煤巖“固—?dú)狻瘪詈舷嗨撇牧狭W(xué)特性

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2017.05

23文章編號(hào)： 1672-9315（2017）05-0750-05

摘要：為進(jìn)一步研究“固-氣”耦合相似材料力學(xué)特性，應(yīng)用正交設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)5組力學(xué)參數(shù)相差均勻的材料配比，自行研制煤巖體單軸約束下振動(dòng)及測(cè)試系統(tǒng)，研究了不同振動(dòng)頻率下相似材料力學(xué)特性變化規(guī)律，實(shí)驗(yàn)表明：加載頻率為10～60 Hz試件的軸向應(yīng)變分別在0.74%，081%，0.94%，1.02%，1.03%及1.12%時(shí)達(dá)到峰值，此時(shí)壓力傳感器傳輸幅值時(shí)間變化閾值分別為32，47，52，62，65及 95 s.當(dāng)壓力傳感器傳輸幅值為0.2～0.6 N時(shí)，試件處于彈性階段，不斷積聚彈性應(yīng)變能；當(dāng)壓力傳感器傳輸幅值為0.8～1.5 N時(shí)，試件處于壓力的強(qiáng)度極限，說明試件處于塑形階段，開始釋放彈性應(yīng)變能。為“固-氣”耦合物理相似模擬實(shí)驗(yàn)的開展進(jìn)一步補(bǔ)充了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：相似材料；機(jī)械振動(dòng)；力學(xué)特性；振動(dòng)幅值中圖分類號(hào)：X 936

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Mechanical characteristics and dynamic signal

of coalrock

and solidgas coupling smilar material

LI Li1，2，ZHAI Yulong1，2，LI Shugang1，2

（1.College of Safety Science and Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China

；

2.Key Laboratory of Western Mine Exploration and Hazard Prevention，Ministry of Education，Xi’an 710054，China）

Abstract：To further study the mechanical characteristics of similar material of solidgas coupling，orthogonal test is used to design the five group of material ratio which mechanical parameters are homogeneous，the vibration and testing system of coal and rock under the restriction of single shaft is developed，and vibration rules of mechanical properties of similar material under different vibration frequency are studied.The experimental results show that axial strain of specimens are 0.74%，0.81%，0.94%，081%，1.03% and 1.12%，respectively when the load frequency are 10～60 Hz，which reach the peak value，the time changing threshold of pressure sensor transmission amplitude are 32，47，52，62，65 and 65 s，respectively.The specimens accumulate elastic strain energy under the elastic stage when pressure sensor transmission amplitude is 0.2～0.6 N.The specimens release elastic strain energy under the plastic stage when pressure sensor transmission amplitude is 0.8～1.2 N.It is a complementary foundation for the solidgas coupling physically simulating experiment.

Key words：similar material；mechanical vibration；mechanical characteristics；vibration amplitude

