CN111982695A - 一种煤岩介质状态转变程度评价装置及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种煤岩介质状态转变程度评价装置,涉及到煤岩试样,包括加载装置、应力‑应变采集系统、应力加载系统、试验台以及声波采集系统,所述煤岩试样放置于试验台上,煤岩试样顶部连接加载装置;所述应力‑应变采集系统、应力加载系统均分别连接加载装置,所述声波采集系统配设有声波探头,所述煤岩试样四周均匀粘接有声波探头,所述应力‑应变采集系统配设有应变片,所述应变片设置于煤岩试样四周。本发明还提供了一种煤岩介质状态转变程度评价装置的使用方法。本发明运用声波监测技术,采用多区域声时特征参数准确表征煤岩内部裂纹发育情况,全面评价煤岩介质状态转变程度损伤。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿开采技术领域,特别涉及一种煤岩介质状态转变程度评价装置及使用方法。
背景技术
煤层回采过程中,在高采动应力持续作用下,煤岩内部裂纹的演化导致破坏程度不断加剧,介质状态由未受开采扰动的天然连续体逐步转变为受开采剧烈扰动破坏后的散体,尤其在深部特殊力学环境下,煤岩变形特征由脆性向延性转化,破坏过程的时效性增强,介质状态转变的固有特征更加明显。采动灾害的孕育和发生与煤岩介质状态转变程度密切相关,全面合理有效评价煤岩介质状态转变程度对掌握煤岩力学状态、预测预报地下工程灾害具有重要的理论和实践意义。煤岩受载失稳破坏过程中,其物理力学特征持续改变,超声波在煤岩内部的传播规律也将不断变化,声时能够有效反映岩体内部结构发育扩展情况,运用超声波技术测定煤岩损伤破坏程度合理可行的。
目前,对煤岩损伤破坏程度的研究多以″裂纹扩展演化″为中心,依据裂纹发育扩展情况表征了煤岩的损伤破坏程度,缺少基于声学特性的煤岩损伤破坏程度定量评价指标。
发明内容
为解决上述问题,本发明旨在提出一种煤岩介质状态转变程度评价装置及使用方法,采用多区域声时特征参数准确表征煤岩内部裂纹发育情况,全面评价损伤破坏程度。
为达到上述目的,本发明的技术方案是这样实现的:
一种煤岩介质状态转变程度评价装置,涉及到煤岩试样,包括加载装置、应力-应变采集系统、应力加载系统、试验台以及声波采集系统,所述煤岩试样放置于试验台上,煤岩试样顶部连接加载装置;所述应力-应变采集系统、应力加载系统分别连接加载装置,所述声波采集系统配设有声波探头,所述煤岩试样四周均匀粘接有声波探头,所述应力-应变采集系统配设有应变片,所述应变片设置于煤岩试样四周。
进一步的,所述煤岩试样四周均匀涂抹凡士林。
进一步的,所述加载装置包括TAW-2000电液伺服岩石三轴试验机、加载杆以及压头。
进一步的,所述煤岩试样为100mm×100mm×100mm的正方体试样。
进一步的,所述应变片为八个,每个正方体试样侧面中心位置的沿加载方向和垂直加载方向分别布置一个应变片。
进一步的,所述声波探头为八个,每个所述正方体试样侧面布置两个声波探头,两个声波探头位于对角线位置。
为了实现上述目的,本发明还提供了一种煤岩介质状态转变程度评价装置的使用方法,包括煤岩介质状态转变程度评价声学指标的测定以及煤岩介质状态转变程度的评价。
进一步的,所述煤岩介质状态转变程度评价声学指标的测定包括以下步骤:
S1:开展煤岩单轴压缩、声学特性监测实验,测定煤岩失稳破坏过程中的力学特征与声学特性;
S2:所述的加载方式为通过应力加载系统进行位移加载,加载速率为0.001mm/s;
S3:所述的监测参数为:加载过程中每间隔20s记录一次外部荷载、试样轴向、横向变形及多区域声时,直至试样完全破坏;
S4:所述的试样尺寸为100×100×100mm的标准正方体,平行度小于±0.02mm;
S5:所述的声波探头布置方式为:在试样周围均匀布置8个声波探头;
S6:所述的应变片布置方式为:在试样4个侧面,分别沿加载方向和垂直加载方向布置2个应变片,共计8个;
S7:所述的试样置于加载装置和试验台之间并通过加载装置施加荷载;应力、应变采集系统实时记录试样的应力、应变信息;通过声波采集系统实时记录声波信息。
进一步的,所述煤岩介质状态转变程度的评价具体为:定义介质状态指标D为煤岩某一损伤破坏阶段声波通过所有传播路径上裂纹时间与煤岩完全损伤破坏后声波通过全部裂纹时间的比值,即:
式中:mi为煤岩完全损伤破坏阶段第i条路径上的裂纹数;
所述的煤岩加载前均质,完全不含裂纹;
所述的声波传播路径数为k;
所述的某一损伤破坏阶段,第i条路径上的裂纹数为ni;
所述的声波在第i条路径上的传播时间Ti为:
式中:ti0为声波在完全不含裂纹的第i条路径上声时,tij为声波通过第i条路径上第j条裂纹的时间;
所述的该损伤破坏阶段,声波煤岩内部传播的总声时T为
有益效果:本发明运用声波监测技术,采用多区域声时特征参数准确表征煤岩内部裂纹发育情况,全面评价损伤破坏程度。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
图1为本发明实施例所述的煤岩介质状态转变程度评价装置的结构示意图;
图2为本发明实施例所述的声波发射探头、声波接收探头以及应变片在煤岩试样上的分布示意图;
图3为本发明实施例所述的三维空间声波传播示意图(无裂纹);
图4本发明实施例所述的三维空间声波传播示意图(含裂纹)。
具体实施方式
需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
实施例1
参见图1-2:一种煤岩介质状态转变程度评价装置,涉及到煤岩试样6,包括加载装置1、应力-应变采集系统2、应力加载系统3、试验台5以及声波采集系统4,所述煤岩试样6放置于试验台5上,煤岩试样6顶部连接加载装置1;所述应力-应变采集系统2、应力加载系统3分别连接加载装置1,所述声波采集系统4配设有声波探头401,所述煤岩试样6四周均匀粘接有声波探头401,所述应力-应变采集系统2配设有应变片201,所述应变片设置于煤岩试样6四周。
本实施例通过应力-应变采集系统及声波采集系统能够同步实时监测煤岩破坏过程中的力学和声学特征。
需要说明的是,本实施例的声波探头具备声波发射和声波接收功能。
在一具体的实例中,所述煤岩试样6四周均匀涂抹凡士林,所述加载装置1包括TAW-2000电液伺服岩石三轴试验机101、加载杆102以及压头103,所述煤岩试样6为100mm×100mm×100mm的正方体试样,所述应变片201为八个,每个正方体试样侧面中心位置的沿加载方向和垂直加载方向分别布置一个应变片201,所述声波探头401为八个,每个所述正方体试样侧面布置两个声波探头401,两个声波探头401位于对角线位置。
本实施例运用声波监测技术,采用多区域声时特征参数准确表征煤岩内部裂纹发育情况,全面评价损伤破坏程度。
实施例2
为了实现上述目的,本实施例还提供了一种煤岩介质状态转变程度评价装置的使用方法,包括煤岩介质状态转变程度评价声学指标的测定以及煤岩介质状态转变程度的评价。
具体的,所述煤岩介质状态转变程度评价声学指标的测定包括以下步骤:
S1:开展煤岩单轴压缩、声学特性监测实验,测定煤岩失稳破坏过程中的力学特征与声学特性;
S2:所述的加载方式为通过应力加载系统进行位移加载,加载速率为0.001mm/s;
S3:所述的监测参数为:加载过程中每间隔20s记录一次外部荷载、试样轴向、横向变形及多区域声时,直至试样完全破坏;
S4:所述的试样尺寸为100×100×100mm的标准正方体,平行度小于±0.02mm;
S5:所述的声波探头布置方式为:在试样周围均匀布置8个声波探头,如图2所示;
S6:所述的应变片布置方式为:在试样4个侧面,分别沿加载方向和垂直加载方向布置2个应变片,共计8个;
S7:所述的试样置于加载装置和试验台之间并通过加载装置施加荷载;应力、应变采集系统实时记录试样的应力、应变信息;通过声波采集系统实时记录声波信息。
具体的,所述煤岩介质状态转变程度的评价具体为:定义介质状态指标D为煤岩某一损伤破坏阶段声波通过所有传播路径上裂纹时间与煤岩完全损伤破坏后声波通过全部裂纹时间的比值,即:
式中:mi为煤岩完全损伤破坏阶段第i条路径上的裂纹数;
所述的声波传播规律如图3、图4所示。
所述的煤岩加载前均质,完全不含裂纹;
所述的声波传播路径数为k;
所述的某一损伤破坏阶段,第i条路径上的裂纹数为ni。
所述的声波在第i条路径上的传播时间Ti为:
式中:ti0为声波在完全不含裂纹的第i条路径上声时,tij为声波通过第i条路径上第j条裂纹的时间;
所述的该损伤破坏阶段,声波煤岩内部传播的总声时T为
