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秋城元，广东谢，雷王，振华娇，彭邹，淮北刘，湖泊穆罕默德汗， ＂动态压缩下不同长度直径比的煤的应力均匀性和变形行为的实验研究"，冲击与振动， 卷。2021， 文章的ID6675200， 12 页面， 2021． https://doi.org/10.1155/2021/6675200
动态压缩下不同长度直径比的煤的应力均匀性和变形行为的实验研究
邱鹏元
，1，2
广西谢，1，2
王磊，1，2
振华娇，1
彭邹，1，2
Huaiqian刘，3.
和
Naseer穆罕默德汗4，5
12 .安徽理工大学深部煤矿开采响应与灾害防治国家重点实验室，安徽淮南232000
2安徽科技大学矿业工程学院，淮南市安徽淮南232000
3.中国矿业大学(北京)能源与矿业工程学院，北京100000
42 .中国矿业大学煤炭资源与矿山安全国家重点实验室，江苏徐州221116
5巴基斯坦奎达俾路支大学信息技术工程与管理科学系采矿工程系
摘要
本研究对长径煤样进行单轴冲击压缩试验 用a表示0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9和1的比值50 mm分离式霍普金森压杆（SHPB）试验系统，研究了不同载荷下煤样的应力均匀性和变形行为 在动态压缩过程中的比率，限定了应力平衡系数 ，提出了一种确定试样是否满足应力均匀性假设的新方法，并得到了临界值 且比例为0.6为最优 为0.3或0.4时，煤样获得应力平衡。试验结果表明，煤的动态应力-应变曲线存在弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段。随着 比例增加，弹性阶段与样品峰前曲线的比例逐渐下降；随着 比时，曲线峰值部分也由“急剧”变为“停滞”，而塑性的增加导致应变软化。随着 随着试样比例的增加，平均应变率近似为幂函数递减，递减趋势从296.49 s开始逐渐减小−1（ =0.3)至102.85 s−1（ =1），减少约65.31%。随着 比，峰值应变呈指数递减。本研究得出SHPB试验方案设计对于煤等低密度、低强度、非均质脆性材料具有一定的参考价值。
1.介绍
煤矿工程涉及各种影响动力学问题，包括爆破挖掘，煤墙刮削和切割，以及采矿干扰。屋顶和地板骨折，故障滑块或煤矿中的煤柱破裂可能会诱导应力波（动态载荷），其传播在煤炭和岩石群体中的突起，造成动态灾害[1- - - - - -6]．研究表明，煤的应变速率在10 ~ 10之间3.年代−1在煤矿开采、储存和运输过程中[7]．因此，研究煤的动态响应特性对于煤矿灾害防治和煤矿安全生产的提高具有重要意义。
煤岩体的冲击动力学常采用分离式霍普金森压杆(SHPB)系统进行测试[8]．自从Kolsky [9]提出了该系统，不断改进的SHPB实验技术已广泛应用于岩石、混凝土等断裂破坏应变较低的脆性材料[10，11]．SHPB实验技术基于一维应力波假设和试样应力均匀性假设。对于直径较小的杆，一维应力波假设基本成立[12];因此，一致性假设验证成为判断检验结果准确性的关键。许多学者和专家对SHPB中试件的应力均匀性和应力平衡进行了研究。Xu等通过比较不同波形的应力平衡因子，提出了改善试样早期应力均匀性的方法[13]．Hu和Song报道加载初期往往存在非均匀性问题，采用弹性波理论分析确定加载条件，实现脆性材料测试恒应变率加载[14]．Qi等人发现应力平衡时间受试样/压力棒的广义波阻抗比和入射波上升时间的影响，提出了减小应力平衡时岩石试样应变的控制方法[15]．龚研究了各种岩石，并报告说，岩石波速与岩石样品的最大长度之间存在二次函数关系;他们还提出了一种确定岩石样本大小的方法[16]．李等人[17- - - - - -22，表明SHPB试验结果与长径比密切相关 样本的比例。煤岩体在应力平衡时的冲击动力学研究对象多为高强度、高密度的坚硬岩石，如砂岩、花岗岩等[23- - - - - -31]，静强度小于10 MPa、密度小于1.5 g/cm的软岩研究较少3..此类软材料在冲击过程中更难实现应力均匀性；因此，确保冲击破坏前煤的应力均匀性是获得准确可靠结果的基础。
