动及动静组合载荷下煤岩组合体中煤的力学特性试验方法与流程

本发明涉及岩体力学试验方法。

背景技术：

煤是一种含有大量微孔洞、微裂隙的非线性、非连续的复杂力学介质，从岩石分类标准来看，煤属于一种软岩，其力学特性是进行矿井开采设计、工作面设备选型及巷道支护设计等的重要基础参数。大量现场实践表明，煤矿井下开采过程中，巷道失稳、冲击地压及煤与瓦斯突出等灾害事故发生时，通常是煤体最先发生破坏。因此，掌握煤体的力学特性可为研究冲击地压等动力灾害的发生及防治机理奠定基础。

目前，国内外关于煤的物理力学性质，多参考isrm建议方法、《煤和岩石物理力学性质测定方法》、《工程岩体试验方法标准》和《水利水电工程岩石试验规程》等进行室内加载试验，包括单轴压缩试验、三轴压缩试验、卸围压试验、循环加卸载试验、流变试验、动载冲击试验等。室内试验绝大部分采用刚性试验机，能够较准确地描述单纯煤试件的强度特性以及变形破坏演化规律等。

然而，现场工程条件下，煤体均处于一定的围岩环境中，由于煤体与围岩在刚度及内部结构上存在差异，导致煤体的变形破坏不仅与受力大小有关，还受到围岩岩性、煤岩高度比等的影响。因此，有学者提出将单纯的煤试件和岩石试件粘合在一起制作成煤岩组合体试件，对煤岩组合体试件进行加载试验。试验表明，煤岩组合体的变形破坏特征与煤岩单体明显不同，且前者更接近于现场工程煤体的真实变形破坏情况。然而该变形破坏特征是组合体整体的力学特性，仍不能反映煤岩组合条件下煤的真实力学特性。

与单纯煤试件及组合体试件的力学特性相比，若能获得煤在一定围岩环境下的力学特性，将能更好的指导现场工程实践，对揭示工程煤体的真实破坏机制意义重大。另外，受工作面开采扰动、顶板断裂及人工爆破等的影响，现场工程煤体受力环境复杂多变，研究动载荷及动静组合载荷条件下煤岩组合体中煤的力学特性是十分必要的。

中南大学李夕兵等改进的shpb试验装置，可进行岩石试件的动载试验，是获取材料动态力学性能的主要手段之一，可较准确地获得岩石材料在应变率为10～10⁴/s的动力特性。该试验装置由高压气罐、发射腔、冲头、入射杆、透射杆、吸收杆、缓冲器、应变片、应变仪、示波器、计时器、数据采集处理系统、轴压系统及围压系统等构成。入射杆、透射杆、吸收杆等杆件采用40cr合金钢，密度为7.81g/cm³，弹性波速为5410m/s，杆件直径均为50mm，入射杆和透射杆的长度分别为2.00m和1.50m。试验装置系统能完成轴向静压0～200mpa、围压0-200mpa的各类动静组合加卸载试验，最大冲击载荷为500mpa。冲头采用双端锥形结构，最大直径为50mm，能够消除p-c振荡，实现稳定的半正弦波(加载波上升段稳定在100μs左右)加载，试样应变率为1-10³/s。因此，发明人意图利用该装置来研究动载荷及动静组合载荷下煤岩组合体中煤的力学特性。

技术实现要素：

为了研究煤在一定围岩环境下的力学特性，指导现场工程实践，本发明利用shpb试验装置，提出一种动及动静组合载荷下煤岩组合体中煤的力学特性试验方法。通过该方法不但得到待测煤在各种围岩环境下的力学特性和变形破坏演化规律等，更好的指导现场工程实践，而且对揭示工程煤体的真实破坏机制也具有重要指导意义。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种动及动静组合载荷下煤岩组合体中煤的力学特性试验方法，其特征在于，它是在shpb试验系统上进行的，步骤如下：

