CN110441160A - 一种煤岩体单轴抗压强度测试装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤岩体单轴抗压强度测试装置及测试方法，属于煤岩体强度测试领域，解决了现有技术中耗费高、测试点少、需要另外打眼、液体介质难获得的问题。本发明测试装置包括动力供给装置、探头(7)和安装杆(6)；动力供给装置用于为探头(7)提供动力，动力供给装置通过高压管(4)与探头(7)连接；动力供给装置包括气动增压泵(1)和三通阀(2)；气动增压泵(1)与高压风源连接；三通阀(2)第一端通过耐压管(18)与气动增压泵(1)连接，三通阀(2)第二端通过高压管(4)与探头(7)连接。本发明提供的测试装置及测试方法适用于煤岩体单轴抗压强度的小孔径原位测试。
Description
技术领域
本发明属于岩煤单轴抗压强度技术领域，特别涉及一种煤岩体单轴抗压强度测试装置及测试方法。
背景技术
煤岩体力学参数包括单轴抗压强度、单轴抗拉强度、单轴抗剪切强度和三轴抗压强度等，是岩土、煤炭等工程研究中最基本的参数，是研究巷道开挖与支护、矿井建设等必不可少的基础参数。
煤岩体力学参数可通过实验室试验或现场原位测试两种办法测试得到。但是实验室试验所采用的试样均为煤块或岩块，试验时难以模拟和反映现场工程中的煤岩体状态。因此，实验室测试结果往往与现场实际出入较大，对于工程来讲一般偏大。而且，大多数煤岩体都含有软弱结构面或夹层，而且煤体的强度一般较低，煤系地层中也经常遇到强度很低的岩石，都不易制备成试件。因此最好的方法是在现场测量煤岩体的各种力学指标，用以比较准确地描述煤岩体的力学性质。
目前，现场测试强度的方法主要有大尺寸直剪试验，压缩试验，声波探测法，钻孔钻进法等，但要耗费大量人力物力，费用很高，而且测试点很少。
发明内容
鉴于以上分析，本发明旨在提供一种简单便携，可实现快速测量煤岩体单轴抗压强度的原位测试仪器及方法：煤岩体单轴抗压强度测试装置及测试方法，用以解决现有技术中耗费高、测试点少、需要另外打眼等问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一方面，本发明公开了一种煤岩体单轴抗压强度测试装置，包括动力供给装置、探头和安装杆；动力供给装置用于为探头提供动力，动力供给装置通过高压管与探头连接；
动力供给装置包括气动增压泵和三通阀；气动增压泵与高压风源连接；三通阀第一端通过耐压管与气动增压泵连接，三通阀第二端通过高压管与探头连接；
探头与安装杆连接，安装杆用于将探头送至测试段；
探头包括活塞和探针，在液压介质的驱动下，活塞能够发生位移并使端部探针压向钻孔孔壁；探头直径为20-22mm；活塞直径与探针直径的比值为3:1。
进一步的，还包括数据测试采集系统和数据显示仪；
数据测试采集系统用于实时记录和保存数据，数据显示仪用于实时显示内部液压介质的压力；
数据测试采集系统与三通阀连接，数据显示仪与数据测试采集系统连接。
进一步的，三通阀第三端与泄压管连接。
进一步的，气动增压泵通过转换接头和高压风管与高压风源连接。
进一步的，还包括连接杆，连接杆用于衔接探头与安装杆；连接杆一端设置在探头下端，另一端设置有内螺纹，内螺纹用于连接安装杆。
进一步的，探头上还设置有连接头，连接头上设置有外螺纹，外螺纹用于连接高压管。
另一方面，本发明还公开了一种采用上述煤岩体单轴抗压强度测试装置的测试方法，该方法包括以下步骤：
S1.选取待测煤体或岩体的测试段；
S2.连接动力供给装置；
S3.连接测试装置，将三通阀第二端与高压管连接，并连接安装杆6与探头；
S4.以水为液压介质，向气动增压泵内注入适量水，然后打开高压风源，利用气动增压泵增压，并对测试装置进行检漏试验；
S5.将测试装置的探头送至测试段，并开启数据测试采集系统16及数据显示仪；
S6.对探头进行加压，使其内部探针压向钻孔孔壁至测试段压裂；
S7.记录并保存液压介质压力数据，根据压裂时的临界压力与煤岩体单轴抗压强度的关系，计算单轴抗压强度。
