在煤炭资源开采过程中，煤矿巷道围岩不可避免的遭受到较为频繁的爆破以及采矿冲击地压等强烈的动荷载作用，严重威胁着煤矿开采安全[1-4]。另一方面，在实际工程中多数岩体的破坏并不是在单次冲击荷载作用下发生的，如炮弹对目标的多次打击、工程岩体的多次爆破以及隧道的多次爆破开挖、冲击破岩等，都是在多种形式荷载作用下使岩体逐步产生损伤断裂，最终发生宏观破坏[5-9]。因此，研究动荷载作用下煤矿岩石的应变率效应、能量耗散特征和破坏模式等，对于更好的理解和控制煤矿巷道围岩稳定性的动力学问题以及保证煤矿安全经济生产具有重要意义。

国内外相关学者利用分离式霍普金森压杆系统(Splitting Hopkinson Pressure Bar，简称SHPB)对岩石在动荷载作用下的力学特性和破坏模式进行了一些研究。LI等[10]利用摆锤驱动的分离式SHPB装置对绿色砂岩进行反复冲击压缩试验，研究了材料的声学特性、耗散能、变形特性和微观结构演变。BRAUNAGEL M J等[11]利用SHPB试验装置对花岗岩在循环加载过程中的动态抗压强度及破坏机理进行研究，认为在循环加载条件下试样的抗压强度会发生降低，且岩石的强度随加载速度的增加而增加，在极快的加载速度下岩石的破坏由简单断裂变为破碎状态。朱晶晶等[12]对花岗岩试样开展单轴循环冲击压缩试验，分析花岗岩的力学特性及能量吸收规律，认为随冲击荷载循环作用次数的增加，岩石的变形模量变小、峰值应力降低，试样的屈服应变逐渐增大，并根据试验结果建立了岩石动态统计损伤本构模型。李地元等[13]结合岩石声发射监测研究了花岗岩在循环冲击压缩试验下的累计损伤特性。张智宇等[14]对深部白云岩开展单轴冲击试验，从应力-应变、强度和能量分布等方面对白云岩的动态力学性质进行分析，认为岩石在冲击荷载下发生拉伸破坏。王志亮等[15-16]分析了花岗岩在等幅循环冲击下的峰值应力、应变、平均应变率、损伤值与冲击次数之间的关系，以及轴压对试样总循环冲击次数的影响;金解放[17-19]、于洋[20]等利用改进的SHPB试验装置对砂岩试样进行循环冲击试验，研究了轴压和循环冲击次数对岩石动态应力-应变曲线、动态强度和变形特性的影响，认为在无围压作用下砂岩发生脆性破坏，有围压时表现出明显的弹塑性特征。唐礼忠等[21]利用改进的SHPB试验装置对矽卡岩岩样进行一维静载及循环冲击共同作用下的加载试验，研究了岩石的动态应力-应变曲线、能量传递以及破坏模式等。许金余等[22]利用带围压装置的SHPB对斜长角闪岩、绢云母石英片岩和砂岩开展循环冲击试验，认为在循环冲击荷载下岩石的杨氏模量明显减小，并以杨氏模量表征岩石的损伤程度。李晓锋等[23]对灰岩、白云岩和砂岩进行动态冲击试验，得到了岩石的动强度因子、耗散能密度及破碎尺寸与应变率间的变化关系。目前，对于煤矿中的砂岩在动载作用下的力学性质和能量耗散虽有一定的研究，但对岩石试样在循环冲击荷载作用下的能量耗散和试样破坏模式研究较少。

在巷道掘进过程中，巷道围岩在冲击动载和循环动载作用下，变形将会逐渐增大，影响巷道的稳定性。针对上述研究中存在的不足，以陈四楼煤矿巷道围岩中的砂岩为研究对象，利用改进的SHPB试验装置对煤矿巷道砂岩开展冲击试验，分析砂岩在冲击荷载作用下的动力学特征，总结其力学特性和能量耗散规律、破坏形态变化特征等，对正确认识煤矿巷道围岩在冲击力学作用下的动态力学特性、准确评价巷道围岩稳定性具有重要意义，为煤矿的合理高效开采及围岩支护稳定性等相关实际工程问题提供理论参考。

