0 引言
随着煤炭开采向深部发展，深部赋存的煤炭资源地质条件愈发复杂化，煤体储存更多的弹性能。在深部煤炭开采时，煤体受到外界扰动时易发生动力灾害，如冲击地压、煤与瓦斯突出等[1-2]。如何有效控制深部煤炭资源在开采过程中的煤岩动力灾害是保证矿井安全、高效生产的前提。
冲击地压灾害严重程度主要取决于采场区域应力、煤岩体力学特性及工程开挖扰动等因素，尤其煤岩体力学特性对冲击地压灾害影响至关重要，只有充分揭示煤岩体的静态和动态物理力学特性，才能为冲击地压灾害防治提供理论依据[3-5]。研究表明，深部矿井冲击地压不仅仅单纯地发生在岩体或煤体中。未开采前，地层中顶板、煤层和底板实际上为一个状态稳定的系统，煤层开采后打破了该平衡状态，若积蓄的能量在煤体和围岩中传递不连续，局部积聚的能量突然释放将产生冲击地压。如果认为能量积聚位置单纯地发生在围岩或煤体内，而忽略煤岩作为一个整体系统这一条件，那么对于揭示冲击地压发生原因是不完善的，如弱冲击倾向的深部矿井东保卫矿和三河尖煤矿开采后都发生了显著的冲击地压现象。为了合理地揭示深部矿井冲击地压的产生机理，有必要从煤岩整体角度进行深入研究，即煤岩组合体的动力响应特征。目前，国内外学者[6-7]对煤体破裂过程中电磁信号的研究主要集中在静载方面，对煤体和岩体动态力学特性研究也仅集中在单一煤体或单一岩体方面，对组合煤岩体的动态力学特性和电磁信号缺乏相关研究。李成武等[8-9]采用SHPB(Split Hopkinson Pressure Bar，分离式霍普金森压杆)系统研究了煤体试样在冲击速度为4.174～17.652 m/s时的动力学破坏特性，揭示了煤体试样的弹性模量随应变率增大、动态响应特征向应变软化转变的机理。刘晓辉等[10]采用直径为75 mm的SHPB对芙蓉煤矿煤体试样在44～149 s-1应变率范围内的动态力学特性进行了研究，得出了煤体不同动态破坏模式，破坏模式具有应变率敏感性。付玉凯等[11]对无烟煤的动态力学特性和力学本构进行了研究，建立了适合煤体动态力学特性的力学本构模型。从20世纪90年代开始，何学秋、王恩元等[12-14]对煤岩电磁辐射的产生机理、特征、规律及应用等进行了深入的研究，揭示了煤岩体破裂过程中电磁辐射信号的产生机理及信号变化特征，研制出了KBD7型便携式煤与瓦斯突出(冲击地压)电磁辐射监测仪，并应用于煤与瓦斯突出、冲击矿压危险预测。但上述研究主要集中在煤岩体静载方面，而实际煤与瓦斯突出是顶板-煤体-底板综合力学作用的结果，单纯研究煤体或岩体力学特性难以充分揭示煤与瓦斯突出机理，因此，有必要对组合煤岩体动态力学特性和瞬变电磁特征进行研究，从而为煤与瓦斯预测预报提供理论依据。
为了揭示组合煤岩体的动态力学特性及瞬变磁场信号特征，笔者采用SHPB技术研究了由岩体-煤体-岩体组成的组合煤岩体的动态力学性能，分析了组合煤岩体动态破坏过程中的瞬变磁场信号特征，从而为揭示冲击地压灾害发生机理及灾害预测提供理论依据。
1 SHPB实验
1.1 试样制作
煤岩试样取自义马矿区千秋矿21下山采区西翼21221工作面顶板细砂岩及煤层。岩石呈灰色，主要由碎屑、胶结物和重结晶矿物组成，主要成分为长石和石英，该岩石致密且强度高。义马矿区是典型的冲击地压矿井，其试样具有很好的代表性。采集到大块岩石和煤体后，在实验室进行切割、打磨，制成标准试样。根据实验标准要求，组合试样长径比为1∶1，为了使实验满足均匀性假设，试样两端必须精细打磨，两端不平行度不超过0.02 mm。打磨完成后，在试样一面涂抹上502胶水，将煤和岩试样粘接为一体，最终形成直径为50 mm、长度为50 mm的标准试样。
1.2 SHPB实验系统
SHPB实验系统主要包括子弹、输入杆和输出杆等，如图1所示。
图1 SHPB实验系统
Fig.1 SHPB test system
子弹、输入杆和输出杆直径均为50 mm，子弹长度为400 mm，输入杆与输出杆长度均为2 000 mm，其钢材弹性模量为200 GPa，在输入杆和输出杆的中部安设有应变片，用于监测实时应变。入射端安装有检测子弹速度的平行光源和计时仪，用来记录子弹射出速度，煤样左右两端应力峰值是通过安设在输入杆和输出杆中的传感器记录得到的。
