CN114112740A - 一种便携式煤岩冲击倾向性测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种便携式煤岩冲击倾向性测试装置，包括：压头(11)、压杆(12)、位移传感器(13)、弹性元件(14)、压力传感器(15)、壳体(16)、前握柄(17)、挡板(18)、微型处理器(19)和后握柄(22)。通过本发明的便携式煤岩冲击倾向性测试装置及方法，能够快速、便捷地获得煤岩体的单轴抗压强度RC、弹性能量常数VE等重要参数，进而可以用于评估煤岩体发生冲击失稳的可能性，从而为我国乃至全球煤矿等矿山开采的安全开发利用提供重要的决策参考依据。
Description
技术领域
本发明属于岩体测试技术领域，具体地涉及一种便携式煤岩冲击倾向性测试装置及方法。
背景技术
冲击倾向性，是煤岩体的一种固有属性，用以评价煤岩体发生冲击失稳破坏的可能性大小。
在地下煤矿开采过程中，煤岩体组成的围岩是否发生冲击失稳破坏，不仅受周围应力环境的影响，也跟煤岩体自身是否具有冲击倾向性息息相关。研究煤岩体的冲击倾向性，是预测和防治动力灾害的基础，有助于更加深入的理解冲击地压事故发生的原因，对于更好的预测和治理冲击地压事故具有重要的理论和实践意义。
对煤岩体冲击倾向性的研究测试，目前多采用室内实验方法。这种方式，容易忽略原来的地质环境影响，测试结果往往不够准确可靠，存在较大偏差，有可能导致工程应用中出现重大损失，而且需要在矿场和实验室多次往返，效率低，成本高，具有较大的局限性。现场测试也由于目前技术与设备上限制存在较大困难。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
针对现有技术存在的问题和/或不足，本发明的目的在于提供一种便携式煤岩冲击倾向性测试装置及方法。通过本发明的便携式煤岩冲击倾向性测试装置及方法，能够快速、便捷地获得煤岩体的单轴抗压强度RC、弹性能量常数VE等重要参数，进而可以用于评估煤岩体发生冲击失稳的可能性。
本发明提供的一种便携式煤岩测试装置，包括：压头(11)、压杆(12)、位移传感器(13)、弹性元件(14)、压力传感器(15)、壳体(16)、前握柄(17)、挡板(18)、微型处理器(19)和后握柄(22)；
其中，
压杆(12)的前端连接压头(11)，压杆(12)的后端连接位移传感器(13)；
位移传感器(13)通过弹性元件(14)与压力传感器(15)相连接；
位移传感器(13)、弹性元件(14)和压力传感器(15)的外面设置有壳体(16)；
壳体(16)的前端依次设置有前握柄(17)和挡板(18)；
压杆(12)从壳体(16)、前握柄(17)和挡板(18)的中间穿过；
壳体(16)的后端设置有微型处理器(19)；
位移传感器(13)和压力传感器(15)均与微型处理器(19)相连接；
微型处理器(19)的后端设置有后握柄(22)。
进一步的，
在上述任一技术方案(便携式煤岩测试装置)中，所述的微型处理器(19)上设置有显示屏(20)和操作按钮(21)；
优选地，所述的显示屏(20)为数字显示屏；所述的操作按钮(21)包括：开/关按钮、切换按钮、菜单按钮和/或返回按钮。
进一步的，
在上述任一技术方案(便携式煤岩测试装置)中，所述的压头(11)为金刚石压头，优选为金刚石维氏压头。
进一步的，
在上述任一技术方案(便携式煤岩测试装置)中，所述的压头(11)为锥形、球形、圆柱或楔形，优选为正四棱锥形。
进一步的，
在上述任一技术方案(便携式煤岩测试装置)中，所述的弹性元件(14)为弹簧，其最大弹力为100N；所述的前握柄(17)和后握柄(22)设置有防滑套。
进一步的，
在上述任一技术方案(便携式煤岩测试装置)中，所述的压头(11)、压杆(12)和弹性元件(14)同轴设置。
本发明还提供了一种煤岩的测试方法，包括以下步骤：
(1)采用前述任意一项所述的便携式煤岩测试装置，使压头(11)紧贴煤岩体表面并保持垂直；