1 砂岩SHPB试验

1.1 试样制备

试样取自河南陈四楼煤矿巷道中的岩体，选取完整性和均质性较好的砂岩作为研究对象。根据国际岩石力学学会(ISRM)推荐的试样尺寸[24]，将砂岩加工为φ50 mm×25 mm的圆柱体试样，试样两端面的不平行度和不垂直度均小于0.02 mm，试样如图1所示。砂岩试样的静态物理力学参数见表1。

1.2 试验装置及原理

利用如图2所示的河南理工大学冲击实验室改进的SHPB试验装置对砂岩试样进行单轴冲击试验，采用江苏东华生产的DH8302超动态应变仪进行数据采集。试验所采用的子弹为直径37 mm、长度400 mm的钢杆，入射杆为直径50 mm、长度2 400 mm的钢杆，透射杆为直径50 mm、长度1 200 mm的钢杆。入射杆和透射杆均为变截面锥形杆，钢杆中纵波波速为5 190 m/s，弹性模量为210 GPa，吸收杆材质为铝杆。

试验中典型试样两端的应力结果如图3所示，可以看出，入射波加反射波后形成的曲线与透射波曲线基本重合，表明在试验过程中试样左右两端受力相等，满足应力平衡条件[25]。

基于一维应力波和应力-应变均匀性假定，根据入射杆上粘贴的应变片所测得的入射波应变εI(t)及反射波应变εR(t)和透射杆上应变片测得的透射波应变εT(t)等应变信号，根据“三波法”计算公式可分别计算出试样两端面上的应力σ、应变ε以及应变率其中“三波法”计算公式[26]为

(1)

(2)

(3)

式中，A0为压杆的横截面积，mm2;AS为试样的横截面积，mm2;E0为压杆的弹性模量，GPa;C0为压杆的纵波波速，m/s;LS为试样的长度，mm。

根据应力均匀性假设，试样长度远小于输入应力波的波长，可认为试样中的应力均匀化、无衰减，由一维应力波理论可得εI(t)+εR(t)=εT(t)，选取入射波εI(t)和透射波εT(t)应变信号进行计算，则式(1)～(3)可简化为“二波法”[26]计算公式

(4)

(5)

(6)

1.3 冲击气压确定

对试验采集得到的原始波形进行分析计算，得到砂岩试样在冲击荷载作用下的峰值应力、峰值应变等参数。单次冲击时不同冲击气压P与砂岩的峰值应力σf和平均应变率间的关系如图4所示，可以发现，随冲击气压的增大，平均应变率和峰值应力呈增大的趋势，结合砂岩试样的静态物理力学参数和动载作用下试样的强度，确定循环冲击气压的大小为0.40,0.45和0.50 MPa。

1.4 试验方法

试验时在子弹与入射杆之间采用宽度为15 mm、厚度0.3 mm的正方形H62黄铜片作为波形整形器，试样放置于入射杆和透射杆之间并在试样与压杆接触面涂抹适量黄油，减小压杆和试样接触面间的端面摩擦效应。试验首先选取不同的冲击气压对砂岩试样开展单轴单次冲击压缩试验。循环冲击试验时，在一次冲击后，若试样未破碎，则在相同的冲击气压下，进行下一次冲击，经多次冲击作用，直至砂岩试样产生宏观力学破坏，停止试验。砂岩试样在单次和循环冲击作用下主要试验结果分别见表2，3。

2 SHPB冲击试验结果分析

将砂岩试样共分为2组，分别开展不同冲击气压下的单次冲击试验和固定冲击气压下的循环冲击试验，相同加载类型下重复冲击多次，选取有代表性试验数据进行分析。以砂岩试样在0.45 MPa固定冲击气压下循环冲击时应变片测得的典型冲击波形图为例，如图5所示，可以看出，每次冲击时入射波波形基本重合，能够保证每次冲击时试样所受到的冲击荷载基本相同。

