蔣力帥，吳星宇，王慶偉，馮 昊，吳秋紅

(1.山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東 青島 266590；2.湖南科技大學(xué) 南方煤礦瓦斯與頂板災(zāi)害預(yù)防控制安全生產(chǎn)重點實驗室，湖南 湘潭 411201)

煤礦巷道中80%以上為動壓巷道，受工作面巖層劇烈運動、覆巖垮落、斷層活化、人工爆破等引起的微震和礦震影響，動壓巷道服務(wù)年限內(nèi)會經(jīng)受頻繁的動載擾動。復(fù)雜的工程應(yīng)力環(huán)境使得深部巷道圍巖呈現(xiàn)強(qiáng)動力響應(yīng)，工程表現(xiàn)主要為巷道破壞嚴(yán)重、支護(hù)困難以及冒頂、沖擊地壓等災(zāi)害發(fā)生，這嚴(yán)重制約著煤礦的安全高效生產(chǎn)。隨著對深部巖石力學(xué)科學(xué)認(rèn)識的不斷深入，學(xué)術(shù)界逐漸形成共識：必須研究動靜組合加載巖石力學(xué)，才能全面、科學(xué)的了解深部巖體的力學(xué)特性和規(guī)律。

在巖石力學(xué)研究中，物理試驗?zāi)軌虮容^全面、真實地反映巖石力學(xué)特性與行為，是當(dāng)前巖石力學(xué)與工程研究的主要手段之一。而對于巖石力學(xué)特性普遍軟弱、節(jié)理裂隙發(fā)育的煤礦圍巖，由于其軟弱易碎、完整性差，在制備含預(yù)制節(jié)理、孔洞等缺陷的巖石試樣進(jìn)行力學(xué)試驗時局限較大。

近年來快速發(fā)展的3D打印技術(shù)，能夠配合巖心CT掃描技術(shù)獲得現(xiàn)場原巖內(nèi)部裂隙構(gòu)造，通過三維數(shù)字模型重構(gòu)導(dǎo)入3D打印系統(tǒng)，可以精準(zhǔn)制作與原巖內(nèi)部構(gòu)造相同的試樣，突破了傳統(tǒng)澆筑法無法制作復(fù)雜節(jié)理裂隙結(jié)構(gòu)的局限。同時，對同批次重復(fù)打印的試樣，在精度、尺寸、性能等特征上具有高度的一致性，避免了試樣的各向異性對試驗結(jié)果造成的影響，為制作均一化含復(fù)雜節(jié)理、孔洞等缺陷的類巖石試樣，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行巖體力學(xué)研究開辟了新的道路。

目前，將3D打印技術(shù)應(yīng)用于巖石力學(xué)領(lǐng)域并開展創(chuàng)新研究的可行性已被國內(nèi)外學(xué)術(shù)界充分證明，且其研究意義和應(yīng)用潛力也已引起巖石力學(xué)界的廣泛重視。但針對砂型3D打印試樣主要還是圍繞其抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等基礎(chǔ)靜力學(xué)特性開展研究，對于其動態(tài)力學(xué)特性的研究國內(nèi)外還鮮有探索，而通過動力學(xué)試驗研究其動態(tài)力學(xué)特性，揭示其與天然巖石動力學(xué)特性的相似性，并以其作為類煤材料進(jìn)行動力學(xué)試驗研究的可行性是將3D打印技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜節(jié)理巖體動力學(xué)試驗，探究動力荷載下裂隙圍巖力學(xué)響應(yīng)與變形破壞特征的基礎(chǔ)。

基于此，筆者針對國內(nèi)外在砂型3D打印類巖石試樣動力學(xué)特性研究的空白，采用BJT砂型打印工藝制備類煤試樣，在驗證試樣與天然煤樣具有相似彈塑性力學(xué)特性，能夠作為類煤相似模擬材料的基礎(chǔ)上，通過開展不同動靜組合加載試驗，研究類煤試樣的動態(tài)力學(xué)特性，探究不同地應(yīng)力與動力荷載條件對巖石動力學(xué)特性的影響規(guī)律，采用宏觀破碎塊度和細(xì)觀電鏡掃描綜合分析，揭示不同動靜組合荷載對試樣破壞特征的影響。研究結(jié)果揭示了砂型3D打印試樣的動力學(xué)特性并驗證了其應(yīng)用于動力學(xué)試驗的可行性，研究了不同動靜組合加載條件對類煤試樣力學(xué)特性及破壞特征的影響規(guī)律，為采用砂型3D打印技術(shù)開展復(fù)雜節(jié)理巖體動力學(xué)試驗研究提供了重要基礎(chǔ)。

