煤状材料在冲击载荷作用下的裂纹扩展-能量耗散-损伤演化的耦合特性

《Results in Engineering》：Coupling characteristics of crack propagation-energy dissipation-damage evolution of coal-like material under impact loading

煤动力损伤演化及能量耗散机制研究基于煤样材料精确重建技术（CLM）与电磁驱动动态霍普金森压 bars 系统结合，系统分析中等应变率冲击下煤的动态裂纹扩展与能量耗散规律。结果表明：冲击能量随应变率非线性增加，煤的损伤演化分为能量储存、亚临界扩展和脆性失稳三阶段；裂纹网络形成“能量陷阱”，反射能量利用率降低67%，传递能量限制在5%以下，促进高效内部损伤转化；分形维度Df从1.02跃升至1.32，证实微裂纹扩展是能量耗散主路径；动态弹性模量、峰值应力与损伤因子随应变率呈现非线性耦合关系，为多尺度观测技术推动复杂材料动态行为研究提供新范式。

　　### 中文解读：动态裂纹传播与能量耗散的多尺度协同机制研究

在当今的煤矿开采与能源开发中，随着开采深度的增加和地质结构的复杂化，矿山动态灾害，如岩爆和煤与瓦斯突出，其发生频率和破坏性显著上升。这些灾害不仅威胁矿工的生命安全，也对矿区的稳定性与可持续发展构成挑战。因此，探索煤岩在动态冲击下的裂纹传播与能量耗散机制，对于预防和控制这些灾害、提高煤矿开采的安全性具有重要意义。同时，传统的研究方法在单尺度观察和动态过程追踪方面存在局限，难以系统地分析煤岩在中等应变率冲击下的裂纹传播与能量耗散的耦合机制。为解决这一问题，研究人员提出了一种新的协同研究范式，通过结合煤岩类材料（Coal-Like Material, CLM）的高精度重构技术与电磁驱动的Hopkinson杆系统，结合核磁共振（NMR）孔隙量化分析与扫描电子显微镜（SEM）的跨尺度原位观察，实现了对煤岩动态行为的全面解析。

#### 1. 研究背景与意义

煤岩作为一种复杂的地质材料，其内部结构具有高度的非均质性和各向异性。这些特性使得传统实验方法难以准确模拟其在动态冲击下的行为。此外，随着开采深度的增加，煤岩的渗透性降低，气体吸附能力增强，这对煤层气的高效开采提出了更高的技术要求。因此，研究人员尝试引入CO?相变压裂技术，利用CO?相变过程中产生的高压冲击波对煤岩进行压裂，以提高煤层气的开采效率。然而，这种技术的实施需要深入理解煤岩在动态冲击下的裂纹演化和能量耗散机制。

传统的裂纹扩展和渗透增强技术，如爆破和水力压裂，存在效率低、安全风险大、成本高以及可能引发二次灾害等缺点，难以适应深部高应力和低渗透性的地质条件。因此，探索一种既能提高煤岩渗透性，又能实现高效能量耗散的新型技术成为当前研究的重点。该研究通过整合CLM的高精度重构技术与电磁驱动的Hopkinson杆系统，结合NMR和SEM的多尺度分析方法，系统地揭示了煤岩在动态冲击下的裂纹演化路径和能量耗散机制。

#### 2. 材料与方法

为了克服天然煤岩的非均质性和复杂结构带来的实验不确定性，研究团队开发了一种煤岩类材料（CLM），其成分包括石膏、水泥和砂。通过优化配方设计，CLM在物理力学性能和气体吸附行为上与天然煤岩具有高度相似性。CLM的制备过程包括精确称量各组分、均匀混合、加水搅拌、模具成型、振动压实和养护等步骤，确保其在实验过程中具有良好的均匀性和可重复性。

在实验方法上，研究采用了多种技术手段。首先，通过真空饱和处理，使CLM样品在实验过程中保持充分的水分，以模拟实际煤层的水文地质条件。其次，利用核磁共振（NMR）技术对CLM的孔隙结构进行量化分析，通过T?弛豫时间与孔隙尺寸之间的关系，对孔隙进行分类和量化。NMR技术的优势在于其非破坏性、快速性和高精度，能够有效反映煤岩的孔隙结构特征。

此外，研究还结合了扫描电子显微镜（SEM）技术，对CLM在冲击后的微观裂纹结构进行高分辨率的原位观察。SEM技术能够提供裂纹扩展路径、裂纹网络形态等详细信息，有助于理解裂纹的几何特征及其演化规律。通过将NMR和SEM数据进行整合，研究团队构建了一个从应变率、应力响应、裂纹分形、孔隙演化到能量耗散的多尺度关联模型，从而全面揭示煤岩在动态冲击下的行为特征。

