CN107328643B - 静载荷下煤岩组合体试件中煤的力学特性试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种静载荷下煤岩组合体试件中煤的力学特性试验方法，它借用现有的煤岩组合体试件，从不容易压碎的岩石下手，在岩石上贴应变片，准确测得岩石和整体的应力应变，然后根据煤岩组合体试件中煤与岩石的串联关系，煤、岩石与组合体整体的应力相等，以及煤与岩石的轴向变形量之和等于组合体整体的轴向变形量机理，利用准确测得岩石和整体的应力应变结果，反推出组合体中煤的应力应变计算公式，获得煤的真实应变变化，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，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具有重要指导意义。

Description

静载荷下煤岩组合体试件中煤的力学特性试验方法

技术领域

本发明涉及岩石力学试验方法。

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(强度和弹性模量等)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，例如电子万能试验机之类的静载试验加载系统，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，煤均处于一定的围岩环境中，由于煤与围岩在刚度及内部结构上存在差异，导致煤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。所以，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，这种煤岩组合体试件要么由一个煤试件和一个岩石试件组合在一起，要么由一个煤试件和黏贴在煤试件上下面的两个岩石试件组合在一起，将煤岩组合体试件在电子万能试验机之类的试验加载系统上进行试验。试验表明，煤岩组合体试件的变形破坏特征与煤、岩单体明显不同，其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。与岩石相比，煤的刚度和强度通常较小，导致煤岩组合体试件在受载过程中，煤和岩石的变形破坏规律明显不同，通常是煤发生破坏，岩石则能保持弹性。

与单纯煤试件力学特性及组合体试件的整体力学特性相比，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更加重大。

发明内容

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，本发明提出一种静载荷下煤岩组合体试件中煤的力学特性试验方法，通过该方法不但得到待测煤的力学特性和变形破坏演化规律等，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：

一种静载荷下煤岩组合体试件中煤的力学特性试验方法，包括：

第一步：制作煤岩组合体试件，要求煤岩组合体试件中岩石试件的应变是均匀变化的，在制备好的煤岩组合体试件的每个岩石试件周圈均匀粘贴上多个应变片，然后将煤岩组合体试件安装在静载试验加载系统上，将所有应变片连接在应变仪上；

所述的煤岩组合体试件由1个煤试件和i个岩石试件组成，i＝1或2；

所述的应变片优选采用1000Ω高精度应变片，应变仪优选采用DH3815N静态应变测试系统；

第二步：启动静载试验加载系统，对煤岩组合体试件进行加载试验，在加载过程中，通过试验系统获得煤岩组合体试件整体的应力和应变变化；通过应变仪获得煤岩组合体试件中各岩石试件的应变变化，每个岩石试件的多个应变片测得应变求平均即为该岩石试件的平均应变；

第三步：计算煤岩组合体试件中煤试件的应力和应变

由于煤岩组合体试件中煤试件与岩石试件是串联关系，所以煤试件、岩石试件与煤岩组合体整体的应力相等，煤试件与岩石试件的轴向变形量之和等于煤岩组合体试件整体的轴向变形量，则煤岩组合体试件加载过程中煤试件的应力为：

σ_C＝σ_Ri＝σ_w (1)

式中σ_C——煤岩组合体试件中煤试件的应力，Pa；

σ_Ri——煤岩组合体试件中第i个岩石试件的应力，Pa；

σ_w——煤岩组合体试件整体的应力，Pa；

根据煤岩组合体试件加载过程中各岩石试件的应变变化，再结合煤岩组合体试件整体的变形情况，即可反推煤岩组合体试件中煤的应变变化，反推公式如下：

式中ε_C——煤岩组合体试件中煤试件的应变；

△L——煤岩组合体试件的整体变形量，mm；

ε_Ri——煤岩组合体试件中第i个岩石试件的应变；

L_Ri——煤岩组合体试件中第i个岩石试件的高度，mm；

L_C——煤岩组合体试件中煤试件的高度，mm；

第四步：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，即可获得煤岩组合体试件中煤试件的应力应变曲线；重复上述1-3步骤，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，每个应力-应变曲线可以求得一个抗压强度值和一个弹性模量值，多次试验获得的抗压强度和弹性模量分别求平均值，即为煤岩组合体试件中煤试件的抗压强度和弹性模量。