1 砂型3D打印試樣制備與試驗設(shè)計

1.1 3D打印技術(shù)在巖體力學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀

對于巖性軟弱、節(jié)理裂隙發(fā)育的煤礦圍巖(圖1(a)，(b))，通常無法采用水力割縫等方式對原巖試樣進(jìn)行加工，因此國內(nèi)外學(xué)者常采用石膏等類巖石材料通過澆筑法制備預(yù)制節(jié)理試樣(圖1(c))，但該方法的主要局限是難以制作結(jié)構(gòu)、形狀復(fù)雜的試驗試樣，從而較難真實地反映微裂隙發(fā)育的巖體力學(xué)特征(圖1(b))和節(jié)理縱橫的工程現(xiàn)場圍巖狀態(tài)(圖1(a))。近年來針對這一難題，諸多學(xué)者采用3D打印技術(shù)得到了較好解決，并引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。

圖1 工程巖體節(jié)理裂隙特征與節(jié)理試樣制作方法Fig.1 Characteristics of joints and fissures in engineering rock mass and method of making jointed specimens of rock and the specimen joint in the test

3D打印技術(shù)按打印成型工藝可分為熔融沉積成型(FDM)、光固化立體成型(SLA)、激光燒結(jié)成型(SLS)、三維粉末黏結(jié)成型(BJT)等，各種工藝所用的打印材料也不盡相同，而不同材料和打印工藝所制備試樣的力學(xué)特性，是該技術(shù)能否科學(xué)合理的作為類巖石材料應(yīng)用于巖石力學(xué)領(lǐng)域的關(guān)鍵。對于這一問題，國內(nèi)外學(xué)者對不同材料的3D打印試樣開展了各種巖石力學(xué)試驗，鞠楊等運用CT成像、三維重構(gòu)和SLA 3D打印技術(shù)制備含復(fù)雜裂隙的天然煤巖模型，直觀地顯示了單軸壓縮載荷下裂隙煤巖內(nèi)部的應(yīng)力場分布特征；JIANG等采用FDM工藝和聚乳酸塑料(PLA)制作了不同節(jié)理特征的巖石試樣，通過試驗發(fā)現(xiàn)受FDM工藝和PLA材料制作的試樣力學(xué)性質(zhì)所限，很難直接用于模擬天然巖石；華敏杰以石膏粉末和光敏樹脂為原料制備了3D打印試樣，發(fā)現(xiàn)這2種材料并不能很好地模擬巖石材料的抗壓特性；ZHOU,ZHU等通過單軸壓縮試驗對比分析了幾種不同的3D打印技術(shù)，發(fā)現(xiàn)采用SLA技術(shù)所打印的試樣脆性更好，適合模擬硬巖；田威等采用砂巖粉末作為基質(zhì)材料，經(jīng)過BJT工藝制作試樣并開展單軸壓縮及巴西劈裂試驗，發(fā)現(xiàn)此類砂型3D打印試樣在單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量等關(guān)鍵力學(xué)參數(shù)和破壞形式上均與天然巖石接近。針對砂型3D打印技術(shù)，國內(nèi)外學(xué)者在近2 a開展了大量試驗，部分代表性研究見表1。

表1 基于砂型3D打印技術(shù)的巖石力學(xué)研究現(xiàn)狀

1.2 3D打印試樣制備

通過對3D打印材料進(jìn)行篩選，選用顆粒粒徑為0.075～0.120 mm不等的GS19硅砂粉為基質(zhì)，采用“垂直成型”工藝，打印層厚為0.2 mm， 打印精度為0.2 mm，以呋喃樹脂為粘結(jié)材料，選用基于BJT工藝的微滴噴射砂型3D打印技術(shù)制作類煤試樣，打印原理及設(shè)備如圖2所示。試樣制備過程主要是將三維軟件繪制好的零件圖形通過軟件進(jìn)行切片分層并生成加工代碼文件，并將指令代碼文件通過計算機(jī)導(dǎo)入打印機(jī)內(nèi)，打印噴頭根據(jù)計算機(jī)指令將粘結(jié)劑按照分層截面形狀噴灑在成型槽粉層之上，這樣第1層打印完成，之后成型槽相應(yīng)的下降一層打印高度，供粉槽相應(yīng)的上升一層打印高度，鋪粉輥子再次送粉至成型槽，噴頭噴灑粘結(jié)劑，完成第2層打印，這樣由下至上，逐層打印，最終得到打印試樣。

