CN108760504A - 一种煤岩微观尺度力学测试方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤岩微观尺度力学测试方法，包括1)根据材料选择加载条件；2)记录压头在煤岩表面上加载和卸载过程中的载荷和位移值，并由此得到载荷‑压痕深度曲线；3)根据记录的曲线和拟合的函数，运用压痕计算公式得到煤岩材料的弹性模量E值和压入硬度H；4)依据压痕过程中的功和能量的对应关系，计算弹性能量常数νE，其值的大小体现了煤岩体弹塑性能的强弱，从而间接评价煤岩体发生冲击失稳可能性。一种煤岩微观尺度力学测试装置，包括压痕测量模块，信号变换模块，微型处理模块，记录存储模块，屏幕显示模块，操作控制模块和测量校准模块。本发明方法简单，结构紧凑合理，将纳米/微米压痕技术应用于煤岩的微观尺度研究。
Description
技术领域
本发明涉及煤岩材料在微观尺度实验条件下的力学参数测量技术领域，尤其涉及一种煤岩微观尺度力学测试方法及装置。
背景技术
目前对煤岩的力学性质研究主要集中在宏观尺度，获取力学参数时需要从原地质条件中取样，然后在实验室进行单轴或者其他力学测试实验，普遍存在着取样难度大、取样过程将破坏原煤岩结构、忽略原地质条件的影响因素等问题；在以研究煤岩材料的微观断裂和破坏过程为实验目的的数值模拟中，力学参数都是以宏观实验为基础测量得出的，但因宏观实验所得数据的不精确，往往对数值模拟结果的真实性有一定的影响。
在对煤矿典型动力灾害之一—冲击地压事故的研究过程中，冲击倾向性指标作为评价煤岩发生冲击失稳可能性大小的重要标准，显得非常重要，但是评价指标的获取同样常常由宏观实验测量得出而且各指标之间可能会存在一定的矛盾，影响最终的评价结果。
宏观尺度实验条件下对煤岩材料力学参数的测量具有相当程度的局限性，而以往由于技术和仪器设备的限制，在获取煤岩微观尺度上的力学性质时也有一定的难度，基于上述现状，迫切需要提出一种煤岩微观尺度力学测试方法及装置解决上述问题。
发明内容
为解决上述技术难题，本发明提供了一种煤岩微观尺度力学测试方法及装置，能够直接在原地质环境中测量煤岩体的弹性模量和压痕硬度，并通过计算弹性能量常数间接评价煤岩发生冲击失稳的可能性。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种煤岩微观尺度力学测试方法，所述方法包括：
(1)根据测试材料的需要选择载荷或者位移加载控制方式，设定加卸载速率、最大载荷或者最大压痕深度；
(2)选取煤岩体的一处平整表面，进行抛光处理直到满足测试要求，然后将测试装置的前端垫板紧贴在测试面上，压头垂直于测试面，以设定的速率开始加载和卸载时，记录压头在接触煤岩表面时的载荷和压痕深度值；
(3)对记录到的载荷-压痕深度曲线进行拟合得函数表达式，依据力学相关理论和知识方法，结合曲线计算最大压痕深度处煤岩的刚度值S，煤岩材料的弹性模量E，煤岩的压痕硬度值H；
(4)根据压头加卸载过程中对煤岩做功和能量之间的关系计算反应煤岩材料弹塑性能强弱的参数弹性能量常数νE，对比不同煤层和矿井的弹性能量常数值间接评价煤岩发生冲击失稳的可能性大小。
第二方面，本发明提供了一种煤岩微观尺度力学测试装置，所述装置包括：
压痕测试模块、信息变换模块、微型处理模块、记录存储模块、屏幕显示模块、操作控制模块和测量校准模块。
优选地，所述压痕测量模块，由纳米/微米压痕测试仪构成，用于测量压头和煤岩表面接触过程中产生的载荷和位移变化，将模拟信号记录下来。
优选地，所述信息变换模块，由模/数变换设备组成，用于将接受到的模拟电信号变换成数字信号。
优选地，所述微型处理模块，由单片微型处理器组成，用于对变换后的数字信号进行处理，还可以用于对控制信号的处理，并作用于压痕测试装置。
优选地，所述记录存储模块，由分级存储器和读取装置组成，用于对信号和数据的存储保留和拷贝。