在实验装置方面，研究采用了一种电磁驱动的Hopkinson杆系统，能够精确控制冲击应变率。通过调节输入电压，研究人员可以控制子弹的初始动能和加速度，从而实现对冲击速度的精准调控。此外，研究还引入了气动Hopkinson杆装置，用于验证不同冲击压力下的实验效果，并通过速度计记录子弹的发射速度，以分析不同应变率对CLM性能的影响。

#### 3. 研究方法与实验过程

在实验过程中，CLM样品首先进行真空饱和处理，以确保其在冲击过程中具有足够的水分。随后，通过电磁驱动的Hopkinson杆系统进行动态冲击测试，记录冲击过程中的应力-应变曲线、裂纹扩展路径和能量耗散特征。实验结果表明，随着应变率的增加，CLM的峰值应力显著提高，裂纹的扩展速率加快，裂纹网络的复杂度增加，从而导致能量耗散效率的提升。

在裂纹分形分析方面，研究采用了一种基于盒计数法的图像处理技术，对SEM图像进行二值化处理，以计算裂纹的分形维度（D?）。分形维度能够有效反映裂纹的复杂程度，随着应变率的增加，D?从1.02显著增加至1.32，表明裂纹的扩展路径变得更加复杂，能量耗散的主要机制由微裂纹扩展主导。

在能量耗散分析方面，研究通过能量守恒定律，分析了CLM在冲击过程中的能量吸收、反射和透射特性。实验数据显示，随着应变率的增加，CLM的吸收能量显著增加，而反射能量和透射能量则保持相对稳定。这表明，在动态冲击下，CLM的裂纹网络能够有效地捕获能量，促进能量的内部耗散，从而减少能量的反射和透射。同时，研究还通过SEM图像分析和几何特征参数的计算，对CLM的微裂纹扩展和能量耗散之间的关系进行了定量分析。

#### 4. 实验结果与分析

实验结果表明，CLM在不同应变率下的动态行为具有显著的分阶段特征。在低应变率下，CLM主要表现为弹性变形和裂纹的初始扩展，其应力-应变曲线呈现线性关系，裂纹扩展速度较慢，能量耗散效率较低。随着应变率的增加，CLM进入塑性变形阶段，裂纹开始快速扩展，能量耗散效率提高。在高应变率下，CLM进入损伤阶段，裂纹网络进一步复杂化，能量耗散效率达到峰值。

此外，研究还发现，随着应变率的增加，CLM的孔隙结构发生显著变化。小孔隙在冲击过程中发生塌陷，而中孔和大孔则出现扩展。这种孔隙的演化机制与裂纹的扩展路径密切相关，表明动态冲击不仅促进了裂纹的扩展，还通过孔隙的重新分布增强了材料的渗透性。同时，NMR数据进一步证实了CLM的孔隙演化与应变率之间的线性关系，表明在动态冲击下，CLM的孔隙体积和孔隙连通性均有所增加。

在能量耗散方面，研究发现，CLM在冲击过程中表现出明显的能量耗散效应。随着应变率的增加，吸收能量和耗散能量均呈非线性增长趋势，而反射能量和透射能量则相对稳定。这表明，在动态冲击下，CLM的裂纹网络能够有效地捕获能量，促进能量的内部耗散，从而减少能量的反射和透射。同时，研究还发现，随着裂纹长度的增加，吸收能量的增速加快，而透射能量的增速则减缓，这表明长裂纹对能量的捕获和耗散具有显著影响。

#### 5. 研究结论与意义

通过本次研究，研究人员揭示了CLM在动态冲击下的裂纹演化和能量耗散机制。首先，CLM在动态冲击下表现出脆性裂纹扩展主导的特征，其裂纹传播模式从拉伸破坏向剪切破坏逐步过渡。其次，动态冲击促进了CLM孔隙结构的重组，小孔隙发生塌陷，中孔和大孔则出现扩展，导致孔隙体积和连通性增加，从而提高了材料的渗透性。此外，CLM的裂纹分形维度（D?）随着应变率的增加而显著提升，表明裂纹的扩展路径更加复杂，能量耗散效率提高。

最后，研究发现，动态冲击下的能量耗散主要依赖于裂纹网络的形成。裂纹网络通过反射和界面耗散效应，形成了“能量陷阱”，有效减少了反射能量的利用效率，同时限制了透射能量的传播，从而促进能量向内部损伤的高效转化。这些发现不仅为煤矿灾害的预防和控制提供了理论支持，也为煤岩材料的损伤监测和能量开发过程的优化提供了新的思路。

本研究的意义在于，通过多尺度协同分析方法，揭示了煤岩在动态冲击下的裂纹演化和能量耗散机制，为未来的煤矿开采技术发展提供了理论依据和技术支持。同时，该研究也为其他复杂材料的动态行为研究提供了参考，推动了多尺度观察技术在动态力学分析中的应用。