与岩石相比，煤具有低密度、低强度和更复杂的内部孔隙，使其更难达到应力平衡。对于煤等软质材料的应力平衡，以及试样破坏前是否满足应力均匀条件的确定方法，目前还没有研究。为此，结合不同煤种的动态压缩试验 结合SHPB试验原理，明确了应力-应变曲线的本质特征，提出了一种判断试样破坏前应力均匀性条件的新方法，并确定了临界和最优值 满足应力平衡条件的比值，为类似情况下确定煤样尺寸提供参考。
2.测试协议
２.１.测试设备
数字1是SHPB测试系统。本研究利用SHPB试验系统进行了动态压缩试验。SHPB先导系统有一个300 mm长的圆柱形子弹，一个10 mm × 10 mm × 3 mm橡胶片成形机，以及由40 Cr合金钢制成的入射杆和传动杆，长直径为50 mm，密度为7810 kg/m3.，纵波速度为5190米/秒。采用高速摄像机记录试样裂纹扩展过程。
2．2.样品制备
在本研究中，使用无污垢分离和明显裂缝的大块煤炭作为基材，并对垂直煤炭样品表面进行钻孔、切割和研磨，直到样品直径达到50 嗯。考虑到处理薄煤样的难度，8组（每组3个样品）的样品 采用0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0比值，样品两端不均匀度<0.05 mm，两端不平行度<0.02 mm。测量了制备样品的体积和密度等物理参数。采用U510非金属超声检测器准确测定样品的波速。探针正确对准并通过偶联剂与试样紧密接触。同时，剔除损伤明显、波速偏差>10%的试件。样品上标有D，并对每组样本连续编号。例如，“D-0.5-2”表示动态加载试样组中带有a的第二试样 比率为0.5。
2．3.测试方法
讨论煤的作用 在应力平衡比的基础上，采用均匀的冲击气压，通过入射杆前的激光测速仪测定子弹在碰撞前的速度。为了收集准确的波形数据，在测试前，事故棒和传输棒被调平并同心对准，空棒使用凡士林作为润滑剂进行校准和调整，以确保基本没有反射波。
在测试了黄铜片、橡胶布等材料作为脉冲整形器后，本研究采用了方形橡胶片作为脉冲整形器。数字2给出了以橡胶片作为脉冲整形器的煤SHPB试验的经典波形图。如图所示，应力波整体光滑，没有明显的弥散效应，符合一维应力波传播理论。入射波为正弦波的一半，上升沿较长，有利于试样的应力均匀性，反射波和透射波的波形与入射波相似。
3.结果分析
3.1。应力 - 应变曲线的基本特征
用应变计法计算示波器采集的电压信号，并将其转换为应变。使用公式计算样品的应力、应变和应变率(1)，得到应力-时间历程曲线、应变-时间历程曲线和应变率-时间历程曲线，从而计算出试样的动态强度和平均应变率[32]．基于应力 - 时间历史曲线和应变时间历史曲线绘制样品的动态应力 - 应变曲线。煤动态变形行为的变化与 比率见表1． 哪里和杆内应变是否同时对应于反射波和透射波分别在独立传输期间； ， ，和分别为弹性压力杆的横截面面积、弹性模量和纵波速度;此外,和分别为样品的横截面积和原始长度。
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数字3.是一条典型的不同煤种的动态应力应变曲线 SHPB试验得出的比率。如图所示，根据曲线的形状、斜率和曲率，煤的动态应力-应变曲线可分为以下3个阶段。图4显示了动态应力-应变曲线的各阶段。
弹性阶段( ， ，图中a级4):应力-应变曲线在此阶段呈线性上升。由于动加载速率高于静加载速率，试件脆性明显，其应力-应变曲线与静加载时不同，且初始呈一定斜率上升。在此阶段，试样荷载随着应力波在试样中的反射和折射而增大，试样内应力均匀，弹性能在试样中积累，但此时的应力不足以造成损伤。在这一阶段，曲线的斜率，即煤的动态弹性模量基本保持不变。
塑料阶段( ， ，阶段b在图中4):此阶段应力-应变曲线为凸形。在弹性阶段，试样的弹性能不断增大。当变形突破其弹性极限时，试样内部微裂纹开始扩展，发生不可逆的塑性变形。随着曲线斜率逐渐减小，裂纹扩展速率逐渐增大，出现大量新裂纹;结果，应力达到最大值。
破坏阶段( ，阶段c在图中4):在此阶段，应力-应变曲线下降，试样应力超过极限强度。此时试样应力减小，承载力显著降低，导致试样快速变形破坏。
