0 引言
当前深部矿井开采过程中，煤与瓦斯突出、冲击地压等煤岩动力灾害日益严重，而对煤岩力学特性的研究以静态或准静态居多。根据现有的关于岩石类材料的动态力学特性研究结果显示，岩石的特性受应变率的影响较大，其动态力学参数具有显著的率相关性。近年来，煤体动力学特性因其有别于静力学的破坏形式和强度特征随着煤体动力灾害现象的频现开始逐渐被关注。研究煤在应变率为10～102 s-1条件下的动力学特性是分析岩爆和煤与瓦斯突出等动力灾害致因的一个方向。目前，一些学者主要做了如下方面的研究：①对煤在动载荷下的变形特征的研究，如李成武等[1]分析了煤体在动荷载下的软化效应，发现随着应变率的增加，煤的动态响应由硬化向软化过渡；解北京[2]分析了煤体动态应力应变曲线，得到了煤体破坏3个阶段的力学特性；②对煤在高应变率条件下的动力学特性的研究，如刘晓辉等[3]对煤体在高应变率条件下的劈裂形式进行了探讨，发现高应变率下煤体呈现出压碎破坏；李明等[4]将煤体在高应变率条件下变形分为压密阶段、弹性变形阶段、微裂纹演化阶段、裂纹非稳定扩展阶段以及卸载阶段；③对特定煤种的动态破坏特性的研究，如单仁亮等[5]利用SHPB装置建立无烟煤的屈服强度、极限强度与应变率的关系，高文蛟等[6]建立了无烟煤的冲击压缩膨胀动态断裂强度理论公式，王登科等[7]将焦煤在46～110 s-1时的破坏变形分为线弹性阶段、弹塑性阶段和塑性软化3个阶段；④对组合煤岩动力学特性的研究，如刘少虹等[8]开展了一维动静加载下组合煤岩动态破坏特性的试验研究，获得了组合煤岩的动态强度和碎片分维随动静载荷的变化规律；⑤对煤体的动态本构方程的研究，如穆朝民等[9]构建了煤体的动态本构方程，发现煤体在冲击荷载下呈现快速跃升式和慢速阶梯式2种损伤形式。可见，目前对煤的动力学特性的研究取得了一定成果，但主要以单一煤体的研究为主，且定性分析居多，定量分析较少。
在煤矿井下，易于发生煤与瓦斯突出的软分层煤由于受到强裂破坏而产生碎裂、揉皱，呈现出层理紊乱、煤质松软的特点，不利于试件制作，故采用自制压煤罐，选取软分层煤制取型煤试件。同时，选取大块状的原生结构煤，钻芯套取原煤试件。利用ø75 mm霍普金森压杆装置(Split Hopkinson Pressure Bar，简称SHPB)对型煤和原煤动态力学性质进行了大量的试验，着重研究了2种煤样在不同应变率条件下的应力应变关系、动态强度特征、动态应力应变增长机制、能量耗散规律等，为进一步研究煤岩在冲击荷载作用下的力学机理奠定基础。
1 SHPB试验方法
1.1 煤样的制备
本试验煤样取自淮南矿业集团张集煤矿13-1煤层，煤层埋深约为-600 m，赋存于二叠系上石河子组，煤质为气煤。在煤层内无突出危险性区域和具有突出危险性的软分层内选取2种不同的煤样，制作成原煤和型煤两种试件。
1)原煤试件的制备。将采煤工作面刚暴露的大块煤体现场取出，用密封袋包裹后抽真空。运抵实验室后，利用岩石钻机(图1)钻取直径为50 mm的圆柱型煤体后，打磨切割成所需的动力学测试试件。
图1 原煤试件的钻取
Fig.1 Drilling for raw coal
2)型煤试件的制备。从软分层提取松软煤，将其破碎，筛取粒径为0.180～0.425 mm煤粉装入自制的压煤罐，在大型刚性压力机(图2)上用100 MPa的压力压制成型煤试件。通过严格控制加入煤粉的质量和成型压力，可以将型煤试件的尺寸控制在符合SHPB试验要求的范围内。制作完成的试件如图3所示。
图2 型煤试件的压制
Fig.2 Compacting for briquette coal
图3 煤体试件实拍
Fig.3 Pictures of coal sample
1.2 SHPB装置
试验是在ø75 mm SHPB试验系统上完成，装置如图4所示。
图4 分离式霍普金森压杆装置示意
Fig.4 Sketch map of split- Hopkinson pressure bar testing system
装置的撞击杆、入射杆和透射杆长度分别为0.4、4.0、2.5 m，直径均为75 mm，材质均为高强度合金钢，弹性模量为195 GPa。通过测量粘贴在入射杆和透射杆上应变片的电信号，结合应力波理论可以计算出试件的应力、应变及应变率等动态力学参数。
2 冲击荷载下的煤样变形特征
试验得到的2种煤在不同应变率下应力-应变曲线，如图5所示。