采用山東科技大學(xué)RLJW-2000巖石伺服試驗系統(tǒng)對砂型3D打印試樣與天然煤樣的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行測定，試驗系統(tǒng)如圖3所示。試驗試樣按照《煤與巖石物理力學(xué)性質(zhì)測定方法》加工成標(biāo)準(zhǔn)試樣，在試驗機(jī)上分別進(jìn)行了單軸壓縮、三軸壓縮、間接拉伸等巖石力學(xué)試驗，對砂型3D打印試樣與天然煤樣(取自梁寶寺煤礦)的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、內(nèi)摩擦角等參數(shù)進(jìn)行測定，試驗測試結(jié)果見表2，應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示。

結(jié)合表2和圖4可得，相同加載條件下，3D打印試樣的單軸抗壓強(qiáng)度比煤樣略低，但應(yīng)力-應(yīng)變曲線反映出的彈塑性力學(xué)特性比較相似，都有明顯的微裂隙壓密階段、線彈性階段和破壞階段；在應(yīng)力初始階段，巖石內(nèi)部微裂隙逐漸被壓密，曲線呈上彎形；進(jìn)入彈性階段后，其應(yīng)力-應(yīng)變基本呈線性變化，當(dāng)強(qiáng)度達(dá)到其極限時巖石破壞；在破壞階段，應(yīng)力急劇下降，表現(xiàn)出明顯的脆性破壞特征。通過上述分析可知，3D打印試樣與石膏等類巖石材料的強(qiáng)度相比雖略低于煤樣，但整體彈塑性力學(xué)特性較為相似，加之其在制作含復(fù)雜結(jié)構(gòu)特征和內(nèi)部缺陷巖體模型的不可替代性，故采用砂型3D打印技術(shù)，制作類煤試樣用于模擬煤巖進(jìn)行力學(xué)特性試驗研究，是具有充分可行性和發(fā)展前景的。

圖2 BJT工藝打印原理及打印設(shè)備Fig.2 BJT printing principle and equipment

圖3 RLJW-2000巖石伺服試驗系統(tǒng)Fig.3 RLJW-2000 rock servo test system

表2 3D打印試樣與天然煤樣力學(xué)參數(shù)

圖4 單軸壓縮下煤樣與3D打印試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curves of coalspecimen and 3D printing specimen under uniaxial compression

1.3 動靜組合試驗設(shè)計

為了明晰動靜載疊加應(yīng)力環(huán)境下深部巷道圍巖變形破壞機(jī)理，通過探究不同靜載和動載水平下試樣的力學(xué)特性，來實現(xiàn)對不同地應(yīng)力和動力擾動共同作用下巖體破壞規(guī)律的研究?；谏鲜鲈囼灧治?，采用砂型3D打印技術(shù)制備類煤試樣，利用SHPB試驗系統(tǒng)開展一維動靜組合加載試驗，研究其在不同動靜組合加載條件下的力學(xué)特性。根據(jù)試驗要求，制備直徑50 mm，長徑比為1∶1的圓柱體試樣若干，試驗試樣及試樣幾何尺寸如圖5所示。

圖5 試驗試樣及試樣幾何尺寸Fig.5 Test specimens and geometrical size of specimen

在確定動靜組合加載的軸壓水平時，需對試驗試樣的單軸抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測定，因此采用RLJW-2000巖石伺服試驗系統(tǒng)對試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗，試驗加載速率為0.3 mm/min，試驗結(jié)果及應(yīng)力-應(yīng)變曲線如表3和圖6所示。

表3 單軸壓縮試驗結(jié)果

圖6 單軸壓縮下試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Stress-strain curve of specimen under uniaxial compression

