) for 7 days, and the saturation pressure was set as 1.0 MPa(5)取出泥岩样品进行下一步的测试

3.2。泥岩样品的物理和机械性能

泥岩的化学成分有很大影响macromechanical泥岩样品的性质。泥岩的化学成分在煤矿决心使用x射线荧光光谱仪和x射线衍射(XRD)干燥后磨泥岩的标本。光谱仪和XRD的结果绘制在桌子上1和图6。结果表明,共8组件发现在泥岩。主要产品有二氧化硅(SiO₂)、氧化铝(₂O₃)和三氧化二铁(Fe₂O₃),达到56.6%,20.38%,和12.32%,分别。和氧化钠(Na₂O)是最少的成份。在矿物组成、高岭石泥岩最大的矿物之一。因此,泥岩的强度较低,相对于其他岩石。泥岩的静态力学性能也进行测试,结果如表所示2。泥岩样品的抗压强度和抗拉强度是28.96 MPa和2.16 MPa,分别。因此,泥岩的强度低于其他岩石来自煤矿。

4所示。测试的过程

三种驱动压力被应用于饱和泥岩SHPB试验的标本。冲击压力为0.25 MPa, 0.30 MPa,和0.40 MPa,分别用于SHPB试验。近似均匀变形的岩石标本是一个先决条件的有效动态单轴压缩试验。在测试之前,试样的两端动态压力应该是大致相同的。这可以通过比较检查两端的应力历史的标本在动态测试。图7说明了动态应力平衡的两端为典型的测试标本。很明显,在这个测试中,整个试样动态应力的均匀性已经实现,因此,轴向惯性效应已经减少到可以忽略的水平,验证假设的SHPB试验符合一维应力波。与动态应力平衡,岩石的应力-应变曲线可以得到不同的驱动压力下SHPB试验。动态应力平衡测试后,总共九个泥岩在SHPB试验标本检查。

5。SHPB测试的结果

5.1。失效模式的SHPB试验

图8显示了饱和泥岩在不同冲击载荷下的失效模型。结果表明,随着冲击压力的增加,泥岩裂缝的长度和孔径试样增加。主循环裂纹出现在泥岩样品当影响压力为0.25 MPa。裂纹通过整个标本,长度和光圈进一步增加。还有其他裂缝沿轴向的标本,长度是小。标本分为大块,由于圆形和轴向裂缝。当冲击压力达到0.30 MPa,轴向裂纹数量的增加和一些裂缝扩展到圆形裂纹的标本,在图所示8 (b)。与此同时,许多分割裂缝在测试,这些分裂的大小大裂缝。在0.40 MPa的压力影响下,裂纹沿轴向的标本进一步扩展,最后通过整个标本。圆孔和轴向裂纹增长。标本分成许多小块。

5.2。动态应力-应变曲线

泥岩标本在不同冲击载荷下的应力-应变曲线如图所示9。动态应力-应变曲线可以分为四个阶段:弹性阶段,(我)(II)裂纹扩展阶段,(3)塑性变形阶段,和(IV)衰竭阶段,如图10。在弹性阶段,应力增加线性应变增加。达到弹性极限压力时,微裂纹产生和扩展。下的塑性变形阶段将会出现更大的压力。此外,这个阶段的动态强度增加缓慢。屈服应力后,压力急剧降低增加压力。样品终于摧毁。可以看到在图的故障模型8。不像一般的应力和应变的关系,没有存在初始裂纹闭合的阶段。的主要原因是高应变率导致内部微裂隙不直接进入弹性阶段在时间和关闭。它也可以推断出图9随着冲击荷载的增加,泥岩样品的动态强度增加。

5.3。冲击荷载下的能量时程曲线

根据方程(1),(2),(3)和(4),入射能量,吸收能量,传播能量,反映能源可获得在任何时候。结果如图所示11。说明的是,所有的能量随时间的增加。入射能量的增长最快。此外,入射能量的强度最大、传播能量是第二,反射的能量是最小的。入射能量,吸收能量,能量,传播和反射能量的最后一次是103 J, 44.3 J, 42.2 J,分别和16.5 J。

结合泥岩样品的裂纹形貌如图8泥岩样品的,能量吸收过程可分为三个阶段从能量吸收的角度。(1)第一阶段。被吸收的能量增加在0到50μ年代。泥岩样品的弹性压缩变形条件。吸收的能量以弹性能量的形式存在。(2)第二阶段。这个阶段始于50到200μ标本的年代。吸收能量小于反射能量然后大于早期反映能源在80年之后μ年代。的主要原因可以概括如下。事件结束标本表面会产生反射拉应力和反射能量转移事件压力波,由于标本的波阻抗不匹配和酒吧。在这种状态下,被吸收的能量小于反射能量。然而,接触表面光滑和反射的能量会减少入射杆影响之下。下的环形裂纹将产生拉应力波。随后,高事件压力的影响下,泥岩标本内的原始微裂隙扩展,和大量的新微裂隙生成的同时,吸收能量继续增加缓慢。(3)第三阶段。200年之后μ年代,主裂缝泥岩样品迅速扩大和新裂缝将生成并通过标本。然后,将产生轴向裂纹。因为没有能量补充,最终,往往会有一个稳定的能源价值。

5.4。入射能量和传输能量的关系,反映了能量

最后的入射能量,吸收能量,传播能量,反映了能量的时间可以获得使用方程(1),(2),(3)和(4)。所有的能量的关系如表所示3和图12。

它是显示在图12(一个)当入射能量越小,传输能量入射能量的增加而增加。当入射能量较大,传输能量增量随入射能量的增加而减小。较低的入射能量,泥岩样品的弹性阶段。与入射能量的增加,泥岩塑性阶段,主要内部微裂纹增长和新的微裂纹产生,传播波的传播是削弱。