进一步的，步骤S2具体包括：通过转换接头和高压风管将气动增压泵与高压风源相连接，为气动增压泵提供动力源；气动增压泵通过耐压管与三通阀第一端相连；三通阀第三端连接卸压管；三通阀通过数据传导线连接数据测试采集系统；数据测试采集系统连接数据显示仪。
进一步的，步骤S5中，单轴抗压强度的计算公式为：
其中：
d1为探头活塞直径；
d2为探针的直径；
δp为液压介质的压力；
δi为探针端部的压力，即探针施向钻孔的压力；
δf为临界压力，即钻孔破裂时施加在孔壁的探针端部压力δi；
δcc为煤岩体单轴抗压强度；ksf为强度换算系数；
d1和d2计算单位为mm；δp、δi、δf和δcc计算单位为MPa；
通过公式(1-1)计算求解δi；通过公式(1-2)计算求解煤岩体单轴抗压强度δcc。
进一步的，强度换算系数ksf通过以下方法获得：
在现场进行测试的钻孔中取芯，在实验室进行传统的煤岩试样单轴抗压强度试验，通过回归分析现场测点临界压力与同一地点岩芯单轴抗压强度之间的关系求得强度换算系数ksf。
与现有技术相比，本发明至少可以实现以下技术效果之一：
1)本发明提供的测试装置可以测试孔径为30mm的小钻孔内部不同深度的煤岩体强度，对于井下现场来说，在现场测试过程中无需重新进行打钻孔，本发明提供的测试装置的探头是根据现场锚杆/索钻孔大小设计研发的，可以配套矿用锚杆钻机(一般为30mm左右)使用，可以实现更快速得现场煤岩体原位测试，更能实现小孔径测试技术；而且本发明装置可以测试无法取样的软弱煤岩体，极大地提高了煤岩体强度测试的可行性。
2)现场测试煤岩体强度时较难获取大量的液压介质，考虑井下环境，本发明采用气动增压泵，以高压风作为气动增压泵的动力源，水作为实验装置的液压介质，通过气动增压泵进行水压调节，只需要使用少量液压介质即可，液压介质更易获取；且气动增压泵的加压能力更强。
3)本发明装置采用φ21mm的探头，并焊接有连接杆，探头探针加压压力比可以达到9：1。本发明装置更能实现对坚硬岩体的单轴抗压强度测试。
4)现有技术中现场钻孔后，孔周围的应力会重新分布，形成集中应力现象，这对于实际单轴抗压强度会有一定的影响；本发明在现场测试过程中无需重新进行打钻孔，本发明装置的探头根据现场锚杆/索钻孔大小设计研发的，而且还可以配套矿用锚杆钻机(一般为30mm左右)使用，30mm的钻孔孔径将会显著降低应力集中现象，降低对钻孔孔壁的损坏情况，使测试结果更接近于完整煤岩体，30mm的钻孔孔径，也会显著降低对于钻孔孔壁的破坏程度。
5)现有的研究中对于钻孔触探法在小孔径应用方面，30mm左右的孔径尚未进行较多的研究，本发明装置及方法可以测试孔径为30mm的小钻孔内部不同深度的煤岩体强度，其测试结果和测试意义不仅对煤矿工程方面的研究方便快捷，而且对于钻孔触探法在小孔径应用方面的补充更为重要。
6)本发明提供的测试装置结构简单，动力供给装置、探头和安装杆的连接和操作方便，可实现快速测量煤岩体强度；气动增压泵通过转换接头和高压风管与高压风源连接，安装、拆卸方便，本发明其余部件也均可进行拆卸有利于整体设备的搬运和个别部件的更换，可能进行多次的重复使用，明显的降低了成本。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书实施例所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的附图标记表示相同的部件。
图1为本发明实施例1提供的现场测试示意图；
图2为本发明实施例1提供的探头外部结构示意图；
图3为本发明实施例1提供的探头内部结构示意图。
附图标记：
1-气动增压泵；2-三通阀；3-卸压管；4-高压管；5-探针；6-安装杆；7-探头；8-连接杆；9-内螺纹；10-外螺纹；11-O型密封圈；12-活塞；13-转换接头；14-高压风管；15-数据传导线；16-数据测试采集系统；17-数据显示仪；18-耐压管。
具体实施方式