動靜組合加載試驗采用湖南科技大學(xué)SHPB試驗系統(tǒng)開展，該系統(tǒng)配備有能產(chǎn)生半正弦應(yīng)力加載波，實現(xiàn)恒應(yīng)變率加載的紡錘形沖頭、SDY2107A超動態(tài)應(yīng)變儀、示波器及動態(tài)數(shù)據(jù)處理裝置，能夠滿足試驗數(shù)據(jù)的采集記錄與處理等需求。試驗系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)見表4，試驗測試系統(tǒng)如圖7所示。

表4 測試系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

圖7 試驗測試系統(tǒng)示意Fig.7 Schematic diagram of the experimental test system

根據(jù)測定的試樣單軸壓縮強(qiáng)度結(jié)合試驗所需，設(shè)置4個預(yù)加軸向靜載水平：0，2.0，4.0，6.5 MPa，分別為試樣單軸抗壓強(qiáng)度的0%，20%，40%，65%，并分別用S，S，S，S表示。設(shè)置4個沖擊氣壓水平：0.45，0.50，0.55，0.65 MPa，分別用D，D，D，D表示，具體試驗方案見表5。

表5 動靜組合加載試驗方案

放置試樣時在試樣兩端涂抹一層潤滑劑，以減少試樣與桿件間的橫向摩擦，保證試樣與桿件間良好接觸。試驗時確保每次試驗都將紡錘形沖頭固定在發(fā)射腔的同一位置，通過油泵先施加預(yù)定軸向靜荷載，再通過高壓氮氣瓶施加預(yù)定沖擊氣壓的動荷載，使試驗達(dá)到需要的動靜組合加載條件。為了保證SHPB試驗結(jié)果的正確性，在動載作用下，試樣兩端須在巖石破壞前達(dá)到動態(tài)應(yīng)力平衡，試樣SDI兩端的動態(tài)應(yīng)力波曲線如圖8所示。由圖8可見，透射應(yīng)力波()基本上與入射應(yīng)力波()和反射應(yīng)力波()的疊加波重合，說明試樣在動態(tài)加載過程中可以達(dá)到并保持動態(tài)應(yīng)力平衡條件，從而驗證了試驗結(jié)果的有效性。

圖8 試樣S1D1I應(yīng)力平衡Fig.8 Stress equilibrium curves of specimen S1D1I

2 動靜組合作用下試樣動力學(xué)特性

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征

試驗中，試樣在各加載條件下均發(fā)生破壞，試樣動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖9所示，試樣動靜組合加載試驗結(jié)果見表6，表中動態(tài)強(qiáng)度為動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的峰值應(yīng)力，反映了試樣的抗沖擊能力；組合強(qiáng)度為軸向預(yù)靜載與動態(tài)強(qiáng)度之和，是試樣破壞時的實際峰值強(qiáng)度。

圖9 動靜組合加載下試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.9 Stress-strain curves of specimens under coupled static and dynamic loads

表6 試樣動靜組合加載試驗結(jié)果

結(jié)合圖9和表6可以發(fā)現(xiàn)，動靜組合加載下試樣的動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線與靜態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線存在較大差異，其主要區(qū)別在于：在動載作用下，撞擊桿加載速度快，試驗試樣內(nèi)部孔隙和顆粒間距等閉合壓實時間過短，微裂隙壓密階段特征不明顯，宏觀上表現(xiàn)為應(yīng)力-應(yīng)變曲線壓密階段缺失，且在破壞階段的應(yīng)變量較大。當(dāng)軸壓為0 MPa時，試樣的動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線存在回彈現(xiàn)象。試樣在常規(guī)沖擊條件下的峰值應(yīng)力大于單軸壓縮的峰值應(yīng)力，當(dāng)軸壓在0～6.5 MPa內(nèi)增加時，試樣的峰值應(yīng)力逐漸減小，當(dāng)沖擊氣壓在0.45～0.65 MPa內(nèi)增加時，試樣的峰值應(yīng)力逐漸增大。

2.2 不同動靜荷載對強(qiáng)度特性的影響規(guī)律

不同軸壓下試樣動態(tài)強(qiáng)度與組合強(qiáng)度變化如圖10所示，不同沖擊氣壓下試樣動態(tài)強(qiáng)度與組合強(qiáng)度變化如圖11所示。

圖10 不同軸壓下試樣動態(tài)強(qiáng)度和組合強(qiáng)度Fig.10 Dynamic strength and combined strength of specimens under different axialpre-stresses