岩石变形均匀性是采用应变片准确监测其应变变化的基础，变形均匀性越差，监测误差越大。煤岩组合体加载过程中岩石部分的微破裂发育情况，直接影响岩石变形的均匀性，将决定上述试验方法的误差大小。

为了确保煤岩组合体试件中岩石试件的应变是均匀变化的，发明还提供一种对岩石试件加载过程中的微破裂发育情况进行监测从而判定煤岩组合体中岩石试件应变的均匀性的方法，具体步骤如下：

第一步：将煤岩组合体试件安装在静载试验系统上进行加载，获得组合体整体的抗压强度R_C；

第二步：对上述煤岩组合体试件，分两种情况进行考虑，第一种情况：煤岩组合体试件中有一个岩石试件或含有两个岩性相同的岩石试件，此时取相应岩性的岩石单体试件，安装在静载试验系统上进行加载，并在试件四周对应方向布置四个声发射传感器，四个声发射传感器连接在PCI-2声发射系统上；在加载过程中PCI-2声发射系统同步接收声发射信号，获得声发射能量和累计数量变化情况；

第二种情况：煤岩组合体试件中只含有两个岩性不同的岩石试件，此时分别取对应岩性的两个岩石单体试件，按第一种情况相同的方法，分别获得两种岩石单体试件加载过程中的声发射能量和累计数量变化情况；

第三步：根据岩石单体试件加载过程中的声发射能量和累计数量变化，分析岩石内微破裂发育扩展规律，推测煤岩组合体加载过程中岩石变形的均匀性，当满足下列条件时，说明岩石变形的均匀性较好，制作的岩石可以使用；

当上述条件不满足时，说明此类岩石变形均匀性差，岩石需要重新制作；

式中R_C——煤岩组合体整体的抗压强度；

U_max(0,R_C)——岩石单体试件加载至R_C过程中声发射的最大能量；

U_max——岩石单体试件加载至破坏过程中声发射的最大能量；

q_c——岩石单体试件加载至R_C过程中声发射的累计数量；

q_z——岩石单体试件加载至破坏过程中声发射的累计数量。

本发明的积极效果：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，在岩石上贴应变片，准确测得岩石和整体的应力应变，然后根据煤岩组合体试件中煤与岩石的串联关系，煤、岩石与组合体整体的应力相等，以及煤与岩石的轴向变形量之和等于组合体整体的轴向变形量机理，利用准确测得岩石和整体的应力应变结果，反推出组合体中煤的应力应变计算公式，获得煤的真实应变变化，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，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具有重要指导意义。

附图说明

图1是双体煤岩组合体试件的立体示意图；

图2是三体煤岩组合体试件的立体示意图；

图3是实施例中中砂-煤组合体试件整体的应力-应变曲线；

图4是实施例中中砂岩试件加载过程中声发射信号变化；

图5是实施例中中砂-煤组合体试件中煤试件的应力-应变曲线。

图中：1-第一岩石试件，2-煤试件，3-第二岩石试件，4-应变片。

具体实施方式

下面以山东新河矿业有限公司3#煤层为例进一步说明，该煤层的顶板为中砂岩，底板为粗砂岩，试验步骤如下：

第一步：制作岩石单体试件及煤岩组合体试件，将取自现场的煤与岩石进行钻取切割，加工成直径50mm的圆柱体，中砂岩和粗砂岩高度为33.3mm、50mm和100mm三种，煤的高度为33.3mm和50mm两种。分别将岩石和煤进行组合，煤岩界面处采用AB强力胶进行粘贴，加工成煤岩组合体试件。试件制作结果见表1。

