不同剪切速率下煤散體抗剪強度試驗研究★

曹劍鋒 遲學海

(黑龍江科技大學礦業(yè)工程學院，黑龍江 哈爾濱 150000)

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不同剪切速率下煤散體抗剪強度試驗研究★

曹劍鋒 遲學海

(黑龍江科技大學礦業(yè)工程學院，黑龍江 哈爾濱 150000)

采用TYJ-500 kN電液伺服巖石剪切流變試驗機，從煤散體物理參數(shù)測試與直剪試驗兩方面，研究了不同剪切速率下煤散體的抗剪強度，指出隨著剪切速率的增加，煤散體的抗剪強度呈先增大、后減小趨勢。

煤散體，剪切速率，抗剪強度，直剪試驗

對于煤散體力學性質(zhì)的研究在國內(nèi)外比較少，但對于土石混合堆積體這類散體的研究還是比較多見的，圍繞這類散體的物理力學性質(zhì)，先后開展了一系列的研究工作，其中力學試驗研究包括室內(nèi)與原位大型試驗，如滲透性試驗[1，2]、土石混合體重塑制樣試驗[3]、大型常規(guī)三軸試驗[4]、現(xiàn)場循環(huán)載荷試驗[5]、細觀結構及力學特性數(shù)值模擬研究[6-8]、天然與浸水狀態(tài)下大型水平推剪與直剪試驗[9-12]等。同樣為自然界的巖石散體，煤散體的力學性質(zhì)研究也可以借鑒這些方法。從某煤礦選取煤散體試樣帶回實驗室，利用黑龍江省煤礦深部開采地壓控制與瓦斯治理重點實驗室的TYJ-500 kN電液伺服巖石剪切流變試驗機，對煤散體進行了不同剪切速率下的抗剪強度試驗研究。

1 電液伺服巖石剪切流變試驗機

TYJ-500 kN電液伺服巖石剪切流變試驗機是一臺多功能的綜合試驗機，不但可以對巖石材料進行剪切流變試驗研究，還可以進行巖石單軸抗壓強度測試等，其最大測試量程為500 kN，本文所進行的煤散體抗剪強度試驗就是在此試驗機內(nèi)完成的(如圖1所示)。

試驗機的剪切盒是立方體的，分上、下兩個部分，即上盒與下盒，上、下盒的長和寬均為15 cm，且二者疊加在一起的高度也為15 cm，因此試驗機的剪切盒總體為長、寬、高均為15 cm的正方體，剪切面的面積A=225 cm2。通過伺服控制系統(tǒng)施加荷載，并自動采集數(shù)據(jù)。試驗過程中保持下盒不動，以一定的速度推動上盒完成剪切過程，從而對剪切盒內(nèi)部材料施加剪切作用力Fs，同時在垂直于剪切作用力的方向上施加法向壓力F。

2 不同剪切速率下煤散體抗剪強度試驗

2.1 煤散體物理參數(shù)測試

對取回的試樣進行物理參數(shù)測試，測得煤散體的密度為1.056 g/cm3；對煤散體進行顆粒級配，在試樣內(nèi)隨機選取三處分別進行篩分試驗，用試驗篩篩分煤散體，對不同的粒徑級別進行分類，統(tǒng)計出各個粒徑級別所占比例，將三次試驗結果取平均值，成果見圖2。

結果表明：煤散體粒徑在100 mm～45 mm的顆粒含量為18%，粒徑在45 mm～20 mm的顆粒含量為27%，粒徑在20 mm～5 mm的顆粒含量為32%，粒徑在5 mm～1 mm的顆粒含量為12%，粒徑小于1 mm的顆粒含量為11%。

2.2 煤散體直剪試驗

對煤散體進行直剪試驗時，保持下盒不動，以一定的速度推動上盒完成剪切過程，從而對剪切盒內(nèi)部材料施加剪切作用力，但是不知加載速率的快慢對剪切應力的大小是否會有影響，為了研究這個問題，對煤散體進行了不同加載速率的抗剪強度試驗，綜合分析加載速率對剪切應力τ、粘聚力C以及內(nèi)摩擦角φ的影響。

