煤炭学报

作者：孔祥国, 李宇航, 李树刚, 林海飞, 刘厅, 马衍坤, 刘晓斐, 和递, 季鹏飞, 蔡雨初,

关键词：冲击载荷, 巴西劈裂, 动力学特征, 能量耗散, 裂纹扩展, 本构模型,

在深部煤层开采过程中，煤体在冲击载荷扰动下的动态损伤与破坏是造成重大动力灾害的关键因素。为探究冲击载荷下煤样的动态拉伸特性，采用霍普金森压杆(SHPB)试验系统，开展不同冲击速度下煤的动态劈裂拉伸试验，并利用高速摄像机拍摄煤样的裂纹扩展过程，研究不同冲击速度下煤样的动态拉伸力学特性，分析巴西劈裂试验中煤样的破坏过程及破坏形态。基于组合元件模型理论和统计损伤理论，构建了煤体动态损伤本构模型，并验证了模型的合理性。试验结果表明：煤样的峰值拉伸强度与冲击速度成正比关系，而峰值应变与冲击速度成反比，这表明随冲击速度的增加，煤样的变形反应时间较短，在小变形之后就发生宏观破裂。动态劈裂试验中，中心主裂纹在煤样中心区域产生，随后产生的微裂纹不断扩展、汇聚直至贯通，导致煤样破裂，在近杆件端面处产生应力集中现象，出现压碎区域。随冲击速度的增大，煤样所吸收的能量也随之增加，入射能、反射能、透射能及耗散能均呈现增大趋势。其中，入射能的增长斜率最大，透射能变化幅度较小，增长斜率最小，煤样耗散能与反射能增长斜率近似相等。煤样能量耗散密度随冲击速度增大呈线性增加，这表明随冲击速度的增大，高能量的输入导致能量在煤体内部迅速传递积累，局部区域承受更高的能量密度，使得煤样的破裂程度更加显著。基于朱−王−唐模型及统计损伤理论，将部分弹性体损伤化并引入塑性元件，对朱−王−唐本构模型进行改进，构建了冲击载荷下煤体巴西劈裂的黏弹塑性动态损伤本构模型。该模型能够较好地表征冲击载荷作用下煤体的弹性阶段及塑性阶段，很好地反映煤体在不同冲击速度下的动态应力−应变关系，验证了本构模型的可靠性。

来源：2026年第3期

《煤炭学报》期刊编辑部

查看煤炭学报杂志2026年第3期