第一步，试件制备

将待测煤试样和各种岩石试样分别加工成圆柱形单体试件若干，要求单体试件的高度与直径之比一般为0.5；将煤单体试件与各种岩石单体试件分别进行组合形成煤-岩两体组合试件和岩-煤-岩三体组合试件；在煤试件与岩石试件的界面处粘贴一个pvdf压力传感器，每个岩石试件的周表面均匀粘贴三个应变片；

上述pvdf压力传感器优选jyc3020型pvdf压力传感器；

上述应变片优选栅长小于10mm的b×120-2aa型应变片

第二步，对pvdf压力传感器进行动态标定，获得其灵敏度系数，即为pvdf压力传感器电荷量与应力的定量关系；动态标定方法如下：

在pvdf压力传感器上并联一个电阻r，再连接至示波器，然后将pvdf压力传感器夹持于shpb试验系统的入射杆和透射杆之间，采用0.35-0.5mpa不同的冲击气压对传感器进行冲击试验；每次冲击过程中，示波器能实时记录pvdf压力传感器产生的电压信号v(t)，通过积分式即可获得各次冲击时pvdf压力传感器上的累计电荷量q(t)；冲击过程中，pvdf压力传感器所测得的应力变化σ(t)，可根据透射杆上的应变变化εt，按公式σ(t)＝eεt进行计算；经过多次不同冲击应力试验后，取各次冲击时电荷量q(t)的最大值及应力σ(t)的最大值；根据已知的pvdf传感器敏感层面积ap，即可绘制一系列数据点(ap*σi,qi)，采用过原点的直线对其进行拟合，该直线斜率k即为pvdf压力传感器的灵敏度系数；

上述公式σ(t)＝eεt中，e是入射杆和透射杆的弹性模量，单位mpa；

第三步，对煤岩组合体试件进行加载试验

1、将各种煤岩组合体试件依次夹持于shpb试验系统的入射杆和透射杆之间，煤岩界面处的pvdf压力传感器并联一个电阻r，再连接至示波器，入射杆、透射杆及岩石试件周表面粘贴的应变片信号线分别连接至超动态应变仪输入口，超动态应变仪输出口再连接至示波器上；

2、采用shpb试验系统的压力调节器，对入射杆和透射杆夹持的煤岩组合体试件施加预定的静载荷，然后对煤岩组合体试件进行动载冲击；或者不施加静载荷，直接对煤岩组合体试件进行动载冲击；

3、冲击过程中，示波器实时记录入射杆的入射波信号εi、入射杆的反射波信号εr、透射杆的透射波信号εt和岩石周表面应变片上的应变信号εr，以及pvdf压力传感器的电压信号v(t)；

第四步：煤岩组合体试件中煤试件的应力σc计算

动载荷作用时，煤岩组合体中煤试件的应力分布不均匀，可根据煤试件两端面处的应力求平均值进行计算；计算分两种情况：

第一种情况：对于煤-岩两体组合试件，可根据煤试件两端面处入射杆和透射杆的脉冲信号以及pvdf压力传感器测得的压力信号进行计算，

当煤岩组合体试件中煤试件朝向透射杆时，公式为：

当煤岩组合体试件中煤试件朝向入射杆时，公式为：

其中，

式中：

σc——煤岩组合体试件中煤试件的应力，单位mpa；

a——入射杆或透射杆横截面积，单位mm²；

as——煤岩组合体横截面积，单位mm²；

第二种情况：对于岩-煤-岩三体组合试件，可根据煤试件两端面pvdf压力传感器测得的压力信号进行计算，公式为：

式中：

σ左pvdf、σ右pvdf——分别为煤岩组合体试件中煤试件两端面pvdf压力传感器测得的压力信号，按公式(3)计算，单位mpa；

第五步，煤岩组合体试件中煤试件的应变计算

由于煤岩组合体中煤试件通常发生严重破坏，其应变无法直接进行监测，所以将冲击过程中入射杆与透射杆上的波形信号进行适当的处理，即可获得煤岩组合体试件整体的变形量△l，处理公式为：

