不同长径比煤动态压缩应力均匀性及变形特性试验研究( Experimental Study on Stress Uniformity and Deformation Behavior of Coals with Different Length-to-Diameter Ratios under Dynamic Compression )

Qiupeng Yuan Guangxiang Xie Lei Wang Zhenhua Jiao Naseer Muhammad Khan

本研究采用50 mm分离式霍普金森压杆(SHPB)测试系统对长径比为0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9和1的煤样进行了单轴冲击压缩试验。本研究研究了不同配比煤样在动态压缩过程中的应力均匀性和变形行为，定义了应力平衡系数，提出了一种新的确定试样是否满足应力均匀性假设的方法，得到了煤样获得应力平衡的临界配比为0.6，最佳配比为0.3或0.4。实验结果表明，煤的动态应力应变曲线具有弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段。随着比例的增加，试样的弹性阶段占峰前曲线的比例逐渐减小；随着比率的增加，曲线的峰值部分也由“尖锐”变为“停滞”，而塑性的增加导致应变软化。随着试样比例的增加,平均应变率近似呈幂函数减小,减小趋势由296.49s(=0.3)逐渐减小到102.85s(=1),减小幅度约为65.31%。随着比值的增大，峰值应变逐渐呈指数下降。本研究得出SHPB试验规程设计对低密度、低强度、非均质脆性材料如煤具有一定的参考价值。1.引言煤炭开采工程涉及各种冲击动力学问题，包括爆破开挖、煤壁刮切、开采扰动等。煤矿顶底板断裂、断层滑移或煤柱破裂都可能诱发应力波（动载荷），应力波的传播作用于采场内的煤岩体，引起动力灾害[1-6]。研究表明，在煤炭开采、储存和运输过程中，作用于煤炭的应变速率在10～10 s之间[7]。因此，研究煤体的动力响应特性，对于煤矿灾害防治和提高煤矿安全生产具有重要意义。煤岩体的冲击动力学常采用分离式霍普金森压杆(SHPB)系统进行试验[8]。自Kolsky[9]提出这一体系以来，不断改进的SHPB实验技术在岩石和混凝土等低断裂破坏应变的脆性材料中得到了广泛的应用[10，11]。SHPB实验技术基于一维(1D)应力波假设和试件应力均匀性假设。对于直径较小的杆，一维应力波假设基本成立[12]；由此可见，一致性假设验证成为判断测试结果准确性的关键。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。通过比较不同波形的应力平衡因子，Xu等人。提出了改善试件早期应力均匀性的方法[13]。Hu和Song报道了在加载的早期阶段经常存在不均匀性问题，并利用基于弹性波理论的分析来确定加载条件以实现脆性材料的恒应变率加载[14]。Qi等人。发现应力平衡时间受试件/压力杆的广义波阻抗比和入射波上升时间的影响，并提出了岩石试件处于应力平衡时减小应变的控制方法[15]。龚研究了多种岩石，报道了岩石波速与岩样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品大小的方法[16]。Li等人。[17-22]表明SHPB试验结果与样品的长径比密切相关。煤与反渗透冲击动力学的研究对象多为

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