由现有的研究可知，煤体在准静态加载时，由于内部存在大量裂隙，初始经历压密闭合阶段，随后呈显著的线性变形，而在冲击荷载下则呈现不同的变形特性。由图5可知，2种煤在动态加载时，初始阶段均呈现出显著的非线性。随着荷载的增加，试件内部的裂纹逐渐扩展，试件切线模量逐渐降低，表现为曲线切线斜率随加载逐渐降低，直至达到屈服应力点。此后，煤体应力继续增加，直至峰值应力点，表现出应变硬化的特性。当煤体内部微裂纹充分发育并贯通，出现宏观裂纹，试件便发生了破坏。由于目前SHPB技术对峰后一类卸载曲线(负斜率)的测量尚存在一定的争议，故在此不加讨论。总体上，2种煤在冲击荷载下的变形过程均可概括为：初始非线性阶段、屈服阶段、应变强化阶段和卸载破坏阶段。
图5 不同应变率煤动态应力应变曲线
Fig.5 Dynamic stress strain curve of coal under different strain rate
3 煤样动态强度特征
3.1 动态抗压强度与应变率的关系
为了探索动态抗压强度与应变率之间的定量关系，以及对比2种煤率敏感性的差异，二者之间关系如图6所示。
图6 煤体动态抗压强度随应变率变化关系
Fig.6 Dynamic relationship between comprehensive strength and strain rate
根据已完成的静力学试验，型煤和原煤的抗压强度分别为5.62 MPa和17.67 MPa。可见，2种煤的动态抗压强度均高于静态抗压强度，且应变率越大，增幅越高。应变率在70～280 s-1，原煤的强度提高到静态强度的1.79～5.25倍；型煤的强度提高到静态强度的4.8～18.2倍。这说明2种煤均是率敏感性材料，具有应变率强化特性。这与岩石[10-11]和混凝土[12-13]的动态力学特性基本一致，因为在冲击荷载作用于试件的瞬间，能量大且作用时间短，试件只有通过提高应力来达到提高能量吸收的目的，从而导致材料的强度增加。
观察数据点的规律发现：应变率在70～280 s-1，2种煤的动态抗压强度均与应变率呈指数增大的关系，其拟合表达式为
原煤：
(1)
型煤：
(2)
其中:σf为煤体动态抗压强度，
为试验应变率。由此可知，2种煤在冲击荷载下的强度变化具有一定的规律性：①在试验应变率范围内，2种煤的动态抗压强度均随应变率的提高而增强，呈指数增长的趋势，体现出显著的应变率相关性；②在相同应变率条件下，型煤的峰值强度低于原煤，且随着应变率的进一步提高，原煤强度的提高速率比型煤更快，说明原煤对冲击荷载的抵抗能力更强。这也是突出煤更容易失稳破坏的原因。
3.2 峰值应变与应变率的关系
由图7可知，2种煤的峰值应变亦随应变率的提高而增大，具有明显的率相关性。原煤的峰值应变由8.49×10-4提高到18.66×10-4，型煤则由5.87×10-4提高到27.7×10-4，体现出显著的动态增韧效果。
图7 峰值应变随应变率变化关系
Fig.7 Relationship between peak strain and strain rate
选择指数关系对数据点进行拟合，得到了较好的效果。从拟合的结果看，试验应变率在70～280 s-1，峰值应变与应变率的关系可以表示为
原煤：
(3)
型煤：
(4)
其中:εf为煤体的峰值应变。对比2种煤可知，在较低的试验应变率条件下
型煤的峰值应变高于原煤，这与型煤较软、变形较大有关。当应变率超过130 s-1时，原煤的峰值应变随应变率快速增大，体现出比型煤更强的增韧效果和抵抗破坏的能力。
4 动态应力增长因子与应变率的关系
为了对比特定应变率条件下煤体动态强度相对于静态强度的提高幅度，定义动态强度与静态强度的比值为动态应力增长因子DIF，即
(5)
其中：σfs为煤体的准静态抗压强度，MPa。以试验应变率与准静态试验应变率的比值
为横坐标，以DIF为纵坐标，2种煤的DIF随应变率的变化关系如图8所示。
图8 DIF与应变率的关系
Fig.8 Relationship between DIF and 
由图8得，2种煤均存在随应变率增大DIF增大的现象，且在高应变率和低应变率条件下，DIF的率敏感性不同，存在一个转折应变率，约为
在转折应变率前，即在低应变率条件下，2种煤的DIF变化规律基本一致，而当应变率超过转折应变率时，型煤的DIF增长更快，说明在高应变率条件下的应变率效应更为明显。
在试验应变率范围内，型煤DIF更高，在相同应变率条件下随着煤体强度的升高(煤体由软变硬)DIF增长速率呈现降低的趋势，这反映了煤体自身强度对DIF具有较大影响。
ROSE等[14]对于混凝土的研究表明，应变率在100 s-1附近DIF存在转折现象，当高于此应变率时DIF快速增长。LI[15]分析混凝土应变率效应时也发现了类似的现象。对比混凝土和煤这类脆性材料，应变率在100 s-1附近DIF都存在转折现象，原煤与混凝土在高于此应变率时DIF快速增长，而型煤在转折前后DIF增长速率变化不大。主要是这类材料在高应变率条件下的横向惯性效应使试件的侧向约束增加，产生了类似侧向约束的效应，型煤相对于原煤而言强度小、密度低，侧向惯性效应不明显。