將煤散體裝入剪切盒中，調(diào)試好試驗機，在施加好法向壓力后，便可給上剪切盒施加剪切作用力，開始對煤散體進行試驗。分別施加給上剪切盒以0.10 mm/s，0.15 mm/s，0.20 mm/s，0.25 mm/s的加載速度進行剪切，法向壓力F分別施加為0 kN，1 kN，2 kN，3 kN，4 kN和5 kN，監(jiān)測剪切作用力的變化趨勢(見圖3)。對于每組試驗找出一個極限剪力值，即散體抗剪強度的合力Fs，并換算成為剪切應力τ；將F換算成為法向應力σ。

試驗結果見表1。

表1 不同剪切速率下煤散體抗剪強度分析表

剪切速率mm/s不同法向壓力作用下極限剪切應力/kPa0kN1kN2kN3kN4kN5kN粘聚力kPa內(nèi)摩擦角/(°)0.1034.25989.844139.581184.494232.120284.40134.2647.90.1548.369111.923176.165240.231297.817367.80348.37550.2049.010119.826180.779237.778297.905368.93149.0154.60.2549.455100.756161.349216.839275.737334.31849.4652.2

2.2.1 剪切應力

由表1可知，剪切應力并不隨剪切速率的增加而增大。剪切速率由0.10 mm/s增加到0.15 mm/s時，不同法向壓力作用下極限剪切應力全面增大；當剪切速率增加到0.20 mm/s時，剪切應力幾乎與剪切速率為0.15 mm/s時的一致；當剪切速率增加到0.25 mm/s時，除了法向壓力為0 kN時的剪切應力比前一速率時有所增大外，其他剪切應力均減小。結果表明：剪切應力不隨煤散體剪切速率的增加而增大，而是表現(xiàn)出先增大、后減小的趨勢。

2.2.2 粘聚力

由表1中數(shù)據(jù)可知，剪切速率為0.10 mm/s時，粘聚力C=34.26 kPa；當剪切速率增加到0.15 mm/s時，粘聚力變化為C=48.37 kPa，增長率較大；當剪切速率增加到0.20 mm/s時，粘聚力變化為C=49.01 kPa，較0.15 mm/s速率時粘聚力的增長率減??；當剪切速率增加到0.25 mm/s時，粘聚力變化為C=49.46 kPa，與0.20 mm/s速率時增長率較為接近。

結果表明：粘聚力隨煤散體剪切速率的增加而增大；剪切速率由0.10 mm/s增加到0.15 mm/s時，粘聚力增長幅度較大；剪切速率超過0.15 mm/s后，粘聚力的增長率減小，增長幅度變小(如圖4所示)。

2.2.3 內(nèi)摩擦角

由表1中數(shù)據(jù)可知，內(nèi)摩擦角并不隨剪切速率的增加而增大。剪切速率由0.10 mm/s增加到0.15 mm/s時，內(nèi)摩擦角由47.9°增長到55°，增幅較大；當剪切速率增加到0.20 mm/s時，內(nèi)摩擦角由0.15 mm/s速率時55°減小到54.6°，減幅較小；當剪切速率增加到0.25 mm/s時，內(nèi)摩擦角由0.20 mm/s速率時54.6°減小到52.2°，減幅較大。

結果表明：內(nèi)摩擦角不隨煤散體剪切速率的增加而增大，而是表現(xiàn)出先增大、后減小的趨勢；剪切速率由0.10 mm/s增加到0.15 mm/s時，內(nèi)摩擦角增長幅度較大；剪切速率由0.15 mm/s增