以下结合具体实施例对一种煤岩体单轴抗压强度测试装置及测试方法作进一步的详细描述，这些实施例只用于比较和解释的目的，本发明不限定于这些实施例中。
实施例1
本发明装置的一个具体实施例，如图1-图3所示，一种煤岩体单轴抗压强度测试装置，包括动力供给装置、探头7和安装杆6；动力供给装置用于为探头7提供动力，动力供给装置通过高压管4与探头7连接；动力供给装置包括气动增压泵1和三通阀2；气动增压泵1与高压风源连接；三通阀2第一端通过耐压管18与气动增压泵1连接，耐压管18可以是钢丝缠绕耐压胶管，三通阀2第二端通过高压管4与探头7连接；探头7与安装杆6连接，安装杆6用于将探头7送至测试段；探头7包括活塞12和探针5，活塞12在液压介质的驱动下发生位移，使端部探针5压向钻孔孔壁；探头7直径为20～22mm，本实施例采用21mm；活塞12直径与探针5直径为3:1。
本装置探头7采用高碳钢材料制作而成，具有极大的耐压能力；在其密封性上，采用O型密封圈11进行密封，同时减少了动摩擦阻力。
本发明装置可以测试孔径为30mm的小钻孔内部不同深度的煤岩体强度，对于井下现场来说，在现场测试过程中无需重新进行打钻孔，本发明装置的探头7根据现场锚杆/索钻孔大小设计研发的，而且还可以配套矿用锚杆钻机(一般为30mm左右)使用，可以实现更快速得现场煤岩体原位测试，更能实现小孔径测试技术；而且本发明装置可以测试无法取样的软弱煤岩体，极大地提高了煤岩体强度测试的可行性。
本发明装置采用φ21mm的探头7，并焊接有连接杆8，探头7探针5加压压力比可以达到9：1，本发明装置更能实现对坚硬岩体的单轴抗压强度测试。
为了实时记录、保存和显示探头7内的液压介质压力，更直观的娴熟数据的变化，从而得到破裂时液压介质的压力数据，并防止数据丢失，还设置有数据测试采集系统16和数据显示仪17；数据测试采集系统16用于实时记录和保存数据，数据显示仪17用于实时显示内部液压介质的压力；数据测试采集系统16与三通阀2连接，数据显示仪17与数据测试采集系统16连接。
为仪器和人员安全考虑，采用增压泵时可配套卸压管路进行卸压，三通阀2第三端与泄压管3连接。
气动增压泵1通过转换接头13和高压风管14与高压风源连接。由于高压风管14与高压风源的出口孔径可能存在不匹配，故采用转换接头13进行连接；同时它具有抗磨损、耐腐蚀、寿命长和不泄漏等优点。
考虑井下现场的环境，以高压风作为气动增压泵1的动力源，水作为实验装置的液压介质，通过气动增压泵进行水压调节。采用气动增压泵液压介质更容易获取，且加压能力更强。
还包括用于衔接探头7与安装杆6的连接杆8；连接杆8一端设置在探头7下端，另一端设置有内螺纹9，内螺纹9用于连接安装杆6。
探头7上还设置有连接头，连接头上设置有外螺纹10，外螺纹10用于连接高压管4。
实施例2
本实施例提供了一种采用上述煤岩体单轴抗压强度测试装置的测试方法，采用实施例1提供的煤岩体单轴抗压强度测试装置，该方法包括以下步骤：
S1.选取待测煤体或岩体的测试段；测试段选取可以根据测试需要选择不同深度进行测试，可以测试小孔径及无法取样的软弱煤岩体；
S2.连接动力供给装置：通过转换接头13和高压风管14将气动增压泵1与高压风源相连接，为其提供动力源；气动增压泵1又通过耐压管18与三通阀2第一端相连；三通阀2第三端连接卸压管；三通阀2通过数据传导线15连接数据测试采集系统16；数据测试采集系统16连接数据显示仪17；
S3.连接测试装置，将三通阀2第二端与高压管4连接，并连接安装杆6与探头7；
S4.以水为液压介质，向气动增压泵1内注入适量水，然后打开高压风源，利用气动增压泵1增压，并对测试装置进行检漏试验，为确保试验数据的可靠性，要求每个接头密封处不得有点滴泄漏；
S5.将测试装置的探头7送至测试段，并开启数据测试采集系统16及数据显示仪17；准备通过动力共给装置进行加压；
S6.对探头7进行加压，探头7内的活塞12在液压介质的驱动下发生位移，使其内部探针5压向钻孔孔壁至测试段压裂；同时数据显示仪17实时显示内部液压介质的压力；