３.２．的影响 应力-应变曲线特性的比值
煤的应力-应变曲线不同 比率基本相同并包括三个阶段，但它们的曲线特征显然是不同的。比较曲线特征（图3.)不同煤种的煤 比率见表2．(1）表中的弹性级的比例如表所示2．随着 比例增大，试样中弹性阶段占峰前曲线的比例由61.5% ( =0.3至21.2% ( =1)，下降65.5%。峰后应变从0.01955减小到0.00865，表明试样的弹性变形较小 比例更充分，因此它具有很强的变形抵抗力。(2）随着……的增加 比时，曲线峰值部分由“急剧”变为“停滞”，塑性的增加导致应变软化。产生这种变化的原因是试样在塑性变形后，碎块之间可能会有较大的位移。由于长试件的变形空间大于短试件的变形空间，长试件松动块的承载力迅速降低，应变迅速增大。
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4.动态压应力均匀性分析
4．1.应力平衡分析
根据应力波传播的基本理论，在SHPB冲击试验中，假设试样在破坏前内应力达到均匀性是试验结果可靠的前提，即试样两端应力应相等。但由于应力波在试样中的传播规律，两端应力总是不相等的，一般认为两端应力差小于试样中应力的5%时达到应力平衡[32]．为了定量描述应力平衡的影响，Li等[33定义了两端应力差的比值他们的平均 为应力平衡因子表征样本的应力平衡，在哪里可通过应变计法获得： 哪里 表示入射电压和反射电压之和我+R曲线在图5), 表示传输电压（输出电压）T曲线在图5）.数字5给出了8个不同试样的经典应力平衡关系图 比率。
(一)
(b)
(c)
(d)
（e）
(f)
（G）
(h)
如图所示5,当 = 0.3和0.4，两者之间的重合和曲线非常高，而且在上升缘的起始段波动较大。随着应力波的增加，上升沿和峰值在0附近大幅度波动。试件两端均能达到应力平衡，表明试件在破坏前能达到应力均匀性。当 = 0.5和0.6，η在上升的边缘和曲线趋于0，但应力平衡未完全达到。当传递应力达到峰值时，本质上接近于0，试样中的应力基本达到平衡。当 = 0.7、0.8、0.9、1时，各峰值之间存在过大的时间差或应力差和曲线，导致吻合度低，而且试样冲击破坏时未能停留在0左右，试样无法达到应力均匀性;即两端的应力处于非平衡状态。
其他冲击试样的应力平衡也根据式(2）.结果表明样品 0.3、0.4、0.5和0.6的比值表现出较高的应力平衡度，在破坏前达到了应力均匀性。为样本 当比例为0.3和0.4时，应力平衡效果最好，而当比例为0.3和0.4时，应力平衡效果最差 比率为0.7,0.8,0.9和1，以实现应力平衡。分析表明存在危急 用于达到压力平衡的样品的比例，例如煤炭，以及何时 当比值超过这个临界值时，试样在冲击过程中就不可能达到应力平衡。
4.2。一种确定应力均匀性的新方法
提供一种在给定时刻在样品的两端确定应力平衡的方法。为了进一步确定在SHPB测试中的样品失败之前是否达到了应力平衡，年代在传递应力峰值前进行了统计分析，确定了应力平衡系数 ： 哪里为应力平衡系数;是年代在样本中透射应力的峰值之前;和表示的数目年代在满足条件的样品中 ．
在煤的SHPB试验中，动态冲击上升沿持续160-190为了减小初始阶段试样不均匀应力的影响，整个上升时间的1/4 ~ 1/3(约50s） 选择上升沿后。考虑到用于确定试样破坏前是否达到应力平衡，以传递应力峰值为目标，年代(如图阴影部分所示)5）.按此方法计算，平均值对应的样本 0.3、0.4、0.5、0.6的比值分别为87.3%、64.6%、28.7%、16.4%，且最小分别为80%、46.6%、20.2%和4.6%。的标本与其他 比值为0，即试件在破坏前无法达到应力平衡。
结果表明，从应力平衡的角度来看，最佳的 煤样的比例应为0.3或0.4，当 是大于批判的吗 比例为0.6时，试样不可能达到应力平衡。
5.的影响 煤炭动态变形行为的比率
数据处理基于SHPB试验原理，不能达到应力平衡的样品没有分析意义。因此，下文主要对煤的动态变形行为进行分析。平均应变率的变化趋势 ，峰值应变，峰值应力 ，和动态弹性模量与 根据不同煤种的应力-应变曲线，得到了煤种的应力-应变比 比率(表1）.