(2)施加外力使压头(11)在压入煤岩体的同时向后压缩弹性元件(14)，直至挡板(18)碰到煤岩体表面，位移传感器(13)和压力传感器(15)分别记录得到位移数字信号和载荷数字信号，经微型处理器(19)处理，得到以位移为横坐标、载荷为纵坐标的加载曲线，然后垂直卸载测试装置，将压头(11)从煤岩体中抽出，得到卸载曲线。
进一步的，
在上述任一技术方案(煤岩的测试方法)中，基于所得载荷F-位移h的加载曲线和/或卸载曲线，经微型处理器(19)处理，根据如下的公式①，计算得到压痕硬度H：
其中，A为在F作用下接触表面的面积，对于金刚石维氏压头而言，A＝26.43hmax 2；
根据如下的公式②，计算得到单轴抗压强度RC：
RC＝5.8H0.62 ②
根据GB/T 25217.2-2010《冲击地压测定、监测与防治方法》对冲击倾向性的量化标准，判据如下：
当RC＜7时，测试煤岩体可视为无冲击倾向性；
当7≤RC＜14时，测试煤岩体为弱冲击倾向性；
当RC≥14时，测试煤岩体为强冲击倾向性。
进一步的，
在上述任一技术方案(煤岩的测试方法)中，根据如下的公式③，计算得到弹性能量常数VE；
其中，绝对功WS＝0.5Fmaxhmax，弹性能WE为卸载曲线下的面积。
进一步的，
在上述任一技术方案(煤岩的测试方法)中，利用Olive-Pharr方法，选取卸载曲线的25％～50％进行拟合，经微型处理器(19)处理，得到载荷F与位移h之间的函数④：
F＝B(h-hp)m ④
其中，hp为卸载后的残余变形，B和m为采用最小二乘法得到的拟合参数；
根据如下的公式⑤，计算得到接触刚度S；
根据如下的公式⑥，计算得到接触深度hc；
其中，ε是与压头相关的常数；
根据如下的公式⑦和⑧，计算得到折合模量Er和弹性模量E；
其中，β是与压头相关的常数；Ei、vi分别为压头的弹性模量和泊松比；ν为测试煤岩体的泊松比。
通过本发明的便携式煤岩冲击倾向性测试装置及方法，能够快速、便捷地获得煤岩体的单轴抗压强度RC、弹性能量常数VE等重要参数，进而可以用于评估煤岩体发生冲击失稳的可能性，从而为我国乃至全球煤矿等矿山开采的安全开发利用提供重要的决策参考依据。
附图说明
图1是本发明便携式煤岩冲击倾向性测试装置的结构示意图：
11-压头，12-压杆，13-位移传感器，14-弹性元件，15-压力传感器，16-壳体，17-前握柄，18-挡板，19-微型处理器，20-显示屏，21-操作按钮，22-后握柄。
图2是本发明测试记录的加载曲线和卸载曲线示意图。
图3是本发明测试过程中的压痕剖面示意图。
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请的实施例，本领域普通技术人员所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”“安装”、“设置”等应做广义理解；例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
如图1所示，本发明的便携式煤岩冲击倾向性测试装置，包括：压头11、压杆12、位移传感器13、弹性元件14、压力传感器15、壳体16、前握柄17、挡板18、微型处理器19、显示屏20、操作按钮21和后握柄22；
其中，
压杆12的前端连接压头11，压杆12的后端连接位移传感器13；
位移传感器13通过弹性元件14和压力传感器15相连接；
位移传感器13、弹性元件14和压力传感器15的外面设置有壳体16；
壳体16的前端依次设置有前握柄17和挡板18；
压杆12从壳体16、前握柄17和挡板18的中间穿过；
壳体16的后端设置有微型处理器19；
位移传感器13和压力传感器15均与微型处理器19相连接；
微型处理器19上设置有显示屏20和操作按钮21；
微型处理器19的后端设置有后握柄22。
进一步的，
所述的压头11为金刚石维氏压头；
所述的压头11为锥形、球形、圆柱或楔形，优选为正四棱锥形；
所述的弹性元件14为弹簧，其最大弹力为100N；
所述的显示屏20为数字显示屏；