式中：

c0——入射杆或透射杆的弹性波波速，单位m/s；

t0——入射波作用时间，单位s。

通过煤岩组合体试件中岩石试件周表面的应变片，可实时监测岩石的应变变化εr，结合煤岩组合体试件整体变形量△l，即可反推煤试件的应变变化εc，公式为

式中：

lri——煤岩组合体试件中第i岩石试件的初始高度，单位mm；

lc——煤岩组合体试件中煤试件的初始高度，单位mm。

第六步，获得煤岩组合体试件中煤试件的动态抗压强度和弹性模量

根据上述获得的煤岩组合体试件中煤试件的应力和应变变化，即可获得动静组合载荷作用下或者动载荷作用下煤岩组合体试件中煤试件的应力应变曲线，通过分析应力应变曲线可获得煤试件的动态抗压强度和弹性模量；重复上述步骤3～5，对同类煤岩组合体试件最少进行三次加载试验，每次试验得到一个煤试件的应力-应变曲线，根据应力-应变曲线得到煤试件的动态抗压强度和弹性模量，多次试验的动态抗压强度和弹性模量的平均值即为煤岩组合体试件中煤试件的动态抗压强度和弹性模量。

本发明积极效果是：

1、本发明利用shpb试验装置，再通过粘贴应变片的方法反推获得动载作用下煤岩组合体中煤的应变变化情况，克服了不能直接监测组合体中煤应变的难题；由于应变片栅长对动态应变测量精度影响较大，本发明采用栅长小于10mm的b×120-2aa型应变片，敏感部分尺寸为2mm×1mm，电阻为120±0.2ω，具有温度自补偿，能较好地满足shpb冲击试验中应变测量的要求。

2、本发明利用shpb试验装置，并通过在煤岩界面处粘贴pvdf压力传感器的方法，给出了动载荷下煤岩组合体中煤的应力变化计算方法，克服了动载荷下组合体中煤的应力分布不均匀导致应力获取困难的难题；采用的pvdf压力传感器，是一种聚偏氟乙烯薄膜压电传感器，具有压电系数大、频响宽、声阻抗易于匹配、机械强度大、质量轻和耐冲击的特点，厚度非常小，仅为30μm左右，感应区为30mm×20mm，压电常数为21±1pc/n，可安置在被测材料的内部，能有效测量材料内部的动态应力变化。

3、长期以来，本领域技术人员在面临研究岩石力学特性时，都是采用在待测的岩石表面贴应变片然后在加载系统上进行测试，久而久之，本领域技术人员便形成了固有思维，觉得想测哪种岩石的应变就在该种岩石上贴应变片，可是由于煤是一种含有大量微孔洞、微裂隙的非线性、非连续的复杂力学介质，是一种软岩，容易压碎，即便在煤岩上贴应变片，也无法准确测出，这使得本领域技术人员觉得想准确测量煤的应变是不可能的。本发明打破传统思维，借用现有的煤岩组合体试件，从不容易压碎的岩石下手，利用shpb试验装置，再通过粘贴应变片的方法反推获得动载作用下煤岩组合体中煤的应变变化情况，克服了不能直接监测组合体中煤应变的难题，并通过在煤岩界面处粘贴pvdf压力传感器的方法，给出了动载荷下煤岩组合体中煤的应力变化计算方法，解决了本领域技术人员想解决却一直无法解决的技术问题，不但得到煤在一定围岩环境下的力学特性，还能更好的指导现场工程实践，对揭示工程煤体的真实破坏机制具有重大指导意义。