型煤和原煤DIF与应变率的关系中均出现了一个转折应变率，并且在转折前后DIF与应变率的关系不同，这主要是煤体在不同应变率条件下的强度和变形的主控机制不同。在低应变率条件下煤体的变形和强度主要受ZHURKOV[16]所提出的热活化机制控制，因此不同强度的煤(热活化能差别不大)在低应变率条件下DIF增长速率几乎一致(如图8，两条曲线出现转折前几乎平行)；随着应变率的增加，煤体的宏观粘性开始表现[17]，因此在130 s-1附近煤体DIF出现了一个转折点，煤体越软宏观黏性表现越明显；随着应变率的进一步升高，煤体的惯性效应开始表现，煤体越软惯性效应表现的侧向约束越明显，随应变率的增加煤体强度升高的越快(如图型煤在高应变率条件下强度变化速率高于原煤)，因此型煤在高应变率下具有较高的应变率硬化的能力。
综合对比前人对砂岩、花岗岩、混凝土等材料的动态力学特性的研究成果，煤体与其他岩石类材料的DIF与应变率的关系如图9所示。岩石类材料普遍存在应变率硬化效应，且强度越低，DIF越大，反映出材料强度对于DIF影响较大，即材料强度越低，应变率硬化效应越显著。
图9 不同岩石材料的DIF与应变率的关系
Fig.9 Relationship between DIF and strain rate of different rock material
5 冲击荷载下煤岩破碎能量耗散规律
由应力波基础理论可知，其中应力波σ(t)所携带的能量通过式(6)得到：
AeEece
ε2(t)dt
(6)
其中：W为应力波携带的能量，J；Ae为输入与输出杆的横截面积，m2；Ee为输入与输出杆材料的弹性模量，GPa；ce为压杆中的应力波速，本试验为4 984 m/s；t为时间，ms；σ(t)为应力波对应于时间t的应力；ε(t)为应力波对应的应变。由此可计算从开始加载到卸载过程中压杆上的入射能WI、透射能WT和反射能WR。
由于试件端面涂抹了润滑剂，可忽略了加载过程中端面之间摩擦力所消耗的能量，所以，入射波所携带的能量减去反射波和透射波携带能量之和即为冲击荷载下试件破坏所消耗的能量，称为试件的破碎功WD。为消除试件尺寸效应的影响，可用单位体积试件破坏所耗散的破碎功来衡量能量消耗大小，即破碎功密度wd，见式(7)和(8)。
WD=WI-(WR+WT)
(7)
(8)
其中：WD为破碎功，J；WI，WR、WT分别为入射能、反射能和透射能，J； wd为破碎功密度，J/cm3；V为试件体积，cm3。将破碎功与入射能的比值定义为能量吸收率N，即：
(9)
2种煤在不同冲击荷载下的破碎功密度与应变率的关系如图10所示。
图10 破碎功密度与应变率的关系
Fig.10 Relationship between dissipation energy density and strain rate
由图10可以看出，2种煤的破碎功密度随应变率的变化规律一致，均呈指数增长，呈现出显著的应变率相关性。在相同的应变率条件下，原煤的破碎功密度较型煤的更大，这是由于原煤试件内部裂隙保存较好，对能量吸收的影响较大，这与谢和平等[18-19]研究的孔隙人造岩石的能量耗散规律基本一致。
图11 能量吸收率与应变率的关系
Fig.11 Relationship between energy dissipation rate and strain rate
由图11可知，在不同冲击荷载下，2种煤的能量吸收率未出现明显的增大或减小的趋势，而是在一定的范围内波动，呈现出应变率无关性。这说明在冲击破坏过程中，试件破碎功占入射能的比例基本不变，原煤为8.5%～14.6%，平均10.1%，而型煤为16%～21.1%，平均19.3%，且原煤的能量吸收率低于型煤。这是因为原煤的材质不均匀，内部原生缺陷较多，且脆性强，拉压比较小，冲击荷载作用时，微裂纹尖端很快发生扩展，有效截面积迅速降低，能量吸收能力随之明显下降[20-22]。对于型煤，其均匀性较好，变形能力较强，加载过程中不会有大的主裂纹迅速扩展，因此在整个破坏过程中吸收能量的能力较为均衡，最终的破碎程度更高。
6 结论
1)2种煤在冲击荷载下的变形特征均不同于准静态加载，在初始阶段即表现出非线性，且在低应变率时，存在一定的塑性变形，而高应变率时则表现出显著的应变硬化特性。
2)随着荷载的提高，2种煤的动态抗压强度和峰值应变均具有应变率强化的特点，随应变率呈指数增加。对比2种煤，原煤的应变率硬化特性更为明显，随应变率提高的幅值更大，说明原煤比型煤具有更好的抵抗冲击载荷的能力。
