真三轴条件下煤样冲击动力学及破坏特征实验研究

作     者：沈荣喜 顾周杰 王恩元 刘贞堂 刘威 王溪 SHEN Rongxi;GU Zhoujie;WANG Enyuan;LIU Zhentang;LIU Wei;WANG Xi

作者机构：中国矿业大学安全工程学院江苏徐州221116 中国矿业大学煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室江苏徐州221116 

出 版 物：《煤炭学报》 (Journal of China Coal Society)

年 卷 期：2023年第48卷第5期

页      面：2168-2178页

核心收录：

学科分类：08[工学] 080104[工学-工程力学] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

基　　金：国家自然科学基金资助项目(52074276) 国家重点研发计划资助项目(2022YFC3004702)。 

主　　题：真三轴 SHPB 煤 应变率 冲击动力学 破裂 

摘      要：深部煤体多处于三向不等应力状态,为了研究冲击载荷下煤样动力学特性,通过真三轴霍普金森压杆实验系统,开展煤样动态破坏力学实验。利用该系统装置可分别对煤样提供单轴(σ1≥σ2=σ3=0)、双轴(σ1≥σ2σ3=0)和真三轴(σ1≥σ2≥σ3≠0)预应力(其中,σ1为轴向预应力;σ2为竖直预应力;σ3为水平预应力),从而实现高应变率下煤样力学性能测试。通过对比分析单轴与真三轴静载预应力状态下煤样动态力学特征及差异性,研究了煤样动态峰值强度、峰值应变以及宏观破碎形态与三向静载预应力、应变率的关系。研究结果表明:真三轴冲击载荷下煤样力学曲线基本一致,均包含线弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段3个阶段。单轴与真三轴冲击载荷下煤样峰值强度、应变具有明显的应变率效应,随着应变率的增加,单轴与真三轴冲击载荷下煤样峰值强度及峰值应变逐渐增大;比较单轴与真三轴冲击,三向静载预应力对煤样动态破坏具有明显的约束性,煤样的力学强度较单轴冲击时增大。保持σ2与σ3不变,煤样的力学峰值强度、应变随着轴向预应力σ1的增加整体呈降低趋势。随着应变率的增加,单轴冲击载荷下的煤样逐渐破碎至颗粒或粉末状,碎块平均粒径随应变率的增加线性降低;而三向静载预应力状态下的煤样呈现宏观断裂,碎块平均粒径随轴向预应力σ1的增加线性降低,但破坏程度相对单轴冲击较低。