附图说明

图1a是煤-岩两体组合试件的示意图；

图1b是岩-煤-岩三体组合试件的示意图；

图2a是pvdf压力传感器连接电路示意图；

图2b是应变片连接示意图；

图3是pvdf传感器动态标定试验示意图；

图4是煤岩组合体动静组合加载试验示意图；

图5(a)、(b)、(c)、(d)四个波形图分别是在0.35、0.4、0.45、0.5mpa的冲击气压下透射杆应变片及pvdf压力传感器的监测结果；

图6(a)、(b)、(c)、(d)四个波形图分别是在0.35、0.4、0.45、0.5mpa的冲击气压下透射波获得的应力及pvdf传感器获得的电荷量变化；

图7是pvdf传感器动态标定曲线图；

图8是中砂岩-煤组合体中煤的应力应变曲线图，图中示出了同类组合试件三次试验的曲线；

图9是实施例中煤-岩两体组合试件加载时煤与透射杆和入射杆的位置关系图。

图例说明：1-岩石单体试件，2-煤单体试件，3-pvdf压力传感器，4-第一应变片，5-shpb试验系统，6-入射杆，7-第二应变片，8-煤岩组合体试件，9-第三应变片，10-透射杆，11-压力调节器，12-压力表，13-超动态应变仪，14-示波器，15-计时器，16-冲击装置，17-静载装置。

具体实施方式

下面结合附图，进一步说明本发明的动及动静组合载荷下煤岩组合体中煤的力学特性试验方法。实施例中以纯动载荷下煤岩组合体中煤的力学特性试验方法为例说明。

第一步，试件制备

取山东新河矿业有限公司3#煤层及其顶板中砂岩试样，将煤试样和岩试样分别加工成圆柱形煤单体试件2和岩石单体试件1若干，单体试件直径为50mm，高度为25mm；将煤单体试件2与岩石单体试件1进行组合，采用ab强力胶将其粘贴形成煤岩组合体试件8，煤-岩组合体试件8有如图1所示的煤-岩两体组合试件和如图2所示的岩-煤-岩三体组合试件两种；要求在煤、岩的界面处粘贴一个jyc3020型pvdf压力传感器3，岩石周表面均匀粘贴三个第一应变片4，要求第一应变片4为栅长小于10mm的b×120-2aa型应变片，如图1和图2所示。

第二步，对pvdf压力传感器3进行动态标定，获得其灵敏度系数，即为pvdf压力传感器电荷量与应力的定量关系；动态标定方法如下：

在pvdf压力传感器3上并联一个电阻r，再连接至示波器14，然后将pvdf压力传感器3夹持于shpb试验系统5的入射杆6和透射杆10之间，通过冲击装置16采用0.35-0.5mpa不同的冲击气压对pvdf压力传感器3进行10次冲击试验；每次冲击过程中，采用示波器14实时记录pvdf压力传感器3产生的电压信号v(t)，通过积分式即可获得各次冲击时pvdf压力传感器3上的累计电荷量变化q(t)，电压信号v(t)如图5所示的(a)、(b)、(c)、(d)四个波形图，它们分别表示0.35、0.4、0.45、0.5mpa的冲击波形；另外，示波器14还实时记录pvdf压力传感器3所测得的应力变化σ(t)，根据透射杆10上的应变变化εt，按公式σ(t)＝eεt(e是入射杆6和透射杆10的弹性模量)进行计算，得到pvdf压力传感器3电荷量与应力变化图。如图6所示的(a)、(b)、(c)、(d)四个波形图分别代表0.35、0.4、0.45、0.5mpa的pvdf压力传感器3电荷量与应力变化图。

10次不同冲击应力试验后，取各次冲击时电荷量q(t)的最大值及应力σ(t)的最大值；根据已知的pvdf压力传感器3敏感层面积ap，即可绘制一系列数据点(ap*σi,qi)，采用过原点的直线对其进行拟合，得到pvdf压力传感器3动态标定曲线图，图中直线斜率k即为pvdf压力传感器3的灵敏度系数，如图7所示，斜率k＝20.614pc/n。