加到0.20 mm/s時，內(nèi)摩擦角開始減小，但減小幅度較小；剪切速率由0.20 mm/s增加到0.25 mm/s時，內(nèi)摩擦角繼續(xù)減小，但減小幅度增大(見圖5)。

以上結果表明，隨著剪切速率的增加，煤散體的抗剪強度表現(xiàn)出先增大、后減小的趨勢，內(nèi)摩擦角也呈現(xiàn)出先增大、后減小的趨勢，但粘聚力卻保持增長，其增長率逐漸減小。

3 結語

對煤散體進行不同剪切速率下抗剪強度試驗研究，隨著剪切速率的增加，煤散體的抗剪強度表現(xiàn)出先增大、后減小的趨勢，內(nèi)摩擦角也呈現(xiàn)出先增大、后減小的趨勢，但粘聚力卻保持增長，其增長率逐漸減小。

[1] 周 中，傅鶴林,劉寶深,等.土石混合體滲透性能的試驗研究[J].湖南大學學報(自然科學版),2006,26(2):8-25.

[2] 周 中,傅鶴林,劉寶深,等.土石混合體滲透性能的正交試驗研究[J].巖土工程學報，2006,28(9):1134-1138.

[3] 廖秋林,李 曉,李守定.土石混合體重塑樣制備及其壓密特征與力學特性分析[J].工程地質(zhì)學報,2010,18(3):385-391.

[4] 涂國祥,黃潤秋,鄧 輝,等.某巨型冰水堆積體強度特性大型常規(guī)三軸試驗[J].山地學報,2010,28(2):147-153.

[5] 徐文杰,胡瑞林.循環(huán)荷載下土石混合體力學特性野外試驗研究[J].工程地質(zhì)學報,2008,16(1):63-69.

[6] 陳紅旗,黃潤秋,林 峰.大型堆積體邊坡的空間工程效應研究[J].巖土工程學報，2005,27(3):323-328.

[7] 徐文杰,胡瑞林,岳中琦,等.土石混合體細觀結構及力學特性數(shù)值模擬研究[J].巖石力學與工程學報,2007,26(2):300-310.

[8] 赫建明,李 曉,吳劍波,等.土石混合體材料的模型構建及其數(shù)值試驗[J].礦冶工程,2009,29(3):1-4.

[9] 徐文杰,胡瑞林,曾如意.水下土石混合體的原位大型水平推剪試驗研究[J].巖土工程學報,2006,28(7):814-818.

[10] 油新華,湯勁松.土石混合體野外水平推剪試驗研究[J].巖石力學與工程學報,2002,21(10):1537-1540.

[11] 徐文杰,胡瑞林,譚儒蛟,等.虎跳峽龍蟠右岸土石混合體野外試驗研究[J].巖石力學與工程學報,2006,25(6):1270-1277.

[12] 李 曉,廖秋林,赫建明,等.土石混合體力學特性的原位試驗研究[J].巖石力學與工程學報,2007,26(12):2377-2384.

Experimental study on shear strength of coal dispersion with different shear rate★

Cao Jianfeng Chi Xuehai

(CollegeofMiningEngineering,HeilongjiangInstituteofScienceandTechnology,Harbin150000，China)

Applying TYJ-500 kN electric hydraulic serving rock shearing flow testing machine, starting from two aspects of coal dispersion physical parameters test and direct shear test, the paper studies the coal dispersion shear strength with different shear rate, and finally points out that: the coal dispersion shear strength will firstly increase and then reduce with the shear rate increasing.

coal dispersion, shear rate, shear strength, direct shear test

1009-6825(2016)11-0051-03

2016-02-02

★：黑龍江省煤礦深部開采地壓控制與瓦斯治理重點實驗室開放基金項目(項目編號：F2315-03)；黑龍江科技大學2015年碩士研究生創(chuàng)新科研資金項目(項目編號：YJSCX2015-108HKD)

曹劍鋒(1992- )，男，在讀碩士； 遲學海(1982- )，男，碩士，工程師

TD821

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