圖11 不同沖擊氣壓下試樣動態(tài)強(qiáng)度和組合強(qiáng)度Fig.11 Dynamic strength and combined strength of the specimens under different impact pressures

由圖10可知，試樣在沖擊氣壓不變時，軸壓與動態(tài)強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與組合強(qiáng)度呈先增大后減小的變化趨勢。當(dāng)沖擊氣壓分別為0.45，0.50，0.55，0.65 MPa時，在軸壓由0 MPa增長到6.50 MPa的過程中，動態(tài)強(qiáng)度分別減小了50.98%，49.40%，46.00%，42.81%；組合強(qiáng)度分別減小了8.33%，8.13%，5.97%，4.05%，且各沖擊氣壓下組合強(qiáng)度均在軸壓為2 MPa時達(dá)到峰值，可以發(fā)現(xiàn)組合強(qiáng)度在低軸壓(0～2 MPa)下不斷增大，在中高軸壓(2.0～6.5 MPa)下則出現(xiàn)較大幅度的下降。

由圖11可知，試樣在軸壓不變時，沖擊氣壓與動態(tài)強(qiáng)度和組合強(qiáng)度均呈正相關(guān)關(guān)系，呈現(xiàn)出明顯的率效應(yīng)。當(dāng)軸壓分別為0，2，4，6.5 MPa時，在沖擊氣壓由0.45 MPa增長到0.65 MPa過程中，動態(tài)強(qiáng)度分別增大了10.30%，10.34%，16.29%，28.92%；組合強(qiáng)度分別增大了10.30%，9.02%，11.83%，15.46%。

在動靜組合加載試驗中，沖擊氣壓和軸壓對試樣的強(qiáng)度特性影響顯著。試樣的動態(tài)強(qiáng)度與軸壓呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，組合強(qiáng)度在低軸壓(0～2 MPa)下隨軸壓增大不斷增長，在中高軸壓(2.0～6.5 MPa)下隨軸壓增大不斷減小，動態(tài)強(qiáng)度和組合強(qiáng)度與沖擊氣壓皆呈正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)軸向預(yù)靜載不大于其單軸壓縮強(qiáng)度的65%時，試樣的常規(guī)沖擊強(qiáng)度始終大于其單軸壓縮強(qiáng)度，組合強(qiáng)度總大于其單軸壓縮強(qiáng)度和常規(guī)沖擊強(qiáng)度。這一結(jié)果與李夕兵、宮鳳強(qiáng)等選用其他巖性完整試樣進(jìn)行動靜組合加載的試驗結(jié)果相似。

究其原因，當(dāng)軸壓增大時，試樣內(nèi)部孔隙閉合，繼續(xù)增大軸壓，試樣內(nèi)部微裂隙逐漸萌生擴(kuò)展，動荷載的剩余承載力會逐漸減小，試樣動態(tài)強(qiáng)度不斷減弱，這很好地說明了深部巖體在擾動下失穩(wěn)破壞的原因。由組合強(qiáng)度的變化可知，低軸壓可抑制巖石內(nèi)部微裂紋擴(kuò)展，表現(xiàn)為試樣組合強(qiáng)度的增加，反映出巖石組合強(qiáng)度的強(qiáng)化特征，而在高軸壓作用下，試樣內(nèi)部微裂隙擴(kuò)展加劇，動態(tài)強(qiáng)度大幅下降且組合強(qiáng)度也有所下降。

3 動靜組合作用下試樣破壞特征

3.1 試樣破碎塊度分布規(guī)律

在全部動靜組合加載試驗中，試樣均發(fā)生粉碎式破壞，這些破碎產(chǎn)物是探究試樣破壞機(jī)制的重要物證。為此，對動靜組合加載試驗后的試樣破碎產(chǎn)物進(jìn)行收集，采用不同尺度的標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行篩分實驗，并按照破碎產(chǎn)物的塊度直徑劃分4個等級，分別為：Ⅰ，>30 mm；Ⅱ，15 mm<≤30 mm；Ⅲ，0.5 mm<≤15 mm；Ⅳ，≤0.5 mm。

在動靜組合加載試驗中挑選出4種典型的加載類型(表7)，這4種加載類型也分別對應(yīng)4種圍巖應(yīng)力環(huán)境。試驗后對試樣破碎產(chǎn)物進(jìn)行數(shù)字圖像信息采集與處理，不同粒徑塊度質(zhì)量占比如圖12所示，試樣破碎塊度分布如圖13所示。