优选地，所述屏幕显示模块，主要由显示屏幕组成，用于对控制信息、计算处理后数据信号、图像的直观显示。
优选地，所述操作控制模块，由控制键盘、扳机、控制电路板组成，用于对整个压痕测试过程的控制。
优选地，所述测量校准模块，由调整旋钮和内部调节装置组成，用于测试开始前对测试仪器的校准和检查。
优选地，所述压痕测试模块的压头与测试装置前端垫板垂直。
本发明相较于现有技术的有益效果是：
本发明所述及的一种煤岩微观尺度力学测试方法及装置，方法简单，装置测试效率高；将压痕测试技术应用于煤岩材料的微观尺度力学性质研究中，通过记录的载荷-压痕深度曲线并结合相关力学知识计算了材料的弹性模量E、压痕硬度H，据此可以研究材料的变形损伤机制及其与载荷作用和材料性能间的相关性规律；通过计算材料变形过程中的做功和弹塑性能量之间的关系，可以计算间接评价煤岩材料发生冲击失稳的弹性量能常数νE。
附图说明
图1为本发明压痕测试记录的载荷-位移曲线示意图；
图2为本发明压痕测试过程压痕的剖面示意图；
图3为本发明弹性能量常数计算分析示意图；
图4为本发明装置的功能交互结构示意图；
图5为本发明装置的外观结构示意图。
图中：1—压痕测试模块；2—信息变换模块；3—微型处理模块；4—记录存储模块；5—屏幕显示模块；6—操作控制模块；7—测量校准模块；8—装置外壳；9—扳机；10—控制键盘；11—垫板；12—测试压头；13—显示屏幕；14—调整旋钮。
具体实施方式
下面对本发明做进一步描述，但本发明的保护范围并不局限于以下所描述具体实施方式的范围。
本发明所述及的一种煤岩微观尺度力学测试方法的具体实施方式为：
(1)根据测试材料的要求选择加载方式，设置加载的速率和最大加载值。本发明测试载荷加载范围10mN-5N，加载速率1mN/min-0.5N/min，位移加载范围1μm-200μm，加载速率0.1μm/min-20μm/min，压入载荷分辨率0.1mN，压入深度分辨率0.1μm。
(2)选取煤岩材料平整表面，处理测试区域直到粗糙度满足测试要求。将测试装置紧贴煤岩表面，然后开始以设定的速率加卸载，利用精密力传感器和位移传感器实现载荷信号和位移信号的记录。
(3)根据加卸载过程记录的数据得到如图1所示的压痕测试载荷-压痕深度曲线，图2为加载和卸载后压痕的剖面示意图。F表示压入载荷，h代表压头的压入深度，hp为卸载后压痕的残余形变，hc表示接触深度。利用Oliver-Pharr方法，选取压痕测试卸载曲线上部的25％～50％进行拟合，得到载荷与压痕深度之间的指数函数：
F＝B(h-hp)m ①
其中，B和m为拟合参数。接触刚度S为卸载曲线在最大载荷处切线的斜率，对式①在最大载荷处微分可得：
然后根据接触刚度计算折合模量Er，式③中A为在F作用下接触表面的投影面积，
其值是与压入深度有关的函数A＝f(h)。
式④中E、ν分别为被测材料的弹性模量和泊松比；Ei,νi分别为压头的弹性模量和泊松比，本发明提供的金刚石压头有确定的Ei和νi值。
材料压痕硬度值H计算公式为：
式⑤中H为被测材料的压痕硬度值，Fmax为金刚石压头施加在材料上的最大载荷，A为F作用下金刚石压头压入材料接触表面的投影面积，针对本发明所采用的玻氏压头A＝24.5hc2，对于弹性接触，接触深度hc总是小于最大压入深度hmax，相互关系为：
式中ε为与压头形状有关的常数，本发明的玻氏压头ε＝0.75。
(4)结合图3所示，加卸载过程中记录的载荷-压痕深度曲线包含着压头做功和能量之间的关系，根据加拿大魁北克大学M.T.Attaf以及佛罗里达国际大学Kaushal Jha等人的研究，基于加卸载过程中绝对功与弹性能之间的线性比例关系定义了弹性能量常数νE，用于评价材料的弹塑性能。
其中压痕曲线的绝对功Ws＝0.5Fmaxhmax，弹性能WE为卸载曲线与坐标轴所围成的面积，通过卸载曲线积分得到。νE值的变化范围在1和无穷大之间，极限值分别代表了理想弹性和塑性材料，即该值越接近1表示材料的弹性特征越明显，相同的载荷下会储存更多的弹性能。