所述的操作按钮21包括：开/关按钮、切换按钮等；
所述的前握柄17和后握柄22设置有防滑套；
所述的压头11、压杆12和弹性元件14同轴设置。
煤岩冲击倾向性的测试方法，具体如下：
(1)采用上述的便携式煤岩测试装置，校准调零后，开启操作按钮21的开/关按钮，左手握前握柄17，右手握后握柄22，使压头11紧贴平整的煤岩体表面并保持垂直；
(2)施加外力使压头11在压入煤岩体的同时向后压缩弹性元件14，直至挡板18碰到煤岩体表面，位移传感器13和压力传感器15分别记录得到位移数字信号和载荷数字信号，经微型处理器19处理，得到以位移为横坐标、载荷为纵坐标的加载曲线，然后垂直卸载测试装置，将压头11从煤岩体中抽出，得到卸载曲线，如图2所示；
(3)求取煤岩体的压痕硬度H和单轴抗压强度RC(判断冲击倾向性)
基于前面所得载荷F-位移h的加载曲线和卸载曲线，经微型处理器19处理，根据如下的公式①，计算得到压痕硬度H：
其中，A为在F作用下接触表面的面积，对于金刚石维氏压头而言，A＝26.43hmax 2；
根据尼格德·奥马尔·哈利斯德米尔大学Ahmet Teymen的研究(Statisticalmodels for estimating the uniaxial compressive strength and elastic modulusof rocks from different hardness test methods.Heliyon 7(2021)e06891.)，得到煤岩体的单轴抗压强度RC与维氏压痕硬度H之间的关系式②，如下所示：
RC＝5.8H0.62 ②
根据GB/T 25217.2-2010《冲击地压测定、监测与防治方法》对冲击倾向性的量化标准，判据如下：
当RC＜7时，测试煤岩体可视为无冲击倾向性；
当7≤RC＜14时，测试煤岩体为弱冲击倾向性；
当RC≥14时，测试煤岩体为强冲击倾向性；
(4)求取弹性能量常数VE
根据佛罗里达国际大学Kaushal K.Jha等人的研究(Evaluating initialunloading stiffness from elastic work-of-indentation measured in ananoindentation experiment.J.Mater.Res.,Vol.28,No.6,Mar 28,2013.)，得到压痕曲线的绝对功WS和弹性能WE；其中，绝对功WS＝0.5Fmaxhmax，弹性能WE为卸载曲线下的面积；
根据如下的公式③，计算得到弹性能量常数VE；
弹性能量常数VE，反映了煤岩的弹塑性能，其数值范围在1至无穷大之间，VE越接近1，在相同条件下煤岩内部储存的弹性能越多，卸载时释放的弹性能也越多，也就越容易发生冲击失稳；
(5)求取弹性模量E
利用Olive-Pharr方法，选取卸载曲线的25％～50％进行拟合，经微型处理器19处理，得到载荷F与位移h之间的函数④：
F＝B(h-hp)m ④
其中，hp为卸载后的残余变形，如图3所示，B和m为采用最小二乘法得到的拟合参数；
根据如下的公式⑤，计算得到接触刚度S；
根据如下的公式⑥，计算得到接触深度hc；
其中，ε是与压头相关的常数，当采用金刚石维氏压头时，ε＝0.75；
根据如下的公式⑦和⑧，计算得到折合模量Er和弹性模量E；
其中，β是与压头相关的常数，当采用金刚石维氏压头时，β＝1.012；
Ac为接触表面的投影面积，当采用金刚石维氏压头时，Ac＝24.5hc 2；
Ei、vi分别为压头的弹性模量和泊松比，当采用金刚石压头时，Ei＝1141Gpa，vi＝0.07；
ν为测试煤岩体的泊松比。
通过上述测试，能够快速、便捷地获得煤岩体的冲击倾向性评价指标和一些重要力学参数，如：单轴抗压强度RC、弹性能量常数VE等，进而可以用于评估煤岩体发生冲击失稳的可能性，从而为我国乃至全球煤矿等矿山开采的安全开发利用提供重要的决策参考依据。