如图12 (b),当入射能量小,反射的能量增加慢慢随着入射能量的增加。当入射能量超过70 J,反射的能量增加的速度;传输能量趋于稳定。众所周知的人物12 (c)标本被吸收的能量的增加线性入射能量的增加,和被吸收的能量小于入射能量的0.5倍。指出超过一半的影响事件的能量可以以弹性波的形式消散的酒吧。

5.5。被吸收的能量的关系,传播能量,反映能源之间的峰值压力

能量传输与泥岩样品的变形。因此,吸收能量的关系,传播能量,能量峰值压力之间绘制在图反映出来13。结果表明,随着峰值应变的增加,吸收能量,传播能量,反映能量增加。然而,增加不同的吸收能量,传播能量,和反射能量,期间有一些波动增加。和最大的能量吸收能量的增长。原因是泥岩变形增量的标本需要更多的能量。

5.6。产品类别,EDM,唉

介绍了三个能量耗散指标来表示泥岩标本的能量吸收特性。一个是被吸收的能量每卷(类别) ,这是定义如下: 在哪里的体积是岩石标本。考虑质量的影响,第二个指数被定义为每单位质量吸收能量(EDM) 。这个公式是 在哪里的体积是岩石标本。泥岩样品的阻抗是能量传递效率密切相关。因此,引入阻抗,第三指数被定义为 在哪里是能量吸收阻抗比(喂)。

三个指标之间的关系和入射能量是绘制在图14。还绘制在图14是最佳适合使用线性函数曲线的数据,这意味着三个索引和入射能量之间的线性关系很适合流动数据的数据点。比较拟合系数( )三个索引( , , ),最好的拟合是ay和入射能量的关系,拟合系数是0.936。它表明,唉 ,考虑波阻抗属性,可以更有效地反映了泥岩的能量吸收标本:

5.7。在应变能量耗散率的影响

产品类别之间的关系、电火花和ay和平均应变率绘制在图15。二次函数可以用来描述三个索引和平均应变率之间的关系。应变率较低时,被吸收的能量导致泥岩与许多内部缺陷。当应变速率的增加,试样的吸收能量的增加将导致泥岩新微裂隙产生的标本。当应变速率高,原始的微裂隙的泥岩和泥岩样品通过扩张。标本是粉碎和破碎的最后:

6。讨论

为了理解化学成分和微观结构导致宏观裂纹现象的冲击荷载作用下饱和泥岩标本,观察裂缝形态使用阿拉伯学者数码显微镜。两个轴向和两个圆形裂纹表面的典型破碎泥岩样品选择检查和编号,B, C,以及d .明显的粗糙度特征很容易观察到两种裂纹表面,如图16。但圆形表面的粗糙度大于轴向的表面。主要原因是轴向裂纹表面(A和C)是由剪切滑移和穿着,和循环应力波紧张导致裂纹表面载荷下(B和D)的影响。此外,从表1、SiO₂在泥岩的主要组件之一,其次是铝₂O₃和菲₂O₃。他们的粮食分布如图8 (b)。并得出结论:轴向和圆周裂缝主要发生在粮食接口,因为它是一个薄弱地区岩石。

结合一维应力波传播理论和泥岩的物理组成部分,循环的产生的原因和轴向裂纹试样在冲击载荷如下。泥岩的特点是粘塑性、软化和结构强度较低。泥岩的微观结构将改变当遭受冲击荷载。泥岩的微粒是重新分配以及强制方向从自由状态。SHPB试验的事件压力反映了压力传递和传输时拉应力之间的接触表面传播的酒吧和标本。拉应力使环形裂纹由于低抗拉强度的泥岩煤矿标本。同时,事件的连续作用下压缩应力波,标本受到轴向分裂失败。

钻爆的主要方式是在煤矿巷道隧道。一般来说,用于爆破孔的圆柱形电荷,围岩在一维压缩情况。此外,爆破能量的影响保留岩石爆破破碎和损伤对钻爆很重要,尤其是对泥岩强度较低。因此,能量耗散规律和失效机理下泥岩的冲击荷载为采矿爆破安全提供强有力的支持。

7所示。结论

本文在煤矿泥岩的动态力学性能研究使用能量表征方法,及其定量关系公式也发达。因此,一系列的压缩实验的泥岩在不同冲击载荷进行研究泥岩动态行为,裂缝属性和能量耗散规律使用直径50毫米SHPB试验装置。上面的分析支持以下结论:(1)轴向分裂失败和圆形拉伸在泥岩标本在测试期间观察到的。因为会产生拉应力,容易导致循环拉伸断裂为低强度岩石由于反射和传播的传播效果栏。此外,连续压应力导致轴向分裂失败(2)从失败的裂纹微观形态学显示表面出现在泥岩颗粒界面,和拉伸断裂表面的粗糙度大于分裂的表面(3)吸收能量,能量传输和反射的能量与入射能量的增加,泥岩增加显示线性、对数、分别和二次函数(4)比较三个能量耗散指标(产品类别、电火花和ay)与入射能量,ay更反映了泥岩的能量耗散。三个能量耗散之间的二次函数关系索引和泥岩的平均应变率标本显示了强烈的应变率依赖

数据可用性

使用的数据集或分析在当前研究可从相应的作者以合理的要求。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

作者的贡献

郭Liangjie和Yongyu王提出了研究。郭Liangjie促成了SHPB试验和写作手稿;Yongyu王造成的样品制备和修订手稿。

确认

这项研究是由中国国家自然科学基金资助(51904281)。这种支持。