表中共有两类岩石单体试件和三类煤岩组合体试件，分别为中砂岩试件、粗砂岩试件、中砂-煤组合体试件、粗砂-煤组合体试件和中砂-煤-粗砂组合体试件，每类试件加工3个；其中，中砂-煤组合体试件和粗砂-煤组合体试件的立体示意图见图1，中砂-煤-粗砂组合体试件的立体示意图见图2。

表1

为了便于叙述，下面以中砂-煤组合体试件为例继续叙述试验过程。

在中砂-煤组合体试件的第一岩石试件1周圈均匀粘贴上三个1000Ω高精度的应变片4，然后将试件安装在在静载试验加载系统上，并将三个应变片4连接在应变仪上；将中砂岩单体试件安装在静载试验加载系统上，并在试件四周对应方向布置四个声发射传感器，四个声发射传感器连接在PCI-2声发射系统上。

第二步：首先启动静载试验加载系统，对中砂-煤组合体试件进行加载试验，在加载过程中，通过试验系统获得中砂-煤组合体试件整体的应力应变曲线(见图3)，即可求得中砂-煤组合体整体的抗压强度R_C，约为23.5MPa；通过应变仪获得第一岩石试件1三个应变片4测得的应变，三个应变片4测得应变求平均即为第一岩石试件1的平均应变；

然后对中砂岩单体试件进行加载，在加载过程中采用PCI-2声发射系统同步接收声发射信号，获得加载过程中声发射能量、累计数量变化情况(见图4)，

根据下列公式判定可知，中砂岩单体试件加载至23.5MPa过程中，其内部微裂隙发育程度较低，变形均匀性好；

式中：

U_max(0,R_C)——中砂岩加载至23.5MPa过程中声发射的最大能量，4.83e3；

U_max——中砂岩加载至破坏过程中声发射的最大能量，4.93e4；

q_c——中砂岩加载至23.5MPa过程中声发射的累计数量，2.42e4；

q_z——中砂岩加载至破坏过程中声发射的累计数量，5.9e5。

第三步：反推中砂-煤组合体试件中煤试件2的应力和应变

由于煤岩组合体试件中煤试件2与第一岩石试件1是串联关系，所以煤试件2、第一岩石试件1与煤岩组合体整体的应力相等，煤试件2与第一岩石试件1的轴向变形量之和等于煤岩组合体整体的轴向变形量，则中砂-煤组合体试件加载过程中煤试件2的应力为：

σ_C＝σ_Ri＝σ_w

式中σ_C——中砂-煤组合体试件中煤的应力，Pa；

σ_Ri——中砂-煤组合体试件中第一岩石试件的应力，Pa；

σ_w——中砂-煤组合体试件整体的应力，Pa；

根据中砂-煤组合体试件加载过程中第一岩石试件1的平均应变，再结合组合体试件整体的变形情况，即可反推中砂-煤组合体试件中煤试件2的应变，反推公式如下：

式中ε_C——中砂-煤组合体试件中煤的应变；

△L——中砂-煤组合体试件整体变形量，mm；

ε_Ri——中砂-煤组合体试件中第一岩石试件的平均应变；

L_Ri——中砂-煤组合体试件中第一岩石试件的高度，mm；

L_C——中砂-煤组合体试件中煤的高度，mm。

第四步：根据上述获得的中砂-煤组合体试件中煤试件2的应力和应变变化，即可获得中砂-煤组合体试件中煤试件的应力应变曲线；重复上述1-3步骤，对中砂-煤组合体试件再进行两次加载试验，共得到三个应力-应变曲线，见图5。每次试验得到一个煤试件的应力-应变曲线，每个应力-应变曲线可以求得一个抗压强度值和一个弹性模量值，三次试验获得的抗压强度和弹性模量分别求平均值，即为煤岩组合体试件中煤试件的抗压强度和弹性模量。

同理，可对其余类煤岩组合体试件进行加载试验。

Claims (3)

1.一种静载荷下煤岩组合体试件中煤的力学特性试验方法，其特征在于，包括：

第一步：制作煤岩组合体试件，要求煤岩组合体试件中岩石试件的应变是均匀变化的，在制备好的煤岩组合体试件的每个岩石试件周圈均匀粘贴上多个应变片，然后将煤岩组合体试件安装在静载试验加载系统上，将所有应变片连接在应变仪上；