应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.一种便携式煤岩测试装置，其特征在于，它包括：压头(11)、压杆(12)、位移传感器(13)、弹性元件(14)、压力传感器(15)、壳体(16)、前握柄(17)、挡板(18)、微型处理器(19)和后握柄(22)；
其中，
压杆(12)的前端连接压头(11)，压杆(12)的后端连接位移传感器(13)；
位移传感器(13)通过弹性元件(14)与压力传感器(15)相连接；
位移传感器(13)、弹性元件(14)和压力传感器(15)的外面设置有壳体(16)；
壳体(16)的前端依次设置有前握柄(17)和挡板(18)；
压杆(12)从壳体(16)、前握柄(17)和挡板(18)的中间穿过；
壳体(16)的后端设置有微型处理器(19)；
位移传感器(13)和压力传感器(15)均与微型处理器(19)相连接；
微型处理器(19)的后端设置有后握柄(22)。
2.根据权利要求1所述的便携式煤岩测试装置，其特征在于，所述的微型处理器(19)上设置有显示屏(20)和操作按钮(21)；
优选地，所述的显示屏(20)为数字显示屏；所述的操作按钮(21)包括：开/关按钮、切换按钮、菜单按钮和/或返回按钮。
3.根据权利要求1或2所述的便携式煤岩测试装置，其特征在于，所述的压头(11)为金刚石压头，优选为金刚石维氏压头。
4.根据权利要求1或2所述的便携式煤岩测试装置，其特征在于，所述的压头(11)为锥形、球形、圆柱或楔形，优选为正四棱锥形。
5.根据权利要求1或2所述的便携式煤岩测试装置，其特征在于，所述的弹性元件(14)为弹簧，其最大弹力为100N；所述的前握柄(17)和后握柄(22)均设置有防滑套。
6.根据权利要求1或2所述的便携式煤岩测试装置，其特征在于，所述的压头(11)、压杆(12)和弹性元件(14)同轴设置。
7.一种煤岩的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采用权利要求1～6任意一项所述的便携式煤岩测试装置，使压头(11)紧贴煤岩体表面并保持垂直；
(2)施加外力使压头(11)在压入煤岩体的同时向后压缩弹性元件(14)，直至挡板(18)碰到煤岩体表面，位移传感器(13)和压力传感器(15)分别记录得到位移数字信号和载荷数字信号，经微型处理器(19)处理，得到以位移为横坐标、载荷为纵坐标的加载曲线，然后垂直卸载测试装置，将压头(11)从煤岩体中抽出，得到卸载曲线。
8.根据权利要求7所述的煤岩的测试方法，其特征在于，基于所得载荷F-位移h的加载曲线和/或卸载曲线，经微型处理器(19)处理，根据如下的公式①，计算得到压痕硬度H：
其中，A为在F作用下接触表面的面积，对于金刚石维氏压头而言，A＝26.43hmax 2；
根据如下的公式②，计算得到单轴抗压强度RC：
RC＝5.8H0.62 ②
根据GB/T 25217.2-2010《冲击地压测定、监测与防治方法》对冲击倾向性的量化标准，判据如下：
当RC＜7时，测试煤岩体可视为无冲击倾向性；
当7≤RC＜14时，测试煤岩体为弱冲击倾向性；
当RC≥14时，测试煤岩体为强冲击倾向性。
9.根据权利要求7所述的煤岩的测试方法，其特征在于，根据如下的公式③，计算得到弹性能量常数VE；
其中，绝对功Ws＝0.5Fmaxhmax，弹性能WE为卸载曲线下的面积。
10.根据权利要求7所述的煤岩的测试方法，其特征在于，利用Olive-Pharr方法，选取卸载曲线的25％～50％进行拟合，经微型处理器(19)处理，得到载荷F与位移h之间的函数④：
F＝B(h-hp)m ④
其中，hp为卸载后的残余变形，B和m为采用最小二乘法得到的拟合参数；
根据如下的公式⑤，计算得到接触刚度S；
根据如下的公式⑥，计算得到接触深度hc；
其中，ε是与压头相关的常数；
根据如下的公式⑦和⑧，计算得到折合模量Er和弹性模量E；
其中，β是与压头相关的常数；Ei、vi分别为压头的弹性模量和泊松比；ν为测试煤岩体的泊松比。
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