2.1 冲击荷载作用下砂岩试样的破坏形态

不同冲击气压下单次冲击时砂岩试样的破坏形态如图6所示，在冲击气压较低时试样的变形较小破碎为几大块，随冲击气压的提高平均应变率逐渐增大，试样的损伤范围由试样边缘分布逐渐扩展到试样中心部位[27]，试样的破碎程度增大，由大块破碎过渡为小块粉碎，碎块数量增多且碎块体积逐渐减小。随着冲击气压进一步增大，砂岩试样内部裂纹分布增多且裂纹宽度逐渐增大并贯穿于整个砂岩试样，在应力持续作用下砂岩试样裂纹出现交叉发展，发生受拉破坏和压剪破坏[28]。

固定冲击气压下循环冲击时砂岩试样的破坏形态如图7所示，可以看出，随冲击气压增大，砂岩出现宏观破坏时的冲击总次数减小。在循环冲击荷载作用下砂岩试样主要是在拉应力作用下发生受拉破坏，在0.40 MPa冲击气压下，第1次冲击后砂岩试样基本保持完整状态，随着冲击次数增加，砂岩试样内部损伤不断累积，微裂纹不断产生与扩展，试样沿轴向加载方向分裂为几大块。在0.50 MPa冲击气压下，砂岩试样在第1次冲击后表面出现裂纹，在第3次冲击时砂岩内部损伤严重，微裂纹分布增多且扩展速度加快，裂纹宽度逐渐增大并贯穿整个砂岩试样，试样的承载力迅速下降，破碎程度增大，发生受拉破坏，沿轴向加载方向产生贯穿于砂岩试样的环状破坏面。

2.2 砂岩试样应力、应变和应变率分析

2.2.1 单次冲击时砂岩试样强度及变形分析

砂岩试样在不同冲击荷载作用下单次冲击时的典型应力-应变曲线如图8所示，可以看出，砂岩试样的峰值应力和峰值应变均随平均应变率的增加而增加。当平均应变率为75.70 s-1时，砂岩试样的峰值应变为0.016 4，峰值应力为165.10 MPa，约为1.71 fc(fc为砂岩试样的静载平均抗压强度，为96.40 MPa)，砂岩试样的塑性增加，强度提高。这是因为在更大冲击荷载作用时试样内部产生了更多的微裂纹，破坏形态也由较为完整的大块破碎逐渐过渡到小块甚至粉碎状态，试样的变形增大，吸收能量增加，因此砂岩试样所能承受的荷载增加，表现为强度增大。砂岩试样的动态应力-应变曲线可分为弹性阶段、裂缝扩展阶段、塑性变形阶段和破坏阶段4个阶段，在初始弹性阶段随应变增加应力呈快速线性增加趋势，且在初始弹性阶段曲线基本重合。在冲击荷载作用下试样内部微裂缝不断萌生发育，达到弹性极限应力后进入塑性变形阶段，当达到屈服应力后，试样内部裂纹扩展贯通，应变增大且应力迅速降低，砂岩试样发生破坏[29]。

不同冲击气压下单次冲击时砂岩试样的峰值应力和峰值应变与平均应变率关系如图9所示，可以看出，砂岩的峰值应变随应变率增加基本呈线性增加趋势，峰值应力近似与平均应变率的1/3次幂呈递增关系。

2.2.2 循环冲击时砂岩试样强度及变形分析

循环冲击时砂岩试样的应力-应变曲线如图10所示，可以看出，随冲击次数增加，砂岩试样的峰值应力逐渐降低，应变逐渐增大，前几次冲击时应力应变曲线基本重合。试样内部存在的原始缺陷如微裂纹、空隙等会引起应力集中，在冲击荷载作用下裂纹扩展发育，导致岩石组构传递荷载的能力降低，随着冲击次数的增加，应力-应变曲线初始弹性上升阶段的斜率逐渐减小，即弹性模量逐渐降低，岩石试样的力学性能不断下降[12,22]。随着冲击气压的增大，岩石破坏时所需冲击总次数逐渐减小，在0.40 MPa冲击气压下，岩石试样在多次冲击作用下内部裂纹不断闭合、张开，试样累计损伤增加，最终试样发生破坏。在0.45 MPa与0.50 MPa冲击气压下，试样破坏时所需的冲击总次数相差不大，这可能是由于此时的冲击气压较大，在第1次冲击时对试样造成的损伤程度过大，超过了岩石的临界破坏值，试样受损严重，因此在这2种冲击气压下冲击总次数相差不大。