0引言目前解決礦井瓦斯災(zāi)害的主要手段包括采動(dòng)卸壓瓦斯的抽采、通風(fēng)技術(shù)及預(yù)防煤與瓦斯突出技術(shù)。而采動(dòng)卸壓瓦斯抽采技術(shù)就要求明確煤層開采上覆巖層裂隙演化及其中瓦斯運(yùn)移規(guī)律[1-4]。解決這一問題的主要方法是室內(nèi)物理相似模擬實(shí)驗(yàn)，而包含“固-氣”耦合問題的相似模擬尤其復(fù)雜。首先固流藕合的相似理論的研究尚未見到；其次是模擬材料必須同時(shí)滿足固體變形和滲透性相似2個(gè)條件，這就給相似材料研制帶來相當(dāng)大的困難；第三方面涉及模擬設(shè)備的密封及其測(cè)試手段。因此借鑒于“固-流”耦合物理相似材料時(shí)間、膠砂比及養(yǎng)護(hù)方式等不同因素對(duì)相似材料試件的影響等配比問題，研制相應(yīng)“固-氣”耦合物理相似材料配比。李樹忱、蔚立元研制出一種新型的固流耦合相似材料（PSTO），這種材料用砂和滑石粉作為骨料，石蠟作為膠結(jié)劑，并配以適量調(diào)節(jié)劑混介而成[5-6]；李術(shù)才等研制出一種由砂、重晶石粉、滑石粉、水泥、凡士林、硅油和適量拌合水組成的新型流-固耦合相似材料（SCVO）[7]。楊永杰等認(rèn)為煤巖的應(yīng)變滲透率變化曲線與其全應(yīng)力應(yīng)變曲線變化趨勢(shì)基本一致，但表現(xiàn)出相對(duì)“滯后”的特點(diǎn)[8]；潘一山等通過實(shí)驗(yàn)研究了振動(dòng)對(duì)煤體力學(xué)性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)受振后煤體的抗壓強(qiáng)度、彈性模量和降模量降低，且受振時(shí)間越長(zhǎng)或初應(yīng)力水平越高，振動(dòng)對(duì)煤體力學(xué)性質(zhì)的影響越明顯[9-10]；通過相似模擬實(shí)驗(yàn)得出綜放開采過程中覆巖離層裂隙變化形態(tài)，給出關(guān)鍵層初次破斷前后離層裂隙當(dāng)量面積和不同裂隙發(fā)育區(qū)的空隙滲透系數(shù)的理論[11]。在分析“固-氣”耦合物理相似材料力學(xué)特性問題上不夠全面，有必要通過施加相應(yīng)外界條件進(jìn)一步對(duì)研制過程中的相似材料力學(xué)性進(jìn)行研究。因此文中基于國(guó)內(nèi)外對(duì)受振煤巖體物理力學(xué)及裂隙發(fā)育擴(kuò)展問題的研究，對(duì)相似材料施加機(jī)械振動(dòng)力，分析機(jī)械振動(dòng)外力影響下“固-氣”相似材料力學(xué)特性，研究結(jié)果為卸壓瓦斯?jié)B流耦合規(guī)律的研究提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1振動(dòng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1固氣耦合相似材料配比選擇在物理相似模擬實(shí)驗(yàn)中，定量模擬的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一是選擇合適的模型材料。本次實(shí)驗(yàn)選用的相似材料是以沙子為骨料粒徑，石蠟為膠結(jié)劑，油作為調(diào)節(jié)劑，按不同比例混合制成，適合于室內(nèi)相似材料模擬[12-13]。標(biāo)準(zhǔn)的圓柱體雙開模具應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)分別制作3批6組試件，每組18個(gè)試件，不同頻率下測(cè)3個(gè)試件后取平均值，試件徑、高比為1∶2，尺寸為50 mm×100 mm，成功制作出試件后，盡量保持室內(nèi)條件恒定（溫度20 ℃，濕度30%）自然風(fēng)干72 h，隨后編號(hào)并開展實(shí)驗(yàn)。通過正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)得出了不同力學(xué)參數(shù)下的配比，并選取力學(xué)參數(shù)相差均勻的5組配比試件，其材料配比方案見表1.

1.2振動(dòng)測(cè)試裝置實(shí)驗(yàn)裝置由YYW-2型無側(cè)限壓力儀、激振系統(tǒng)、信號(hào)采集系統(tǒng)等3部分組成。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

1 改進(jìn)版YYW-2型無側(cè)限壓力儀2 相似材料試件3 JZK-2型電磁式激振器4 固定卡扣5 功率放大器6 掃頻信號(hào)發(fā)生器7 信號(hào)調(diào)整器8 數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)器

該振動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置可用以研究相似材料試件力學(xué)特性的變化規(guī)律，實(shí)驗(yàn)通過正弦波輸出對(duì)相似材料力學(xué)特性產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)作用。制作5組不同配比且力學(xué)差值均勻的試件并固定于改進(jìn)版YYW-2型無側(cè)限壓力儀，打開功率放大器，10，20，30，40，50，60 Hz振動(dòng)頻率下記錄相似材料全應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

