基于3D扫描的深部砂岩动态破碎块体尺度特征与能量耗散规律试验研究

在不同的冲击荷载下，岩石会破碎成不同尺寸的块体或颗粒。为了对动态荷载下岩石的吸能特性和动态破碎块体的尺度特征进行定量研究，采用分离式霍普金森压杆系统(SHPB)对煤矿深部砂岩进行了动态压缩试验。得到了不同冲击荷载下岩石试件的动态压缩强度规律，分析了入射能对试件吸收能的影响和应变率效应。在此基础上，利用3D扫描技术、数字图像处理技术得到破碎块体的三维扫描模型，探讨了砂岩试件破碎块体尺度特征与吸收能量的关系。研究表明：砂岩试件的动态抗压强度和吸收能都具有明显的应变率效应，动态抗压强度和动态应变率近似呈线性关系，而吸收能则呈指数型关系；在不同的入射能量下，试件吸收的能量有所不同，吸收能随入射能呈线性增长；在应变率为54～221.9s^-1范围内，3D扫描技术能对砂岩破裂块体进行高精度数字重构；随着冲击荷载和输入能量的增大，试件破碎块体的形状逐渐丰富，破碎块体的粒径逐渐减小，比表面积逐渐增大，试件的破碎形态由大块体破断向小块体破碎转变。砂岩材料的破碎成形和能量耗散是材料的率效应机制。