第三步，煤岩组合体试件8动载荷加载试验

1.如图4所示，将第一步制备的各个煤岩组合体试件8依次夹持于shpb试验系统5的入射杆6和透射杆10之间，(见图9)，煤岩界面处的pvdf压力传感器3并联一个电阻r，再连接至示波器14，入射杆6上的第二应变片7、透射杆10上的第三应变片9及煤岩组合体试件周面的三个第一应变片4上的信号线分别连接至超动态应变仪13输入口，超动态应变仪13输出口再连接至示波器14上；

2、采用shpb试验系统5通过冲击装置16以0.35mpa冲击气压对煤岩组合体试件8进行动载冲击；冲击过程中，示波器14实时记录入射杆6的入射波信号εi、入射杆6的反射波信号εr、透射杆10的透射波信号εt和岩石周表面三个第一应变片4上的应变信号εr，，以及pvdf压力传感器3的电压信号v(t)；shpb试验系统5的计时器15同时记录入射波冲击时间。

第四步，煤岩组合体试件8中煤试件的应力计算

对于煤-岩两体组合试件，可根据煤两端面处入射杆和透射杆的脉冲信号以及pvdf压力传感器测得的压力信号进行计算，由于实施例中煤单体试件2朝向透射杆10，所以煤岩组合体试件8中煤的应力公式为：

其中，

式中：

ap——pvdf压力传感器敏感层面积，实施例取值为600mm²；

r——pvdf压力传感器上并联电阻的阻值，实施例取值为80ω；

a——入射杆或透射杆横截面积，实施例取值为7853.97mm²；

as——煤岩组合体横截面积，实施例取值为7853.97mm²；

第五步，煤岩组合体试件8中煤试件的应变εc计算

由于煤岩组合体试件8中煤通常发生严重破坏，其应变无法直接进行监测，所以将冲击过程中入射杆6与透射杆7上的波形信号进行适当的处理，即可获得煤岩组合体试件8整体的变形量△l，处理公式为：

式中：

c0——入射杆或透射杆的弹性波波速，二者相等，实施例取值为5410m/s；

t0——入射波作用时间，由计时器15获得。

煤岩组合体试件8中岩石周表面的三个第一应变片4，可实时监测岩石的应变变化εr，结合整体变形量，即可反推煤的应变变化εc，公式为：

式中：

lri——煤岩组合体试件中第i岩石的初始高度，实施例取值为25mm；

lc——煤岩组合体试件中煤的初始高度，实施例取值为25mm。

第六步，根据上述获得的煤岩组合体试件8中煤的应力和应变变化，即可获得动载荷作用下煤岩组合体试件8中煤的应力应变曲线，重复上述3-6步骤，对同类煤岩组合体试件8进行三次加载试验，每次试验得到一个煤试件的应力-应变曲线(见图8所示的三条曲线)，根据应力-应变曲线得到煤试件的抗压强度和弹性模量，多次试验的抗压强度和弹性模量的平均值即为煤岩组合体试件8中煤试件的抗压强度和弹性模量。

由图8可知，实施例在中等应变率条件下，中砂岩-煤组合体中煤的动态抗压强度约为24.5mpa，动态弹性模量约为2.55gpa。

上述实施例是以动载荷为例，实际中，当采用动静组合载荷时(见图4)，需要启动shpb试验系统5的静载装置17，调节静载装置17的压力调节器11符合预定的静静载，对入射杆6和透射杆10夹持的煤岩组合体试件8施加预定的静载荷，静载荷大小由压力调节器11上的压力表12显示；施加静载荷后，对示波器14记录的压力和应变信号清零；通过冲击装置16以0.35mpa冲击气压对煤岩组合体试件8进行动载冲击。

上述实施例中煤岩组合体试件8夹持于shpb试验系统5的入射杆6和透射杆10之间时，其中的煤试件朝向透射杆10，实际中煤试件也可以朝向入射杆6，此时，煤的应力计算采用公式