2受振相似材料動(dòng)態(tài)信號(hào)分析

2.1相似材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線與幅值關(guān)系圖2為組數(shù)1中試件分別在加載頻率10～60 Hz條件下單軸加載過程中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

由圖2可知，不同加載頻率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均在不同應(yīng)變下出現(xiàn)應(yīng)力明顯降低，加載頻率為10 Hz試件的軸向應(yīng)變?cè)?.74%時(shí)達(dá)到峰值，峰后出現(xiàn)一小段較明顯的穩(wěn)壓區(qū)；加載頻率為20 Hz下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線整體低于10 Hz試件，其軸向應(yīng)變?cè)?.81%時(shí)達(dá)到峰值；加載頻率為30 Hz的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在軸向應(yīng)變?yōu)?.94%時(shí)達(dá)到峰值；加載頻率為40 Hz的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在軸向應(yīng)變?yōu)?.02%時(shí)達(dá)到峰值；加載頻率為50 Hz的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在軸向應(yīng)變?yōu)?.03%時(shí)達(dá)到峰值；加載頻率為60 Hz的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在軸向應(yīng)變?yōu)?.13%時(shí)達(dá)到峰值。

結(jié)合圖2及圖3可知，受加載頻率為10 Hz的組數(shù)1各試件在32 s時(shí)振幅產(chǎn)生變化，其對(duì)應(yīng)于軸向應(yīng)變?cè)?.74%時(shí)達(dá)到峰值；受加載頻率為20 Hz的試件在47 s時(shí)振幅產(chǎn)生變化，其對(duì)應(yīng)于軸向

應(yīng)變?cè)?.81%時(shí)達(dá)到峰值；受加載頻率為30 Hz

的試件在52 s時(shí)振幅產(chǎn)生變化，其對(duì)應(yīng)于軸向應(yīng)變?cè)?.94%時(shí)達(dá)到峰值；受加載頻率為40 Hz的試件在62 s時(shí)振幅產(chǎn)生變化，其對(duì)應(yīng)于軸向應(yīng)變?cè)?.02%時(shí)達(dá)到峰值；受加載頻率為50 Hz的試件在65 s時(shí)振幅產(chǎn)生變化，其對(duì)應(yīng)于軸向應(yīng)變?cè)?.03%時(shí)達(dá)到峰值；受加載頻率為60 Hz的試件在95 s時(shí)振幅產(chǎn)生變化，其對(duì)應(yīng)于軸向應(yīng)變?cè)?13%時(shí)達(dá)到峰值。受振試件呈現(xiàn)明顯脆性，應(yīng)變達(dá)到峰值后以近似直線的趨勢(shì)下降，相似材料的脆性剪切破壞特性與巖石非常相似。說明機(jī)械振動(dòng)加劇了試件局部破壞程度，機(jī)械振動(dòng)力與單軸壓縮力的共同作用促使外部裂隙持續(xù)發(fā)育，不同振動(dòng)頻率使得穩(wěn)壓過后應(yīng)力在不同時(shí)間出現(xiàn)較快下降。

2.2受振相似材料力學(xué)參數(shù)與振幅變化關(guān)系通過相似材料工藝設(shè)計(jì)得到5組試件抗壓強(qiáng)度演化規(guī)律如圖4所示。