S7.记录并保存液压介质的压力数据，根据压裂时的临界压力与煤岩体单轴抗压强度的关系，计算单轴抗压强度。
煤岩体单轴抗压强度的计算公式为：
其中：
d1为探头7活塞12直径，本实施例中所用探头7活塞12直径为15mm；
d2为探针的直径，本实施例中所用探针直径为5mm；
δp为液压介质的压力，即数据显示仪显示的液压介质的压力；
δi为探针端部的压力，即探针施向钻孔的压力；
δf为临界压力，即钻孔破裂时施加在孔壁的探针端部压力δi；
δcc为煤岩体单轴抗压强度；ksf为强度换算系数；
d1和d2计算单位为mm；δp、δi、δf和δcc计算单位为MPa；
通过公式(1-1)计算求解δi；通过公式(1-2)计算求解煤岩体单轴抗压强度δcc。
现有技术中需要进行现场钻孔，现场钻孔后孔周围的应力会重新分布，形成集中应力现象，这对于实际单轴抗压强度会有一定的影响，低于30mm的钻孔孔径将会显著降低应力集中现象，降低对钻孔孔壁的损坏情况，使测试结果更接近于完整煤岩体，30mm的钻孔孔径，也会显著降低对于钻孔孔壁的破坏程度。
对于钻孔触探法在小孔径应用方面，30mm左右的孔径尚未进行较多的研究，其测试结果和测试意义不仅对煤矿工程方面的研究方便快捷，而且对于钻孔触探法在小孔径应用方面的补充更为重要。本发明结构简单，连接和操作方便，可实现快速测量煤岩体强度；本发明的各个部件均方便拆卸，有利于整体设备的搬运和个别部件的更换，可能进行多次的重复使用，明显的降低了成本。
表1为于山西省大同市某矿进行现场试验，在进行煤岩体单轴抗压强度测试过程中，记录煤岩体破坏时内部介质压力的临界值δp，利用上式(1-1)计算探针5的临界压力δf。记录实测数据如表1所示。
表1实测数据
本发明的计算原理为：
测试仪探头7内的活塞12在液压介质的驱动下发生位移，使端部探针5压向钻孔孔壁，随着液压介质压力的增加，探针5作用在钻孔孔壁上的压力不断增加，一旦达到其临界压力，孔壁煤岩体便被压坏，压力会突然降低。此时，数据测试采集系统16所记录的最高压力读数即为该点的煤岩体临界压力。经过换算，便可得到该点的煤岩体单轴抗压强度。
液压介质的压力δp，则此时探针5端部的压力δi为：
δi＝(d1 2/d2 2)*δp (1)
式中，d1和d2分别为探头活塞12直径和探针5直径。
本发明技术方案中，装置所用探头7活塞12直径d1为15mm，探针5直径d2为5mm，所以式(1)为：
δi＝9*δp (2)
当钻孔孔壁压裂破碎时，此时探针5端部的压力δi即为临界压力δf。关于临界压力与煤岩体单轴抗压强度的关系，煤岩体单轴抗压强度δcc可用以下关系式表示：
δcc＝ksf*δf (3)
式中，ksf为强度换算系数。
本发明技术方案中，强度换算系数ksf可以通过以下方法得到：在现场进行测试的钻孔中取芯，在实验室进行传统的煤岩试样单轴抗压强度试验，通过回归分析现场测点临界压力与同一地点岩芯单轴抗压强度之间的关系求得强度换算系数。
这样，确定强度换算系数ksf后，由(1)和(3)式就可以求得钻孔内煤岩体的单轴抗压强度。
综上所述，本发明结构简单，连接和操作方便，可实现快速测量煤岩体强度；本发明装置可以测试孔径为30mm的小钻孔内部不同深度的煤岩体强度，而且可以测试无法取样的软弱煤岩体，极大地提高了煤岩体强度测试的可行性；本发明的各个部件均方便拆卸，有利于整体设备的搬运和个别部件的更换，可能进行多次的重复使用，明显的降低了成本。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种煤岩体单轴抗压强度测试装置，其特征在于，包括动力供给装置、探头(7)和安装杆(6)；
所述动力供给装置用于为所述探头(7)提供动力，所述动力供给装置通过高压管(4)与所述探头(7)连接；
所述动力供给装置包括气动增压泵(1)和三通阀(2)；所述气动增压泵(1)与高压风源连接；所述三通阀(2)第一端通过耐压管(18)与气动增压泵(1)连接，三通阀(2)第二端通过高压管(4)与探头(7)连接；