表7 典型動靜組合加載類型

圖12 典型動靜組合加載條件下不同破碎塊度質(zhì)量占比Fig.12 Mass ratios of differentfragmentation sizes under typical coupled static and dynamic loads conditions

結(jié)合圖12，13可得，隨著加載條件由低靜載低動載向高靜載高動載改變，加載速率不斷增強(qiáng)，試樣破碎塊度逐漸細(xì)?；?，大塊顆粒出現(xiàn)的頻次及其質(zhì)量占比逐漸減小，而粉末狀顆粒出現(xiàn)頻次及質(zhì)量占比逐漸增大。加載條件在低靜載低動載與高靜載高動載相比，大于30 mm顆粒質(zhì)量占比減小了27.57%，小于15 mm顆粒質(zhì)量占比增加了25.86%。其沖擊后的破碎塊度分布規(guī)律與馮俊軍采用完整煤巖進(jìn)行動靜組合加載后試樣破碎塊度分布規(guī)律相似。在對比相同軸壓不同沖擊氣壓及相同沖擊氣壓不同軸壓加載下的破碎塊度分布特征和質(zhì)量占比后發(fā)現(xiàn)，軸壓效應(yīng)的存在進(jìn)一步強(qiáng)化了試樣破碎的細(xì)?；瘍A向，但是這種強(qiáng)化作用小于沖擊效應(yīng)。因此，類比典型動靜組合加載條件所對應(yīng)的應(yīng)力環(huán)境下巷道圍巖穩(wěn)定性可知，巷道圍巖穩(wěn)定性受地應(yīng)力和動力擾動的影響顯著，但其主控因素是動力擾動。

3.2 試樣微觀破壞模式與形貌細(xì)觀分析

在完成靜態(tài)和動態(tài)試驗后，對各組破壞試樣斷口處取巖石切片，利用APREO高分辨掃描電子顯微鏡對靜態(tài)加載試樣破壞斷面和動靜組合加載試樣破壞斷面粒狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行顯微拍攝，以進(jìn)一步觀察和探究不同加載方式下試樣微觀破壞模式。由于巖石試樣的絕緣性，在真空電鏡掃描試驗時須預(yù)先對試樣進(jìn)行噴金處理。不同加載方式下試樣斷面粒狀結(jié)構(gòu)顯微圖像如圖14所示，不同加載方式下試樣斷面形貌如圖15所示。

圖13 典型動靜組合加載條件下試樣破碎塊度分布Fig.13 Fragmentation distribution of specimens under typical coupled static and dynamic loads conditions

圖14 不同加載方式下試樣斷面粒狀結(jié)構(gòu)Fig.14 Granular structure of the specimens section under different loading methods

圖15 不同加載方式下試樣斷面形貌Fig.15 Cross-sectional morphology of the specimens under different loading methods

由圖14可知，在不同加載方式下試樣斷面顆粒破壞形式有2種，分別是斷裂面邊緣鈍澀、表面粗糙的沿顆粒膠接處斷裂和斷裂面邊緣銳利、表面光滑的貫穿顆粒內(nèi)部斷裂。在靜態(tài)加載試驗中，只能觀察到沿顆粒膠接處斷裂這一種破壞形式，而在動靜組合加載試驗中不僅有沿顆粒膠接處斷裂還有貫穿顆粒內(nèi)部斷裂的破壞形式。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因是在靜態(tài)加載試驗中加載速率低，壓密階段顆粒間相互擠壓，在顆粒膠接處的軟弱面開始萌生微裂紋，隨著繼續(xù)加載，顆粒間持續(xù)擠壓，當(dāng)超過其極限強(qiáng)度后顆粒在膠接處發(fā)生斷裂，最終試樣發(fā)生破壞。而在動靜組合加載試驗中，由于沖擊強(qiáng)度大，加載速率高，試樣沒有明顯的壓密階段，破裂來不及傳遞到顆粒膠接處的軟弱面就已經(jīng)沿著顆粒內(nèi)部發(fā)生斷裂，還有部分顆粒在試樣破碎后，由于塊體摩擦出現(xiàn)沿顆粒膠接處斷裂的形式，因此在動靜組合加載試驗中能夠觀察到2種顆粒斷裂形式。

