考虑循环载荷初始损伤效应的煤样动态力学特性试验研究
露天开采因具有生产规模大、开采成本低、资源采出率高、建设速度快和环境修复条件好等突出优势，使得近年来露天煤矿的数量和产量都得以迅速提高。我国正在开发的大型露天煤矿基本为近水平煤层埋藏，采用分区开采、内排压帮的开采方式，为实现双向内排作业，通常会在两端帮边坡上留设多个运输平盘，每个运输平盘上一般布置重载和空载双向车道。大型满载矿用卡车的整车质量可高达几百吨，当以一定速度行驶进行往复运输作业时，对边坡覆岩将产生显著的循环加卸载效应，导致煤岩体内部产生初始损伤。同时，露天矿煤岩一般都要进行松动爆破，然后再进行剥离、采装等工作，而单次爆破的装药量可达数百吨的量级，炸药爆炸产生强烈的冲击应力波，进一步对损伤煤岩体产生显著的冲击动载作用，极易诱发边坡大面积滑坡灾害。
循环载荷作用下的岩石力学问题广泛存在于岩土工程领域，如隧道或地下硐室岩体的多次开挖成型、油气岩层持续钻探以及本文所涉及的边坡煤岩体承受的重载卡车往复运输作业等。研究表明，循环载荷作用下，岩石宏观力学特性与单次加载条件下相比会产生显著的劣化，并且随着循环次数的增加，力学特性的劣化程度会逐渐增大。如刘汉香等对千枚岩开展了循环加卸载试验，结果表明随着循环次数的增加，千枚岩的抗压强度呈直线形式快速降低，其弹性模量也表现出相同的变化规律；彭木文等研究了红黏土在循环载荷作用下的力学特性，同样证实了其力学特性参数随循环次数的增加呈降低变化的特征。除了循环次数之外，加卸载幅值也是影响岩石力学性能的重要参数。如宋宇宁等对红砂岩开展了循环加卸载试验，结果表明最高加载水平越高，红砂岩的抗压强度及弹性模量等力学特性参数越小，由于循环加卸载而导致的疲劳损伤越高。循环加卸载过程中，岩石内部原始的裂纹尖端发生疲劳扩展，并在持续载荷作用下发生裂纹间的贯穿。此外，以孔洞缺陷为核，持续的循环载荷作用下萌生了一些新的裂纹，进一步加剧了岩石的疲劳损伤程度。
同样，冲击载荷作用下的岩石力学问题也广泛存在，包括隧洞的爆破掘进、煤层的爆破开采等。与循环载荷等准静态载荷相比，冲击载荷作用属于中高应变率的动态荷载作用，其力学响应特征存在显著差异。分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统是研究冲击载荷作用下岩石力学特性最常用的试验设备，相关学者们也开展了大量的试验，研究了冲击载荷作用下岩石力学特性的应变率效应。如王宇等采用SHPB试验系统，对页岩进行了冲击加载测试，发现页岩的动态弹性模量、抗压强度等随着应变率的增大快速增加，其应变率的强化效应非常显著。牛龙华对煤系砂岩开展了冲击动载试验，研究了其力学特性参数随应变率的变化规律，同时，对砂岩破坏特征进行了定量分析。游世达等通过煤岩的SHPB加载试验，对煤的宏观力学特性参数及破坏特征进行了分析，同时，基于应力波传播理论，分析了煤岩破坏过程中的能量耗散特征。
岩土动力学工程领域中，岩土体并非单一冲击加载问题，大多是在其他静载作用导致损伤状态后的冲击动力学问题。目前，岩石初始损伤状态成因的研究方向主要包括高低温环境作用、单轴加载、化学腐蚀损伤等，循环加卸载损伤后的岩石动力学问题研究相对较少。此外，损伤的定量描述主要以加载条件作为表征参量，而忽略了岩石本身的损伤状态。基于现有研究成果及方法，笔者以我国大型露天煤矿采场边坡煤体为研究对象，通过加卸载试验定量描述煤样初始损伤状态，借助分离式霍普金森压杆试验系统，对初始损伤煤样进行冲击加载试验，然后结合扫描电镜试验，系统研究了损伤煤样动态力学特性及其细观损伤机制，通过计算煤样破坏过程中的能量耗散特征，揭示了损伤煤样冲击破坏过程的能量耗散机理。研究结果可为复杂载荷作用下的露天煤矿安全开采及类似岩土工程设计等提供参考。
图 1 单轴压缩试验下煤样的全应力−应变曲线
图 2 煤样循环加卸载试验的应力路径
图 3 循环加卸载下煤样的应力−应变曲线
图 4 不同初始损伤煤样的全应力−应变曲线
图 5 损伤煤样抗压强度随循环加卸载应力上限的变化曲线
图 6 单次加卸载后煤样耗散能的计算示意
图 7 多次加卸载后煤样耗散能的计算示意
图 8 煤样损伤变量随循环加卸载次数的变化曲线
图 9 300 次循环加卸载后煤样损伤变量随应力加载上限的变化曲线
图 10 冲击加载试验试样的制备
图 11 SHPB 试验系统及其结构组成
图 12 冲击加载试验典型波形及应力均匀性假设验证
图 13 不同条件下损伤煤样的加载应变率
图 14 损伤煤样动态全应力−应变曲线
图 15 损伤煤样冲击加载应力−应变曲线线的阶段特征
图 16 动态抗压强度随损伤变量与应变率的变化曲面
图 17 动态抗压强度随损伤变量的变化曲线
图 18 动态弹性模量随损伤变量与应变率的变化曲面
图 19 动态弹性模量随损伤变量的变化曲线
图 20 循环加卸载后损伤煤样的断面特征
表 2 不同初始损伤及加载应变率下煤样的冲击加载破坏特征
图 21 冲击破坏后煤样碎块平均粒径随加载应变率与损伤变量的变化关系
图 22 煤样耗散能随损伤变量与应变率的变化曲面
图 23 煤样破坏过程能耗比随损伤变量与应变率的变化曲面
图 24 不同损伤变量的煤样动态破坏后的断面特征
研究方向
采动岩体力学；滑坡灾害防控；矿山智能开采
主要成果
致力于露天煤矿边帮-充填开采围岩稳定与动力灾害控制理论与技术研究，研究了以土岩等剥离废弃物为骨料的胶结充填体的物理力学特性、充填开采围岩变形机理，得出了煤柱及充填体承载的力学模型及稳定性判据，揭示了动静载荷下充填体及煤柱的失稳机制，攻克了我国巨量优质边帮滞留资源绿色开采难题；研究了循环加载应力上限、加卸载次数等因素对煤岩体损伤变量的影响、不同初始损伤与冲击压力下煤岩峰值应力及破碎后粒径分布的变化规律，揭示了循环及冲击复杂载荷作用下煤岩体的的损伤机理及宏细观破坏特征，为煤矿安全高效生产提供了有力的理论支撑。
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