图11(a)为循环冲击荷载作用下砂岩的平均应变率与冲击次数间的关系。可以看出，循环冲击时冲击气压越高，砂岩破坏时的冲击总次数越少。3种冲击气压下砂岩试样的平均应变率均随着冲击荷载作用次数的增加先缓慢增加，达到一定冲击次数时由于试样内部损伤严重，变形增大，平均应变率突然增大。图11(b)为3种冲击气压循环冲击时砂岩的峰值应变与冲击次数之间的关系，可以看出，砂岩试样的峰值应变随冲击次数的增加逐渐增大。在0.40 MPa冲击气压时，前4次冲击时砂岩试样的峰值应变增加缓慢，在第7次冲击时峰值应变较第6次增加较多，0.50 MPa冲击气压下，砂岩试样在第3次冲击时的峰值应变突然增大。图11(c)为3种冲击气压循环冲击时砂岩的峰值应力与冲击次数之间的关系，砂岩试样的峰值应力随冲击次数的增加总体呈下降趋势，在0.40 MPa冲击气压下，砂岩的峰值应力随着冲击次数的增加呈先增大后减小的趋势，这可能是因为冲击气压较低，第1次冲击后试样内部并未发生严重损伤，试样内部微裂缝被压密从而提高了砂岩的强度，在第2次冲击时砂岩的峰值应力略大于第1次冲击时的峰值应力，随着冲击次数继续增加峰值应力缓慢下降，在第7次冲击时峰值应力突然下降。

0.45 MPa和0.50 MPa冲击气压下砂岩试样的峰值应力随冲击次数的增加呈先缓慢下降后突然下降的趋势。每次冲击荷载作用后均有一部分能量用于加剧试样损伤，随着冲击次数不断增加砂岩试样内部会产生更多的微裂纹，内部损伤不断累积导致岩石的承载力不断降低，变形和平均应变率增大，达到一定冲击次数时，砂岩峰值应力突然下降。

砂岩试样在3种循环冲击荷载作用下的平均应变率与其对应的峰值应变和峰值应力间的关系如图12所示，其中，分别为0.40，0.45,0.50 MPa冲击气压下对应的动态峰值应变;分别为0.40，0.45，0.50 MPa冲击气压下对应的动态峰值应力。在3种循环冲击气压作用下，砂岩试样的峰值应变随平均应变率的增大呈线性增加趋势，峰值应力随平均应变率的增大呈线性降低趋势。

2.2.3 单次冲击和循环冲击时割线模量分析

以割线模量作为岩石动态应力-应变曲线的衡量指标进行对比[30]，即

E50=σd50/εd50

(7)

式中，σd50为动态峰值应力50%时的应力值，MPa;εd50为σd50对应的峰值前的轴向应变值。

为进一步观察岩石模量的变化，将岩石的应力-应变曲线简化为2段，如图13所示，并定义第2类割线模量，图13中，εd，σd分别为试样在动态冲击作用下试样的峰值应变和峰值应力。即取应力-应变曲线上峰值应力和峰值应力的50%两点之间的斜率，用表示[30]。其中，割线模量对岩石弹性变形阶段的力学特征进行评价，第2类割线模量对岩石塑性变形阶段和峰值阶段的力学特性进行评价，计算结果见表2，3。

不同冲击气压下单次冲击时，砂岩试样割线模量和第2类割线模量与平均应变率间的关系如图14所示。可以看出，在单次冲击荷载作用下，随平均应变率的增大，割线模量逐渐降低，第2类割线模量受平均应变率的变化影响较小。在更大冲击气压作用下砂岩内部损伤加剧，微裂纹扩展速度和宽度增加，从而弱化微元体的承载能力，砂岩试样变形增大，平均应变率也逐渐增大。随平均应变率增大，割线模量逐渐降低，式(8)为单次冲击时砂岩试样的割线模量及第2类割线模量与平均应变率间拟合关系。