所述探头(7)与安装杆(6)连接，所述安装杆(6)用于将所述探头(7)送至测试段；
所述探头(7)包括活塞(12)和探针(5)，在液压介质的驱动下，所述活塞(12)能够发生位移并使端部探针(5)压向钻孔孔壁；所述探头(7)直径为20-22mm；所述活塞(12)直径与所述探针(5)直径的比值为3:1。
2.根据权利要求1所述的煤岩体单轴抗压强度测试装置，其特征在于，还包括数据测试采集系统(16)和数据显示仪(17)；
所述数据测试采集系统(16)用于实时记录和保存数据，所述数据显示仪(17)用于实时显示内部液压介质的压力；
所述数据测试采集系统(16)与所述三通阀(2)连接，所述数据显示仪(17)与所述数据测试采集系统(16)连接。
3.根据权利要求1所述的煤岩体单轴抗压强度测试装置，其特征在于，所述三通阀(2)第三端与泄压管(3)连接。
4.根据权利要求1所述的煤岩体单轴抗压强度测试装置，其特征在于，所述气动增压泵(1)通过转换接头(13)和高压风管(14)与高压风源连接。
5.根据权利要求1所述的煤岩体单轴抗压强度测试装置，其特征在于，还包括连接杆(8)，连接杆(8)用于衔接探头(7)与安装杆(6)；所述连接杆(8)一端设置在所述探头(7)下端，另一端设置有内螺纹(9)，所述内螺纹(9)用于连接安装杆(6)。
6.根据权利要求1-5所述的煤岩体单轴抗压强度测试装置，其特征在于，所述探头(7)上还设置有连接头，所述连接头上设置有外螺纹(10)，所述外螺纹(10)用于连接高压管(4)。
7.根据权利要求1-6任一项所述的煤岩体单轴抗压强度测试装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.选取待测煤体或岩体的测试段；
S2.连接动力供给装置；
S3.连接测试装置，将三通阀(2)第二端与高压管(4)连接，并连接安装杆(6)与探头(7)；
S4.以水为液压介质，向气动增压泵(1)内注入适量水，然后打开高压风源，利用气动增压泵(1)增压，并对测试装置进行检漏试验；
S5.将测试装置的探头(7)送至测试段，并开启数据测试采集系统(16)及数据显示仪(17)；
S6.对探头(7)进行加压，使其内部探针(5)压向钻孔孔壁至测试段压裂；
S7.记录并保存液压介质压力数据，根据压裂时的临界压力与煤岩体单轴抗压强度的关系，计算单轴抗压强度。
8.根据权利要求7所述的煤岩体单轴抗压强度测试装置的测试方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：通过转换接头(13)和高压风管(14)将气动增压泵(1)与高压风源相连接，为气动增压泵(1)提供动力源；所述气动增压泵(1)通过耐压管(18)与三通阀(2)第一端相连；所述三通阀(2)第三端连接卸压管(3)；所述三通阀(2)通过数据传导线(15)连接数据测试采集系统(16)；所述数据测试采集系统(16)连接数据显示仪(17)。
9.根据权利要求7所述的煤岩体单轴抗压强度测试装置的测试方法，其特征在于，所述步骤S5中，单轴抗压强度的计算公式为：
其中：
d1为探头活塞直径；
d2为探针的直径；
δp为液压介质的压力；
δi为探针端部的压力，即探针施向钻孔的压力；
δf为临界压力，即钻孔破裂时施加在孔壁的探针端部压力δi；
δcc为煤岩体单轴抗压强度；ksf为强度换算系数；
d1和d2计算单位为mm；δp、δi、δf和δcc计算单位为MPa；
通过公式(1-1)计算求解δi；通过公式(1-2)计算求解煤岩体单轴抗压强度δcc。
10.根据权利要求9所述的煤岩体单轴抗压强度测试装置的测试方法，其特征在于，所述强度换算系数ksf通过以下方法获得：
在现场进行测试的钻孔中取芯，在实验室进行传统的煤岩试样单轴抗压强度试验，通过回归分析现场测点临界压力与同一地点岩芯单轴抗压强度之间的关系求得强度换算系数ksf。
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