所述的煤岩组合体试件由1个煤试件和i个岩石试件组成，i＝1或2；

第二步：启动静载试验加载系统，对煤岩组合体试件进行加载试验，在加载过程中，通过试验系统获得煤岩组合体试件整体的应力和应变变化；通过应变仪获得煤岩组合体试件中各岩石试件的应变变化，每个岩石试件的多个应变片测得应变求平均即为该岩石试件的平均应变；

第三步：计算煤岩组合体试件中煤试件的应力和应变，

由于煤岩组合体试件中煤试件与岩石试件是串联关系，所以煤试件、岩石试件与煤岩组合体整体的应力相等，煤试件与岩石试件的轴向变形量之和等于煤岩组合体试件整体的轴向变形量，则煤岩组合体试件加载过程中煤试件的应力为：

σ_C＝σ_Ri＝σ_w (1)

式中σ_C——煤岩组合体试件中煤试件的应力，Pa；

σ_Ri——煤岩组合体试件中第i个岩石试件的应力，Pa；

σ_w——煤岩组合体试件整体的应力，Pa；

根据煤岩组合体试件加载过程中各岩石试件的应变变化，再结合煤岩组合体试件整体的变形情况，即可反推煤岩组合体试件中煤的应变变化，反推公式如下：

式中ε_C——煤岩组合体试件中煤试件的应变；

ΔL——煤岩组合体试件的整体变形量，mm；

ε_Ri——煤岩组合体试件中第i个岩石试件的应变；

L_Ri——煤岩组合体试件中第i个岩石试件的高度，mm；

L_C——煤岩组合体试件中煤试件的高度，mm；

第四步：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，即可获得煤岩组合体试件中煤试件的应力应变曲线；重复上述1-3步骤，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，每个应力-应变曲线可以求得一个抗压强度值和一个弹性模量值，多次试验获得的抗压强度和弹性模量分别求平均值，即为煤岩组合体试件中煤试件的抗压强度和弹性模量。

2.如权利要求1所述的静载荷下煤岩组合体试件中煤的力学特性试验方法，其特征在于，所述的应变片采用1000Ω高精度应变片，应变仪采用DH3815N静态应变测试系统。

3.一种监测和判定权利要求1所述的煤岩组合体试件中岩石试件应变均匀变化的方法，其特征在于，

第一步：将煤岩组合体试件安装在静载试验系统上进行加载，获得组合体整体的抗压强度R_C；

第二步：对上述煤岩组合体试件，分两种情况进行考虑，第一种情况：煤岩组合体试件中只含有一个岩石试件或含有两个岩性相同的岩石试件，此时取相应岩性的岩石单体试件，安装在静载试验系统上进行加载，并在试件四周对应方向布置四个声发射传感器，四个声发射传感器连接在PCI-2声发射系统上；在加载过程中PCI-2声发射系统同步接收声发射信号，获得声发射能量和累计数量变化情况；

第二种情况：煤岩组合体试件中只含有两个岩性不同的岩石试件，此时分别取对应岩性的两个岩石单体试件，按第一种情况相同的方法，分别获得两种岩石单体试件加载过程中的声发射能量和累计数量变化情况；

第三步：根据岩石单体试件加载过程中的声发射能量和累计数量变化，分析岩石内微破裂发育扩展规律，推测煤岩组合体加载过程中岩石变形的均匀性，当满足下列条件时，说明岩石变形的均匀性较好，制作的岩石可以使用；

当上述条件不满足时，说明此类岩石变形均匀性差，岩石需要重新制作；式中R_C——煤岩组合体整体的抗压强度；

U_max(0,R_C)——岩石单体试件加载至R_C过程中声发射的最大能量；

U_max——岩石单体试件加载至破坏过程中声发射的最大能量；

q_c——岩石单体试件加载至R_C过程中声发射的累计数量；

q_z——岩石单体试件加载至破坏过程中声发射的累计数量。