(8)

循环冲击荷载作用下砂岩试样的割线模量及第2类割线模量随冲击次数增加时的变化趋势如图15所示，可以看出，割线模量及第2类割线模量随冲击次数的增加整体上均呈下降的趋势，割线模量随冲击次数的增加表现出一定的离散性，第2类割线模量在数值上比割线模量小，随冲击次数的增加整体呈下降趋势。随冲击次数的增加，割线模量的降低表明岩石的强度在衰减，内部微裂纹和损伤程度在逐渐增加，弹性能也在发生变化。割线模量降幅明显较大，而第2类割线模量降幅很小。但割线模量对应的是弹性势能，说明弹性势能变化更大，而塑性势能变化较小。

2.3 冲击荷载作用下能量耗散特征分析

在SHPB冲击压缩试验过程中，在试样两端面和杆与试样的接触面均涂抹了适量的黄油作为润滑剂，因此在计算时可忽略试样与压杆之间因端部摩擦所消耗的能量。根据SHPB试验加载原理和能量守恒定律，利用入射波εI(t)、反射波εR(t)和透射波εT(t)的应变曲线，通过以下公式可分别求出各项能量[3]:

(9)

(10)

(11)

WS=WI-WR-WT

(12)

(13)

式中，WI，WR，WT，WS分别为冲击过程中的入射能、反射能、透射能和吸收能，J;σI为入射应力，MPa;σR为反射应力,MPa;σT为透射应力,MPa;VS为试样体积，cm3;EV为单位体积吸收能，J/cm3。

对入射杆和透射杆的应变数据进行分析和计算，得到砂岩试样在单次冲击和循环冲击过程中的能量变化计算结果，分别见表4，5。

2.3.1 不同冲击气压下单次冲击时能量变化规律

在不同冲击气压作用下进行单次冲击时，砂岩试样的平均应变率与入射能、反射能、透射能和吸收能之间的关系如图16所示。可以看出，随平均应变率的增大，入射能、反射能、透射能和吸收能均是增大的，各能量与平均应变率间的拟合关系为

(14)

砂岩试样的平均应变率与单位体积吸收能间的关系如图17所示，可以看出，随平均应变率的增大砂岩单位体积吸收能基本呈线性增加的趋势，结合砂岩试样冲击后的破坏形态，可以认为，当单位体积吸收能大于0.573 J/cm3时砂岩试样发生较为明显的宏观破碎。随冲击气压增大入射能增加，砂岩试样由较完整状态逐渐向破碎及粉碎状态过渡，在这个过程中需要吸收更多的能量用于试样内部微裂纹的萌生、扩展和贯通，因此单位体积吸收能随平均应变率增加逐渐增大。单位体积吸收能与平均应变率间拟合关系为

(15)

2.3.2 固定冲击气压下循环冲击时能量变化规律

固定冲击气压下进行循环冲击时的入射能、反射能和透射能与冲击次数间的关系如图18所示。可以看出，冲击气压为0.40,0.45和0.50 MPa时对应的入射能分别约为80，90和100 J。在固定冲击气压下进行循环冲击时，入射能随着冲击次数的增加基本不变，说明每次冲击时入射波是基本相同的，重复性较好。随着冲击次数的增加，反射能逐渐增大，透射能逐渐降低，吸收能逐渐增大。当试样内部损伤严重时吸收能也会出现降低的趋势，如在0.45 MPa冲击气压下第3次冲击时，试样四周边缘产生裂缝，内部损伤严重，在此基础上继续冲击时，试样发生严重破碎且所吸收的能量相对降低，大部分能量以反射能的形式释放。每次冲击时砂岩试样内部会受到反射应力与透射应力的共同作用，随着冲击次数的增加，试样入射端反射系数则不断增大而透射系数不断减小，导致反射波形不断增大而透射波形不断减小，即反射能随冲击次数增加而不断增大，透射能随冲击次数增加而不断减小，吸收能则不断增加从而用于试样内部微裂缝的萌生、扩展和发育，达到一定损伤程度时微裂缝将贯穿整个砂岩试样，试样发生受拉破坏。