通過相似材料工藝設(shè)計(jì)得到5組試件彈性模量演化規(guī)律如圖5所示。

從圖4，5可以看出，5組試件受迫振動(dòng)后抗壓強(qiáng)度及彈性模量呈現(xiàn)非線性增高。相同振動(dòng)頻率下，不同試件的彈性模量相差較大的主控因素油含量，而抗壓強(qiáng)度相差較大的主控因素是沖擊次數(shù)及油含量[13]。當(dāng)加載頻率為10 Hz時(shí)，試件抗壓強(qiáng)度與彈性模量最大值分別為0.215，22.816 MPa，一開始增高速率較大，對(duì)應(yīng)的加載頻率階段為10～20 Hz，增長(zhǎng)率分別為13.582%，13.671%；隨著加載頻率慢慢增大，在加載頻率達(dá)到30 Hz時(shí)，增大速率趨于穩(wěn)定，對(duì)應(yīng)的加載頻率階段為30～70 Hz，此時(shí)彈性模量增長(zhǎng)率相對(duì)于30 Hz實(shí)驗(yàn)數(shù)值分別為3.508%，3.533%.通過結(jié)合各頻率振動(dòng)信號(hào)波形變化時(shí)間與組數(shù)1試件相似材料彈性模量及抗壓強(qiáng)度，如圖6所示。

實(shí)驗(yàn)過程中，結(jié)合圖3及圖6可看出，在不同時(shí)間段的壓力傳感器傳輸幅值增量閾值與試件抗壓強(qiáng)度及彈性模量呈對(duì)應(yīng)關(guān)系，當(dāng)壓力傳感器傳輸幅值為0.2～0.6 N時(shí)，試件處于彈性階段，不斷積聚彈性應(yīng)變能；當(dāng)壓力傳感器傳輸幅值為0.8～1.5 N時(shí)，試件處于壓力的強(qiáng)度極限，說明試件處于塑形階段，開始釋放彈性應(yīng)變能，從圖2可看出峰值迅速下降這一現(xiàn)象。該現(xiàn)象表明振動(dòng)實(shí)驗(yàn)試件在閾值附近的壓力幅值突然增加這一現(xiàn)象不但與激振頻率有關(guān)，還與不同配比試件初始狀態(tài)以及其他隨機(jī)因素有關(guān)。

3結(jié)論1）應(yīng)用正交設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了5組力學(xué)參數(shù)相差均勻的材料配比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：加載頻率為10～60 Hz試件的軸向應(yīng)變分別在0.74%，081%，0.94%，1.02%，1.03%及1.12%時(shí)達(dá)到峰值，此時(shí)壓力傳感器傳輸幅值時(shí)間變化閾值分別為32，47，52，62，65及 95 s.說明機(jī)械振動(dòng)加劇了試件局部破壞程度，機(jī)械振動(dòng)力與單軸壓縮力的共同作用促使外部裂隙持續(xù)發(fā)育，不同頻率使得穩(wěn)壓過后應(yīng)力在不同時(shí)間出現(xiàn)較快下降；

2）當(dāng)壓力傳感器傳輸幅值為0.2～0.6 N時(shí)，試件處于彈性階段，不斷積聚彈性應(yīng)變能；當(dāng)壓力傳感器傳輸幅值為0.8～1.5 N時(shí)，試件處于壓力的強(qiáng)度極限，說明試件處于塑形階段，開始釋放彈性應(yīng)變能，從圖2可看出峰值迅速下降這一現(xiàn)象。該現(xiàn)象表明振動(dòng)實(shí)驗(yàn)試件在閾值附近的壓力幅值突然增加這一現(xiàn)象不但與激振頻率有關(guān)，還與不同配比試件初始狀態(tài)以及其他隨機(jī)因素有關(guān)。參考文獻(xiàn)References

[1]錢鳴高，繆協(xié)興，許家林，等.巖層控制的關(guān)鍵層理論[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2000.

QIAN Minggao，MIAO Xiexing，XU Jialin，et al.Key strata theory in ground control[M].Xuzhou：China University of Mining and Technology Press，2000.

[2]胡耀青，趙陽升，楊棟.三維固流耦合相似模擬理論與方法[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，26（2）：204-206.

HU Yaoqing，ZHAO Yangsheng，YANG Dong.Simulation theory and method of 3D solidliquid coupling[J].Journal of Liaoning Technical University：Natural Science Edition，2007，26（2）：204-206.

[3]張杰，侯忠杰.固-液耦合實(shí)驗(yàn)材料的研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004（18）：3 157-3 161.