本发明所述及的一种煤岩微观尺度力学测试装置的具体实施方式为：
基于上述方法，参考图4和图5，其示出了本发明提供的一种测试装置，所述装置包括压痕测试模块1、信号变换模块2、微型处理模块3、记录存储模块4、屏幕显示模块5、操作控制模块6、测量校准模块7；装置整体外观结构包括外壳8、扳机9、控制键盘10、垫板11、测试压头12、显示屏幕13、调整旋钮14。
开始测试前，通过调整测量校准模块7的调整旋钮14，对装置进行校准检查；操作控制键盘10向操作控制模块6输入指令，选择加载方式、设定加载速率和加载最大值；手持该装置将垫板11紧紧贴在测试材料的光滑表面上，扣动扳机9，操作控制模块6按照设定的值控制压痕测试模块1加载到最大值后开始卸载；压痕测试模块1在测试过程中通过精密力传感器和位移传感器实现对载荷信号和位移信号的测量记录，信号经过信号变换模块2将模拟信号变换成数字信号，数字信号经过微型处理模块3的处理和计算，通过屏幕显示模块5将加卸载过程中的压痕载荷-位移曲线、材料的弹性模量E、压痕硬度值H和弹性能量常数νE呈现在显示屏幕13上；所有的数据和信号都保存在记录存储模块4中，可用于信息的存储保留和拷贝。测试结束后，松开扳机9，然后通过控制键盘10关闭测试装置。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围。应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替换、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。
Claims (3)
1.一种煤岩微观尺度力学测试方法，其特征在于，所述方法包括：
1)根据测试材料的需要选择载荷或者位移加载控制方式，设定加载速率、最大载荷或者最大压痕深度；
2)选取煤岩体的一处平整表面，进行抛光处理直到满足测试要求，然后将测试装置的垫板紧贴在测试面上，压头垂直于测试面，以设定的速率开始加载和卸载时，记录压头接触煤岩表面时的载荷和压痕深度值；
3)对记录到的载荷-压痕深度曲线进行拟合得函数表达式，依据力学相关理论和知识方法，结合曲线计算最大位移处煤岩材料的刚度值S，煤岩材料的弹性模量E，煤岩的压痕硬度值H；
4)根据压头加卸载过程中对煤岩做功和能量之间的关系计算反应煤岩材料弹塑性能强弱的参数弹性能量常数νE，对比不同煤层和矿井的弹性能量常数值间接评价煤岩发生冲击失稳的可能性大小。
2.一种煤岩微观尺度力学测试装置，其特征在于，所述装置包括：压痕测试模块、信息变换模块、微型处理模块、记录存储模块、屏幕显示模块、操作控制模块和测量校准模块；其中，
所述的压痕测量模块，由纳米/微米压痕测试仪构成，用于测量压头和煤岩表面接触过程中产生的载荷和位移变化，将模拟信号记录下来；
所述信息变换模块，由模/数变换设备组成，用于将接受到的模拟电信号变换成数字信号；
所述微型处理模块，由单片微型处理器组成，用于对变换后的数字信号进行处理；
所述记录存储模块，由分级存储器和读取装置组成，用于对信号和数据的存储保留和拷贝；
所述屏幕显示模块，主要由显示屏幕组成，用于对控制信息、计算处理后数据信号、图像的直观显示；
所述操作控制模块，由控制键盘、扳机和控制电路板组成，用于对整个压痕测试过程的控制；
所述测量校准模块，由调整旋钮和内部调节装置组成，用于测试开始前对测试仪器的校准和检查。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：
所述压痕测试模块的压头与测试装置前端的垫板垂直。
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