固定冲击气压下循环冲击时砂岩试样的单位体积吸收能与冲击次数间的变化趋势如图19所示。可以看出，随冲击次数增加，单位体积吸收能呈先缓慢增加后突然增加的趋势，当试样内部损伤严重时，随冲击次数继续增加，由于大部分能量以反射能的形式释放且试样吸收的能量较低，单位体积吸收能也可能出现降低趋势，这是因为试样内部损伤严重导致吸能能力降低，如图19中0.45 MPa冲击气压加载情况所示。在0.40 MPa冲击气压下，第2次冲击时的单位体积吸收能0.225 J/cm3约为第1次0.134 J/cm3的1.68倍，第2～5次冲击时单位体积吸收能变化不大，在第6次冲击时单位体积吸收能突然增加，为0.326 J/cm3，约为第5次0.230 J/cm3的1.42倍，是第1次冲击时的2.43倍。当冲击气压为0.45 MPa和0.50 MPa时试样吸收更多的能量，第1次冲击时砂岩的单位体积吸收能分别为0.446 J/cm3和0.313 J/cm3，均大于0.40 MPa冲击气压下第1次冲击时的单位体积吸收能0.134 J/cm，在更大冲击气压作用下砂岩试样内部损伤加剧。

2.3.3 固定冲击气压下循环冲击时累计比能量吸收值

定义累计比能量吸收能ϑ(J/cm3)为

ϑ

(16)

因此可得砂岩的累计比能量吸收值与冲击荷载作用次数的关系如图20所示。随着冲击次数增加，砂岩试样的累计比能量吸收值逐渐增加，试样内部损伤不断累积，吸收能增大，达到一定程度时吸收能快速增加，砂岩试样的累计比能量吸收值也逐渐增加。在0.40 MPa冲击气压时，第6次和第7次冲击时的累计比能量吸收值急剧增大，第7次冲击时为1.891 J/cm3;在0.50 MPa冲击气压时，第3次冲击时的累计比能量吸收值为1.665 J/cm3，是第3次冲击时砂岩单位体积吸收能0.867 J/cm3的1.92倍。

在不同冲击气压下，单次冲击时砂岩试样的单位体积吸收能大于0.573 J/cm3时发生破碎;在循环冲击时，0.40,0.45和0.50 MPa冲击气压下最后1次冲击时砂岩的单位体积吸收能分别在0.508，0.265和0.867 J/cm3时发生破坏，此时砂岩的累计比能量吸收值分别为1.891，1.825和1.665 J/cm3，而0.45 MPa冲击气压下前3次冲击累计比能量吸收值为1.560 J/cm3，故总体可认为在循环冲击下，当砂岩试样的累计比能量吸收值大于1.5 J/cm3时砂岩试样发生破坏，在循环冲击荷载下砂岩发生破坏时吸收的总能量增加。

3 结 论

(1)单次冲击荷载下，砂岩的峰值应力和峰值应变均与平均应变率呈正相关关系，砂岩的动态抗压强度最大为165.10 MPa，约为试样静载抗压强度的1.71倍;在循环冲击荷载下，随冲击作用次数的增加，砂岩试样的峰值应变和平均应变率增大，峰值应力减小，且峰值应力和峰值应变皆与平均应变率间存在较好的线性相关性。

(2)单次冲击荷载下，随着平均应变率的增大，砂岩试样的割线模量逐渐降低，循环冲击时随冲击作用次数的增加，砂岩试样的割线模量及第2类割线模量降低。

(3)单次冲击荷载下，砂岩单位体积吸收能随平均应变率增加呈线性增加趋势，当单位体积吸收能大于0.573 J/cm3时砂岩试样发生破碎;循环冲击时，砂岩单位体积吸收能随冲击次数增加先缓慢增加后突然增加，当砂岩试样的累计比能量吸收值大于1.5 J/cm3时砂岩试样发生破坏，并且在循环冲击荷载下砂岩发生破坏时吸收的总能量增加。