ZHANG Jie，HOU Zhongjie.Experimental study of simulation materials for solidliquid coupling[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004，23（18）：3 157-3 161.

[4]侯忠杰，張杰.陜北礦區(qū)開采潛水保護(hù)固液兩相耦合實(shí)驗(yàn)及分析[J].湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，19（4）：1-5.

HOU Zhongjie，ZHANG Jie.The solidliquid coupling twophase experiment and analysis of the protection of potential water in northern mining area of Shaanxi[J].Journal of Hunan University of Science and Technology，2004，19（4）：1-5.

[5]李樹忱，馮現(xiàn)大，李術(shù)才，等.新型固流巖石相似材料的研制及其應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29（2）：281-288.

LI Shuchen，F(xiàn)ENG Xianda，LI Shucai，et al. Research and development of a new similar material for solidfluid coupling and its application[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，29（2）：281-288.

[6]蔚立元，李術(shù)才，徐幫樹，等.水下隧道流固耦合模型實(shí)驗(yàn)與數(shù)值分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，30（7）：1 467-1 474.

YU Liyuan，LI Shucai，XU Bangshu，et al.Study of solidfluid coupling model test and numerical analysis of underwater tunnels[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2011，30（7）：1 467-1 474.

[7]李術(shù)才，周毅，李利平，等.地下工程流-固耦合模型實(shí)驗(yàn)新型相似材料的研制及應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012，31（6）：1 128-1 137.

LI Shucai，ZHOU Yi，LI Liping，et al.Development and application of a new similar material for under ground engineering fluidsolid coupling model test[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2012，31（6）：1 128-1 137.

[8]楊永杰，楚俊，郇冬至，等.煤巖固液耦合應(yīng)變-滲透率實(shí)驗(yàn)[J].煤炭學(xué)報(bào)，2008，33（7）：760-764.

YANG Yongjie，CHU jun，XUN Dongzhi，et al.Experimental of coal’s strainperm ability rate under solid and liquid coupling condition[J].Journal of China Coal Society，2008，33（7）：760-764.

[9]潘一山，杜廣林，張永利，等.煤體振動(dòng)方法防治沖擊地壓的機(jī)理研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1999，18（4）：64-68.

PAN Yishan，DU Guanglin，ZHANG Yongli，et al.On the mechanism of rockburst prevention by coal mass vibration[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，1999，18（4）：64-68.

[10]潘一山，杜廣林，張永利，等.煤體振動(dòng)后力學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，1998，20（5）：44-46.

PAN Yishan，DU Guanglin，ZHANG Yongli，et al.An experimental study on the mechanical properties of coal mass after vibration[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，1998，20（5）：44-46.

[11]Litwiniszyn J.A model for the initiation of coalgas outbursts[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences and Geomechanics Abstracts，1985，22（1）：39-46.

[12]李樹剛，錢鳴高，石平五.綜放開采覆巖離層裂隙變化及空隙滲流特性研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2000，19（5）：604-607.

LI Shugang，QIAN Minggao，SHI Pingwu.Abscission layer of overburden rock fracture change and the gap of fullmechanized caving mining research seepage characteristics[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2000，19（5）：604-607.

[13]趙陽升，胡耀青，趙寶虎，等.塊裂介質(zhì)巖體變形與氣體滲流的耦合數(shù)學(xué)模型及其應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào)，2003，28（1）：41-45.

ZHAO Yangsheng，HU Yaoqing，ZHAO Baohu，et al.Chipped medium rock mass deformation and gas seepage coupling mathematical model and its application[J].Journal of China Coal Society，2003，28（1）：41-45.

[14]林海飛，翟雨龍，李樹剛，等.基于正交設(shè)計(jì)的“固-氣”耦合相似材料力學(xué)與滲透特性實(shí)驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2016，41（3）：672-679.

LIN Haifei，ZHAI Yulong，LI Shugang，et al.Research on mechanics and permeability characteristics of similar material of solidgas coupling based on orthogonal design[J].Journal of China Coal Society，2016，41（3）：672-679.