3)2种煤的DIF随应变率呈2种不同的变化趋势，在转折应变率前后均满足线性增长关系，体现出应变率硬化和动态增韧效应。在应变率处于不同阶段，煤体材料受热活化机制、宏观黏性、惯性效应所起的作用和贡献各不相同。
4)2种煤的破碎功密度随应变率呈指数增长，体现出显著的率相关性。由于内部微观结构的不同，型煤的能量吸收能力更强，动态抗压强度和破碎程度随应变率增加的幅度更高，体现出更为显著的率敏感性。
[1] 李成武,解北京,杨 威,等.煤冲击破坏过程中的近距离瞬变磁场变化特征研究[J].岩石力学与工程学报,2012,31(5):973-981.
LI Chengwu,XIE Beijing,YANG Wei,et al.Characteristics of transient magnetic nearby field in process of coal impact damage[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2012,31(5): 973-981.
[2] 解北京.煤冲击破坏动力学特性及磁场变化特征实验研究[D].北京:中国矿业大学,2013.
[3] 刘晓辉,张 茹.不同应变率下煤岩冲击动力试验研究[J].煤炭学报,2012,37(9): 1528-1534.
LIU Xiaohui,ZHANG Ru.Dynamic test study of coal rock under different strain rates[J].Journal of China Coal Society,2012,37(9): 1528-1534.
[4] 李 明,茅献彪,曹丽丽,等.高应变率下煤力学特性试验研究[J].采矿与安全工程学报,2015,32(2): 317-324.
LI Ming,MAO Xianbiao,CAO Lili,et al.Experimental study on mechanical properties of coal under high strain rate[J].Journal of Mining & Safety Engineering,2015,32(2): 317-324.
[5] 单仁亮,程瑞强,高文蛟.云驾岭煤矿无烟煤的动态本构模型研究[J].岩石力学与工程学报,2006,25(11): 2258-2263.
SHAN Renliang,CHENG Ruiqiang,GAO Wenjiao.Study on dynamic constitutive model of anthracite of Yunjialing Coal Mine[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2006,25(11): 2258-2263.
[6] 高文蛟,单仁亮,苏永强.无烟煤单轴冲击动态强度理论[J].爆炸与冲击,2013,33(3): 297-302.
GAO Wenjiao,SHAN Renliang,SU Yongqiang.Theoretical research on dynamic strength of anthracite under uniaxial impact[J].Explosion and Shock Waves,2013,33(3): 297-302.
[7] 王登科,刘淑敏,魏建平,等.冲击载荷作用下煤的破坏特性试验研究[J].采矿与安全工程学报,2017,34(3): 594-600.
WANG Dengke,LIU Shumin,WEI Jianping,et al.The failure characteristics of coal under impact load in laboratory[J].Journal of Mining & Safety Engineering,2017,34(3): 594-600.
[8] 刘少虹,秦子晗,娄金福.一维动静加载下组合煤岩动态破坏特性的试验分析[J].岩石力学与工程学报,2014,33(10): 2064-2075.
LIU Shaohong,QIN Zihan,LOU Jinfu.Experimental study of dynamic failure characteristics of coal-rock compound under one-dimensional static and dynamic loads[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2014,33(10): 2064-2075.