(4)单次冲击荷载下，砂岩试样随冲击气压的提高，由大块破碎过渡为小块粉碎，发生受拉破坏和压剪破坏;固定气压下循环冲击时，随冲击作用次数增加，砂岩试样由基本完整状态向大块破碎状态过渡，主要发生受拉破坏，在冲击气压较大时沿轴向加载方向出现贯穿于砂岩试样的环状破坏面。

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Strain rate effect and energy dissipation characteristics of sandstone in coal measures under impact loading

YU Yongqiang1,2，ZHANG Wenlong1，FAN Lidan1,2，GONG Jian1，YANG Meng1，SUN Liang1

(1.School of Civil Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454003,China; 2.International Joint Research Laboratory of Henan Province for Underground Space Development and Disaster Prevention,Jiaozuo 454003,China)

Abstract:The deformation of surrounding rock will increase under dynamic load during the excavation of coal mine roadway.In order to study the mechanical properties and energy dissipation of sandstone in coal measures under impact loading,the sandstone in the surrounding rock of Chensilou coal mine roadway was collected as the research sample,and a split Hopkinson pressure bar test device,with a diameter of 50 mm,was used in uniaxial single impact compression test and cyclic impact compression test.The strain rate effect,energy dissipation characteristics and failure modes of the sandstone were analyzed.Under the uniaxial single impact loading,with the increase of average strain rate,peak stress and peak strain,the plasticity and strength of the sandstone samples increase,while the secant modulus decreases gradually.Moreover,the peak strain has a linear increase relationship with the average strain rate,and the peak stress approximately increases with the 1/3 power of the average strain rate.With the increase of the average strain rate,the absorption energy per unit volume of the sandstone samples shows a linear increase tendency,and the degree of fragmentation of the samples continues to increase.Under the impact of constant compressive stress,the internal cracks of the sandstone samples keep crossing and expanding,and the splitting failure occurs along the axial direction.Under the cyclic impact loading,the average strain rate and peak strain of sandstone samples gradually develop with the increase of the cyclic loading times,while the peak stress,secant modulus and second type secant modulus gradually decreases.During the cyclic impact under the fixed pressure,with the increase of the impact times,the incident energy basically remains unchanged,and the reflection energy and absorption energy gradually increase,whereas the transmission energy gradually decreases.The absorption energy per unit volume of the sandstone samples increases slowly firstly and then suddenly in-creases with the impact times.Under the cyclic impact loading,the energy absorption capacity of the sandstone samples is enhanced.With the increase of impact times,the distribution of microcracks inside the samples enlarges and the expansion speed accelerates.As a result,the tensile failure mainly occurs,and the annular failure plane running through the sandstone samples generates along the axial loading direction.

Key words:coal measures sandstone;SHPB;energy dissipation;strain rate;failure mode

中图分类号:TD315

文献标志码:A

文章编号:0253-9993(2021)07-2281-13

收稿日期:2020-03-19

修回日期:2020-05-24

责任编辑:郭晓炜

DOI:10.13225/j.cnki.jccs.2020.0440

基金项目:国家自然科学基金资助项目(51874119)

作者简介:余永强(1972—)，男，河南商城人，教授。Tel:0391-3987635，E-mail:yyq@hpu.edu.cn

通讯作者:范利丹(1982—)，女，河南濮阳人，副教授。Tel:0391-3987639，E-mail:lidanfan@hpu.edu.cn

引用格式:余永强，张文龙，范利丹，等.冲击荷载下煤系砂岩应变率效应及能量耗散特征[J].煤炭学报,2021,46(7):2281-2293.

YU Yongqiang，ZHANG Wenlong，FAN Lidan,et al.Strain rate effect and energy dissipation characteristics of sandstone in coal measures under impact loading[J].Journal of China Coal Society,2021,46(7):2281-2293.