5.1.合同的影响 比例达到平均应变率
平均应变率是指试样峰值应力对应的应变率。应变率是试样在单位时间内的应变量，它可以表征试样的加载状态。数字6给出了平均应变率随应变速率的变化曲线 比率。
样品均来自同一母岩，但由于煤的非均质性，样品间仍存在一定差异。结果表明，在相同条件下，煤的平均应变率存在一定的离散度 比率。然而，总的来说，作为 比增大，平均应变速率由296.49 s逐渐降低−1（ =0.3)至102.85 s−1（ =1)，降低65.31%。
基于平均应变速率的各种特性 ，通过拟合曲线获得了它们之间的函数关系：
如公式(4), 比率增加，试样的平均应变率在近似功率函数中降低，下降趋势逐渐减慢了。数字7给出了不同煤样裂纹扩展形貌的照片 比率(0.3-1)使用高速摄像机。结合图7随着高速摄像机的影响诱导的样品失效的照片，分析显示为 比例增加，产生的裂纹减少，交联裂纹减少。对于较短的试件，在端部摩擦作用下，径向变形较小，试件中部应力集中且迅速上升，变形发生迅速，试件裂纹发展明显，最终表现为高应变率和破坏。而对于长试件，端部摩擦减弱，试件中部应力集中相应减小，应力增加速度减慢，径向变形增大，最终表现为应变率较低，出现劈裂破坏。
(一)
(b)
(c)
(d)
（e）
(f)
（G）
(h)
（一世）
5.2。的影响 峰值应变的比值
峰值应变是表征煤样变形程度的重要参数，也是煤的基本力学参数之一 比率如图所示8．
如图所示8的增加 比例，煤的峰菌株逐渐降低。整个更改过程可以大致分为2个阶段，如下所示：（1）当 比率从0.3升增加到0.6，峰值应变从0.0461到0.0251急剧下降，减少45.55％;（2）当 比值从0.7增加到1，峰值应变下降速率较低，从0.0203下降到0.0143，降幅为29.56%。基于此变化特征，采用指数函数拟合曲线，得到峰值应变与峰值应变之间的函数关系 煤的比例:
根据公式(5), 随着比值的增大，煤的峰值应变逐渐呈指数下降。结合不同煤种煤的应力-应变曲线分析 比率(图3.)，结果表明，作为 试样的比例增加，破碎片段之间的相对接触降低，相对位移增加，并且发生明显的塑性变形，通过塑料阶段在峰前的应力 - 应变曲线中的比例的增加来证明。结果，样品的强度和可变形性降低，这导致最终变形降低。宏观上，这反映了煤碎片的增加，增加了 比率。数字9显示了不同试件的破坏模式 比率。
5.3。的影响 峰值应力的比值和动态弹性模量
峰值应力是煤的动态抗压强度，是煤的极限承载能力的量度。煤的动态弹性模量可以表征煤在高应变率下的变形抗力。数字10给出了煤样的峰值应力和动态弹性模量 比率。本节分析3．2表明当 大于0.7时，试样不可能达到应力平衡，也不可能满足图中虚线所示的应力均匀性假设10．煤样表现出一定的分散性，但煤样的整体峰值应力逐渐减小，动态弹性模量逐渐增大 比率。
6.结论
(1）在高应变率下，煤的应力-应变曲线大致分为弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段。随着 比例增加，样品的弹性阶段与峰前曲线的比例从61.5%逐渐降低( =0.3至21.2% ( =1)，下降65.5%。随着峰后段应变从0.01955降低到0.00865，曲线峰值部分由“急剧”变为“停滞”，而塑性的增加导致应变软化。(2）在SHPB试验中，岩样破坏前，保证上向应力的均匀性非常重要。在SHPB试验原理的基础上，提出了一种新的SHPB试验方法为确定试样的应力平衡，提出了临界值 煤样满足应力平衡的比率确定为0.6，而最佳 发现该比率为0.3或0.4。（3）随着 样品的比例增加，电功率函数的平均应变速率降低，下降趋势放缓;也就是说，平均应变率从296.49秒降低−1（ =0.3)至102.85 s−1（ =1)，降低65.31%。（4)随着 样品的比例增加，峰应变逐渐降低。当 比值从0.3增加到0.6，峰值应变从0.0461急剧下降到0.0251，下降45.55%。当 比值从0.7增加到1，峰值应变下降速率较低，从0.0203下降到0.0143，降幅为29.56%。数据可用性
用于支持本研究发现的数据可由通讯作者要求提供。所有实验数据均包含在本文中。
的利益冲突
作者声明他们没有利益冲突。
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