SHPB实验系统基于应力波理论，该理论假定在杆体传播的应力波保持平面状态，同时试样中应力相同。基于这些假设，简化公式得出试样应力-应变。选择的冲击速度范围为0.8～3.5 m/s，其对应的平均应变率为70.20～160.38 s-1。
ZDKT-1型瞬变磁振测试系统主要包括磁棒天线、信号放大器、测试存储记录仪，用于采集电磁信号，系统测试精度为3%，测试试样冲击速度为0～20 m/s，实验过程中磁棒天线正对煤试样，并且与试样保持同一水平，距离为4 cm。
2 组合煤岩体动力学特性及磁场信号特征研究
2.1 煤岩组合体冲击破坏形态分析
采用SHPB实验系统对加工的煤岩组合试样进行冲击实验，子弹冲击速度为0.821～3.590 m/s，对应的应变率
为70.20～160.38 s-1。因篇幅限制，本文仅列出应变率为100 s-1和125 s-1下组合试样中煤体和岩石的破坏形态，如图2、图3所示。
图2 冲击后煤体试样破坏形态
Fig.2 Failure form of coal samples after impact
图3 冲击后岩石试样破坏形态
Fig.3 Failure form of rock samples after impact
从图2和图3可看出，组合试样受到冲击载荷后发生破坏，靠近输入杆端部的试样破坏程度相对较高，同时同一个组合试样中的岩石试样和煤体试样的破碎程度也差别较大，岩石破坏后的块体离散性大，整体呈大块分布，而煤体呈粉碎状形态，块度离散相对较小。并且煤体破碎程度显著高于岩石，这主要是由于煤体强度低，煤体内节理、裂隙发育，冲击波在煤体内传播时耗散较多的冲击能量，致使煤体破碎程度较高。
2.2 组合煤岩体介质应力衰减特性
在不同的冲击速度下，冲击波经过组合试样后，冲击波幅值大幅度降低，煤体应力峰值统计见表1,监测到的不同冲击载荷下组合试样两端的应力波特征如图4-图6所示。
表1 组合试样中煤体两侧应力峰值统计
Table 1 Statistics of peak stress on both sides of coal body in composite samples
图4 煤体左右端面应力峰值与冲击速度的关系
Fig.4 Relation between peak stresses at left and right ends of coal body and impact speed
图5 煤体左右端面应力峰值比与冲击速度的关系
Fig.5 Relation between peak stresses ratio at left and right ends of coal body and impact speed
图6 应力穿过煤体试样达到峰值的时间与冲击速度的关系
Fig.6 Relation between peak time of stress passing through coal body samples and impact speed
从表1可看出，煤体试样左端面的应力峰值与入射波应力峰值基本相同，这说明应力波透过岩石试样后其应力衰减小，应力衰减仅为5%～10%。而岩石右端面应力峰值与入射波应力峰值差别较大，最终应力峰值仅为入射波的15%～20%，应力衰减达到80%以上。随着冲击速度的增加，组合试样破坏形态由完好向破碎、粉碎转变，同时达到峰值时间逐渐缩短。
将表1中煤体左右端面应力峰值与冲击速度的关系绘制成图(图4)，直线由实验数据拟合得出。由图4可看出，随着冲击速度的增加，煤体左右端面应力逐步增大，应力基本呈线性增加趋势，而煤体试样左端面应力峰值增长速度更快，右端面增长速度较慢，左端面增长速度约为右端面的5倍，这就是说当冲击载荷呈比例增加时，透过煤体试样的应力波峰值并不会呈同一比例增加，而是呈一较小的比值增加。
将表1中煤体左右端面应力峰值比与冲击速度的关系绘制成图(图5)，直线由实验数据拟合得出。从图5可看出，煤体试样左端面应力峰值约是右端面的5倍(两端面的应力比值，也就是两端面应力变化率接近于5)，且比例相对恒定，这说明组合试样中煤体试样对冲击波具有一定的削波作用，且随着冲击速度的增加，煤体对冲击波的削波作用基本不变。