由圖15可得，從不同加載方式下斷面形貌上看，靜態(tài)加載試驗的斷面顆粒清晰分明，未見明顯顆粒碎屑附著其表面。而動靜組合加載試驗斷面顆粒破碎，且表面附著大量顆粒碎屑，出現(xiàn)該種斷面形貌的原因與其顆粒破壞形式直接相關(guān)。

在靜態(tài)加載試驗中，只出現(xiàn)沿顆粒膠接處斷裂這一種破壞形式，不論試樣破壞后斷面顆粒脫落還是繼續(xù)附著在其表面都只能觀察到完整的顆粒，而在動靜組合加載試驗中，顆粒在貫穿其內(nèi)部斷裂后，顆粒粉碎破壞，因而會出現(xiàn)大量顆粒碎屑附著在斷口表面的現(xiàn)象。

4 討 論

由本文研究可知，在動靜組合作用下，軸壓和動力擾動皆會加劇巖石的破碎程度，在采用組合強(qiáng)度表征軸壓對抗沖擊強(qiáng)度的影響時發(fā)現(xiàn)，隨著軸壓的增大，巖石抵抗動載的能力呈現(xiàn)先增強(qiáng)后減弱的變化。不論是從巖石的強(qiáng)度特性還是破碎特征來看，巖石在高軸壓強(qiáng)動載作用下抵抗動載的能力最弱，破碎最嚴(yán)重。

在地下開采過程中，巷道圍巖在地應(yīng)力(軸壓)作用下不斷積聚彈性能，當(dāng)?shù)貞?yīng)力較小時，圍巖內(nèi)的孔洞和裂隙不斷壓密，此時圍巖抗沖擊能力不斷加強(qiáng)直至達(dá)到峰值，當(dāng)?shù)貞?yīng)力繼續(xù)增大，圍巖內(nèi)積聚大量彈性能并受強(qiáng)動力擾動作用后，當(dāng)煤巖體中靜載荷與動載荷疊加之和大于誘發(fā)煤巖體沖擊破壞的最小載荷時，積聚的彈性能就會突然釋放，造成圍巖瞬時破壞，易引發(fā)冒頂、沖擊地壓等動力災(zāi)害。

在現(xiàn)場工程中，巷道地應(yīng)力水平(受埋深、構(gòu)造等影響)與動載強(qiáng)度是影響圍巖動力破壞程度的關(guān)鍵因素，因此針對巷道動力災(zāi)害預(yù)防控制應(yīng)從上述2個因素入手，通過合理布設(shè)巷道位置、采用深孔爆破、定向水壓致裂等人工卸壓手段，優(yōu)化采掘關(guān)系與開采強(qiáng)度等方式，改善深部巷道動靜載應(yīng)力環(huán)境，從抑制孕災(zāi)條件與過程入手，預(yù)防深部巷道頂板動力災(zāi)害。

5 結(jié) 論

(1)基于多種靜態(tài)巖石力學(xué)試驗，研究了砂型3D打印試樣的靜力學(xué)特性，并測定了其力學(xué)參數(shù)，通過與煤樣比對，揭示了2者在彈塑性力學(xué)特性和力學(xué)參數(shù)方面的相似性。

(2)通過不同動靜加載條件的SHPB試驗研究發(fā)現(xiàn)，試樣的動態(tài)強(qiáng)度與軸壓的增加呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，組合強(qiáng)度隨軸壓的增大呈先增大后減小的變化，動態(tài)強(qiáng)度和組合強(qiáng)度與沖擊氣壓的增加皆呈正相關(guān)關(guān)系。

(3)隨著靜、動荷載水平的提高，試樣的破碎塊度逐漸細(xì)?；?，其中動載對試樣破碎程度的影響大于靜載。細(xì)觀尺度下，試樣僅受靜力作用時，斷面顆粒均沿膠接處破裂，而在動靜組合作用下，出現(xiàn)顆粒貫穿破裂與膠接處破裂2種破壞形式。

(4)通過與國內(nèi)外學(xué)者開展的煤巖動力學(xué)試驗研究對比，砂型3D打印試樣在動態(tài)強(qiáng)度特性與破壞形態(tài)兩方面，均與煤巖動態(tài)力學(xué)特性相似，證明了砂型3D打印試樣作為類煤材料用于動態(tài)力學(xué)試驗研究的可行性。