本实施例基于声学特性对煤岩损伤破坏程度进行定量评价,能够更全面的评价损伤破坏程度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种煤岩介质状态转变程度评价装置,涉及到煤岩试样(6),其特征在于,包括加载装置(1)、应力-应变采集系统(2)、应力加载系统(3)、试验台(5)以及声波采集系统(4),所述煤岩试样(6)放置于试验台(5)上,煤岩试样(6)顶部连接加载装置(1);所述应力-应变采集系统(2)、应力加载系统(3)分别连接加载装置(1),所述声波采集系统(4)配设有声波探头(401),所述煤岩试样(6)四周均匀粘接有声波探头(401),所述应力-应变采集系统(2)配设有应变片(201),所述应变片设置于煤岩试样(6)四周。
2.根据权利要求1所述的煤岩介质状态转变程度评价装置,其特征在于,所述煤岩试样(6)四周均匀涂抹凡士林。
3.根据权利要求1所述的煤岩介质状态转变程度评价装置,其特征在于,所述加载装置(1)包括TAW-2000电液伺服岩石三轴试验机(101)、加载杆(102)以及压头(103)。
4.根据权利要求1所述的煤岩介质状态转变程度评价装置,其特征在于,所述煤岩试样(6)为100mm×100mm×100mm的正方体试样。
5.根据权利要求4所述的煤岩介质状态转变程度评价装置,其特征在于,所述应变片(201)为八个,每个正方体试样侧面中心位置的沿加载方向和垂直加载方向分别布置一个应变片(201)。
6.根据权利要求4所述的煤岩介质状态转变程度评价装置,其特征在于,所述声波探头(401)为八个,每个所述正方体试样侧面布置两个声波探头(401),两个声波探头(401)位于对角线位置。
7.一种根据权利要求1-6任一所述的煤岩介质状态转变程度评价装置的使用方法,其特征在于,包括煤岩介质状态转变程度评价声学指标的测定以及煤岩介质状态转变程度的评价。
8.根据权利要求7所述的煤岩介质状态转变程度评价装置的使用方法,其特征在于,所述煤岩介质状态转变程度评价声学指标的测定包括以下步骤:
S1:开展煤岩单轴压缩、声学特性监测实验,测定煤岩失稳破坏过程中的力学特征与声学特性;
S2:所述的加载方式为通过应力加载系统进行位移加载,加载速率为0.001mm/s;
S3:所述的监测参数为:加载过程中每间隔20s记录一次外部荷载、试样轴向、横向变形及多区域声时,直至试样完全破坏;
S4:所述的试样尺寸为100×100×100mm的标准正方体,平行度小于±0.02mm;
S5:所述的声波探头布置方式为:在试样周围均匀布置8个声波探头;
S6:所述的应变片布置方式为:在试样4个侧面,分别沿加载方向和垂直加载方向布置2个应变片,共计8个;
S7:所述的试样置于加载装置和试验台之间并通过加载装置施加荷载;应力、应变采集系统实时记录试样的应力、应变信息;通过声波采集系统实时记录声波信息。
9.根据权利要求7所述的煤岩介质状态转变程度评价装置的使用方法,其特征在于,所述煤岩介质状态转变程度的评价具体为:定义介质状态指标D为煤岩某一损伤破坏阶段声波通过所有传播路径上裂纹时间与煤岩完全损伤破坏后声波通过全部裂纹时间的比值,即:
式中:mi为煤岩完全损伤破坏阶段第i条路径上的裂纹数;
所述的煤岩加载前均质,完全不含裂纹;
所述的声波传播路径数为k;
所述的某一损伤破坏阶段,第i条路径上的裂纹数为ni;
所述的声波在第i条路径上的传播时间Ti为:
式中:tiO为声波在完全不含裂纹的第i条路径上声时,tij为声波通过第i条路径上第j条裂纹的时间;
所述的该损伤破坏阶段,声波煤岩内部传播的总声时T为
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CN113124936A (zh) * | 2021-04-21 | 2021-07-16 | 齐鲁工业大学 | 一种公路在线健康监测传感器及制备方法 |
CN115081866A (zh) * | 2022-06-16 | 2022-09-20 | 安徽理工大学 | 一种回采煤层介质状态区划方法、系统、设备和存储介质 |
WO2024098508A1 (zh) * | 2022-11-08 | 2024-05-16 | 安徽理工大学 | 岩石试件受载过程裂纹的生成扩展精细探查装置及方法 |
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