将表1中组合试样中应力穿过煤体试样达到峰值的时间与冲击速度的关系绘制成图(图6)，直线由实验数据拟合得出。从图6可看出，随着冲击速度的增加，应力达到峰值的作用时间减少，且呈线性关系，冲击速度越大，组合试样中煤体破碎程度越高。
2.3 组合体与单一岩体的动态性能比较
对冲击速度为2.968 m/s时组合岩体的应力-应变曲线和单一介质的应力-应变曲线关系进行对比，结果如图7所示。
图7 单一试样和组合试样应力-应变对比曲线
Fig.7 Comparison curve of stress-strains of the single sample and the combination sample
结合表1,从图7可知，在冲击速度为2.968 m/s时，组合试样的动态等效弹性模量为13.4 GPa，岩石为22.29 GPa，煤体为3.2 GPa。组合试样的动态弹性模量约为2个单一试样动态弹性模量的平均值。
组合试样中煤体破坏所需的应力值较小，但其破坏应变较大，组合试样中的岩石与之相反，这主要是由于煤体空隙大、裂隙发育、强度低，在应力波作用下易失稳破坏，并且由于空隙的存在，空隙附近煤体的坍塌会产生大的变形吸收能量，破坏应变能达到4 000 με。所以，组合试样中煤体吸收了大部分的冲击能量，吸收冲击能量后宏观上表现为大的塑性变形，极限变形能力强。导致煤体这种力学行为的原因在于其微观结构，正是煤体的微观结构，组合试样中的煤体衰减了应力波峰值。
从组合试样的应力-应变曲线可看出，整体上表现出了很大的塑性性质，在应力、应变增加时，弹性模量逐渐减小，与组合试样相比，单一试样则表现出显著的脆性性质。
2.4 组合煤岩体动力学特性与瞬变磁场变化信号的关系
煤体和岩体在冲击载荷破坏过程中均会产生瞬变磁场信号，为了揭示磁场信号强度与组合试样动力学行为的相关性，采用ZDKT-1型测试系统监测冲击实验过程中试样内部产生的瞬变磁场信号。该系统主要包括信号接收器和测试仪，实验设置的采样频率为3 000次/s。图8统计了冲击速度、平均应变率、最大应变率、破坏应变和断裂应力极限值与瞬变磁场信号幅值之间的关系。
从图8可看出，随着组合试样的冲击速度、平均应变率、最大应变率和断裂应力极限值的增大，组合试样所产生的瞬变磁场信号幅值也逐步增大，但两者并不呈现出一一对应的特征；组合试样的破坏应变与瞬变磁场信号幅值呈现出负相关关系，但两者相关性不强，离散性较大。整体来看，信号幅值与煤体动态力学参数有一定的相关性，但由于试样数量较少，未能确定两者符合某种数学关系式，对于信号幅值和动态参数之间的数学关系式，还有待进一步研究。
3 结论
(1) 基于SHPB实验系统对煤岩组合体动态力学性能进行了测试，测试结果表明,组合煤岩体对冲击波具有一定的削波作用，冲击波通过组合试样后应力衰减为原来的1/5，并且组合试样中左端面应力值增加幅度约为右端面的5倍，组合试样对应力波有很好的衰减效应。
(2) 组合试样对应力波的衰减弱化效应主要取决于煤体的微观结构，煤体的微观结构使其受到冲击载荷后塑性变形增大，弹性模量逐渐减小，与组合试样相比，单一试样表现出明显的脆性破坏特征。
(3) 组合试样平均应变率、最大应变率、断裂应力极限值和破坏应变与瞬变磁场信号幅值具有一定的相关性，随着组合试样冲击速度、平均应变率、最大应变率和断裂应力极限值的增大，组合试样所产生的磁场信号幅值也逐步增大，破坏应变与瞬变磁场信号幅值呈现出负相关关系，但两者相关性不强，离散性较大。
(a) 冲击速度与瞬变磁场信号幅值
(b) 平均应变率与瞬变磁场信号幅值
(c) 最大应变率与瞬变磁场信号幅值
(d) 断裂应力极限值与与瞬变磁场信号幅值
(e) 破坏应变与瞬变磁场信号幅值
图8 瞬变磁场信号幅值和组合试样动态参数关系
Fig.8 Relation between signal amplitude of transient magnetic field and dynamic parameters of combination sample
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