[发明专利]动及动静组合载荷下煤岩组合体中煤的力学特性试验方法

摘要

本发明公开了一种动及动静组合载荷下煤岩组合体中煤的力学特性试验方法，用现有的煤岩组合体试件，从不容易压碎的岩石下手，利用SHPB试验装置，再通过粘贴应变片的方法对煤岩组合体加载试验，根据煤试件两端面处的应力得出煤的应力，根据煤岩组合体中岩石的应变反推获得动载作用下煤岩组合体中煤的应变变化情况。本发明不但得到煤在一定围岩环境下的力学特性，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具有重大指导意义。

主权项

1.一种动及动静组合载荷下煤岩组合体中煤的力学特性试验方法，其特征在于，它是在SHPB试验系统上进行的，步骤如下：第一步，试件制备将待测煤试样和各种岩石试样分别加工成圆柱形单体试件多个，将煤单体试件与各种岩石单体试件分别进行组合形成煤‑岩两体组合试件和岩‑煤‑岩三体组合试件；在煤试件与岩石试件的界面处粘贴一个PVDF压力传感器，每个岩石试件的周表面均匀粘贴三个应变片；第二步，对PVDF压力传感器进行动态标定，获得其灵敏度系数，即为PVDF压力传感器电荷量与应力的定量关系；动态标定方法如下：在PVDF压力传感器上并联一个电阻R，再连接至示波器，然后将PVDF压力传感器夹持于SHPB试验系统的入射杆和透射杆之间，采用0.35‑0.5MPa不同的冲击气压对PVDF压力传感器进行冲击试验；每次冲击过程中，示波器能实时记录PVDF压力传感器产生的电压信号V(t)，通过积分式即可获得各次冲击时PVDF压力传感器上的累计电荷量q(t)；冲击过程中，PVDF压力传感器所测得的应力变化σ(t)，可根据透射杆的透射波信号ε_t，按公式σ(t)＝Eε_t进行计算；经过多次不同冲击应力试验后，取各次冲击时电荷量q(t)的最大值及应力σ(t)的最大值；根据已知的PVDF压力传感器敏感层面积A_P，即可绘制一系列数据点(A_P*σ_i,q_i)，采用过原点的直线对其进行拟合，该直线斜率K即为PVDF压力传感器的灵敏度系数；上述公式σ(t)＝Eε_t中，E是入射杆和透射杆的弹性模量，单位MPa；第三步，对煤岩组合体试件进行加载试验第3.1步、将各种煤岩组合体试件依次夹持于SHPB试验系统的入射杆和透射杆之间，煤岩界面处的PVDF压力传感器并联一个电阻R，再连接至示波器，入射杆、透射杆及岩石试件周表面粘贴的应变片信号线分别连接至超动态应变仪输入口，超动态应变仪输出口再连接至示波器上；第3.2步、采用SHPB试验系统的压力调节器，对入射杆和透射杆夹持的煤岩组合体试件施加预定的静载荷，然后对煤岩组合体试件进行动载冲击；或者不施加静载荷，直接对煤岩组合体试件进行动载冲击；第3.3步、冲击过程中，示波器实时记录入射杆的入射波信号ε_i、入射杆的反射波信号ε_r、透射杆的透射波信号ε_t和岩石周表面应变片上的应变信号ε_R，以及PVDF压力传感器的电压信号V(t)；第四步：煤岩组合体试件中煤试件的应力σ_c计算动载荷作用时，煤岩组合体中煤试件的应力分布不均匀，可根据煤试件两端面处的应力求平均值进行计算；计算分两种情况：第一种情况：对于煤‑岩两体组合试件，可根据煤试件两端面处入射杆和透射杆的脉冲信号以及PVDF压力传感器测得的压力信号进行计算，当煤岩组合体试件中煤试件朝向透射杆时，公式为：当煤岩组合体试件中煤试件朝向入射杆时，公式为：其中，式中：σ_c——煤岩组合体试件中煤试件的应力，单位MPa；A——入射杆或透射杆横截面积，单位mm²；A_s——煤岩组合体横截面积，单位mm²；第二种情况：对于岩‑煤‑岩三体组合试件，可根据煤试件两端面PVDF压力传感器测得的压力信号进行计算，公式为：式中：σ_左PVDF、σ_右PVDF——分别为煤岩组合体试件中煤试件两端面PVDF压力传感器测得的压力信号，按公式(3)计算，单位MPa；第五步，煤岩组合体试件中煤试件的应变计算由于煤岩组合体中煤试件通常发生严重破坏，其应变无法直接进行监测，所以将冲击过程中入射杆与透射杆上的波形信号进行适当的处理，即可获得煤岩组合体试件整体的变形量△l，处理公式为：式中：c₀——入射杆或透射杆的弹性波波速，单位m/s；t₀——入射波作用时间，单位s；通过煤岩组合体试件中岩石试件周表面的应变片，可实时监测岩石的应变变化ε_R，结合煤岩组合体试件整体变形量△l，即可反推煤试件的应变变化ε_c，公式为式中：l_Ri——煤岩组合体试件中第i岩石试件的初始高度，单位mm；l_c——煤岩组合体试件中煤试件的初始高度，单位mm；第六步，获得煤岩组合体试件中煤试件的动态抗压强度和弹性模量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，即可获得动静组合载荷作用下或者动载荷作用下煤岩组合体试件中煤试件的应力应变曲线，通过分析应力应变曲线可获得煤试件的动态抗压强度和弹性模量；重复上述步骤3～5，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，根据应力‑应变曲线得到煤试件的动态抗压强度和弹性模量，多次试验的动态抗压强度和弹性模量的平均值即为煤岩组合体试件中煤试件的动态抗压强度和弹性模量。