冲击荷载作用下弱胶结煤岩体的断裂韧度及裂纹扩展特性试验研究

摘要

温度和含水状态是影响煤岩强度的关键因素，而动态荷载的扰动又使其破坏过程进一步复杂化。采用红砂岩和型煤制作出预制中心直裂纹的煤岩组合体，设置不同温度条件(25℃、0℃、-5℃)和不同含水状态(干燥、饱水)对试样进行预处理，利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统开展动态试验，并采用高速相机记录其破坏形态，分析了不同冲击气压下，温度和含水状态的变化对煤岩组合体断裂韧度和裂纹扩展的影响。研究结果表明：煤/岩试件及煤岩组合体试件动态断裂韧度存在明显的应变率效应，冲击气压的增大使试件应力强度因子峰值增大，达到峰值所需的时间减少，而温度和含水状态只影响试件应力强度因子峰值的大小，不改其变达到峰值所需的时间；对于煤岩组合体试件，当两个试件均为两种相同材料组成时，由于其受冲击端材料体积大于预制裂缝端材料，动态断裂韧度取决于受冲击端材料，动态断裂韧度较大的材料作为受冲击端时，试件整体动态断裂韧度更大；随着含水状态的变化，饱水试件的动态断裂韧度小于干燥试件，而裂纹扩展速度快于干燥试件，随着冲击气压的增大，试件的动态断裂韧度和裂纹扩展速度亦增大，随着温度的降低，试件的动态断裂韧度先增大后减小。本研究旨在深入探讨西部弱胶结煤岩体的断裂韧度特性及其裂纹扩展规律，这对于理解煤岩体在复杂地质环境下的力学行为和预防工程地质灾害的发生具有至关重要的意义。

关键词

煤岩组合体 / 温度 / 含水状态 / 冲击荷载 / 断裂韧度 / 裂纹扩展