[9] 穆朝民,宫能平.煤体在冲击荷载作用下的损伤机制[J].煤炭学报,2017,42(8): 2011-2017.
MU Chaomin,GONG Nengping.Damage mechanism of coal under impact loads[J].Journal of China Coal Society,2017,42(8): 2011-2017.
[10] 朱晶晶,李夕兵,宫凤强,等.冲击载荷作用下砂岩的动力学特性及损伤规律[J].中南大学学报,2012,43(7): 2701-2707.
ZHU Jingjing,LI Xibing,GONG Fengqiang,et al.Experimental test and damage characteristics of sandstone under uniaxial impact compressive loads[J].Journal of Central South University,2012,43(7): 2701-2707.
[11] 刘剑飞,胡时胜.花岗岩的动态压缩实验和力学性能研究[J].岩石力学与工程学报,1999,19(5): 618-621.
LIU Jianfei,HU Shisheng.Research on dynamic compressive testing and mechanics properties of granite[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,1999,19(5): 618-621.
[12] 李为民,许金余,沈刘军,等.玄武岩纤维混凝土的动态力学性能[J].复合材料学报,2008,25(2): 135-142.
LI Weiming,XU Jinyu,SHEN Liujun,et al.Dynamic mechanical properties of basalt fiber reinforced concrete using a split Hopkinson pressure bar[J].Acta Materiae Compositae Sinica,2008,25(2): 135-142.
[13] 苏灏扬,许金余,白二雷,等.陶瓷纤维混凝土的抗冲击性能试验研究[J].建筑材料学报,2013,16(2): 237-243.
SU Haoyang,XU Jinyu,BAI Erlei,et al.Experimental study on anti-impact performance of ceramic fiber reinforced concrete[J].Journal of Building Materials,2013,16(2): 237-243.
[14] TEDESCO J W，ROSS C A.Strain—rate-dependent constitutive equations for concrete[J].ASME J Pressure Vessel Technol,1998,120(4): 398-405.
[15] LI Q M,MENG H.About the dynamic strength enhancementof concrete-like materials in a split Hopkinson pressure bar test[J].International Journal Solids Struct,2003,40(2): 343-360.
[16] GROTE D L,PARK S W,ZHOU M.Dynamic behavior of concrete at high strain—rates and pressures(I)—experimental characterization[J].International Journal Impact Engineering,2001,25(9): 869-886.
[17] 戚承志,钱七虎.岩石等脆性材料动力强度依赖应变率的物理机制[J].岩石力学与工程学报,2003,22(2): 177-181.
QI Chengzhi,QIAN Qihu.Physical mechanism of dependence of material strength on strain rate for rock-like material[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2003,22(2): 177-181.
[18] 夏昌敬,谢和平.冲击载荷下孔隙岩石能量耗散的实验研究[J].工程力学,2006,23(9): 1-5.
XIA Changjing,XIE Heping.Experimental study of energy dissipation of porous rock under impact loading[J].Engineering Mechanics,2006,23(9): 1-5
[19] 赵毅鑫,龚 爽,黄亚琼.冲击载荷下煤样动态拉伸劈裂能量耗散特征实验[J].煤炭学报,2015,40(10): 2320-2326.
ZHAO Yixin,GONG Shuang,HUANG Yaqiong.Experimental study on energy dissipation characteristics of coal samples under impact loading [J].Journal of China Coal Society,2015,40(10): 2320-2326.
[20] 赵洪宝,张 欢,王中伟,等.冲击载荷对煤样表面裂纹扩展特征影响研究[J].中国矿业大学学报,2018,42(2): 280-288.
ZHAO Hongbao,ZHANG Huan,WANG Zhongwei,et al.Experimental research on evolution of surface cracks in coal mass under impact load[J].Journal of China University of Mining & Technology,2018,42(2): 280-288.
[21] 赵洪宝,王中伟,张 欢,等.冲击荷载对煤岩内部微结构演化及表面新生裂隙分布规律的影响[J].岩石力学与工程学报,2016,35(5): 971-979.
ZHAO Hongbao,WANG Zhongwei,ZHANG Huan,et al .Effects of dynamic loads on development of internal microstructure and distribution of new surface fractures of coal[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2016,35(5): 971-979.
[22] 刘 刚,肖福坤,秦 涛,等.循环载荷下煤样力学特性和损伤演化规律试验研究[J].煤炭科学技术,2018,46(2): 131-137.
LIU Gang,XIAO Fukun,QIN Tao,et al.Experimental study on mechanical characteristics and damage evolution law of coal samples under cyclic load[J].Coal Science and Technology,2018,46(2): 131-137.
