CN110068610A - 一种基于超声波波速的充填体损伤检测方法 - Google Patents
一种基于超声波波速的充填体损伤检测方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于超声波速的充填体损伤预测方法，其特征在于包括下列步骤：一是按现场充填体材料比例制备试验膏体试样，二是单轴载荷强度试验确定膏体试样载荷应力σ与超声波波速V关系的数据，三是通过膏体试样σ与V关系的数据建立膏体试样损伤度D的数学模型，通过该数学模型，计算出膏体试样的损伤度D，进而确定现场膏体充填体的损伤度。本发明的优点是：只需要测定现场充填体的超声波波速，通过该数学模型就能够计算出膏体试样的损伤度，进而代替确定和预测现场充填体的损伤程度，方便快捷，为现场充填体的损伤检测提供了理论依据，具有非常广泛的实用性价值。
Description
技术领域
本发明属于矿山膏体充填及矿山充填材料损伤检测相关技术领域，具体涉及一种基于超声波速的充填体损伤检测方法。
背景技术
随着采矿深度的增加，膏体充填被广泛地应用在深部地压控制上，但开采深度越深，其现场温度也越高，过高的环境温度会破坏地下充填体的强度，给充填体造成极大的损伤，除了自然环境温度的破坏，其强度还会受到***震动和现场施工扰动的影响，这些自然环境和人为扰动造成的损伤大大缩短了膏体充填体的使用寿命，也给矿山造成了巨大的人员伤亡和财产损失。关于充填体的损伤检测方面的研究，目前金属矿山并没有一个明确有效的方法，通常还是根据室内试验和现场原位岩心取样的单轴抗压强度来评价膏体的力学性能，然而室内试验只能判断膏体自然养护的强度，并不能判断人为破坏的损伤情况，而现场原位取样测试存在施工扰动和人为破坏问题，膏体充填体的强度测试结果与实际工程中存在较大差异，所以充填体的损伤检测一直是一个难点问题。
超声波检测技术由于其不受构件几何尺寸的影响，超声波检测仪传播时间精度大多在0.1μs以内，测试速度快，对测试构件无损坏，目前广泛应用于混凝土和岩土强度检测。然而，膏体是由尾砂、胶结料、拌和水(工业用水或矿井处理水)组成的混合物，其在组分和配比上与混凝土和岩土存在显著差异，因此其超声特性必然与混凝土超声特性存在较大差异，例如，与混凝土相比，膏体水泥含量低，一般为5％～10.5％，其主要组分尾砂粒径也更小，尾砂粒径一般在几十个微米级别，而混凝土的人工沙大多是毫米级别。而较之岩土，膏体中含有水硬性水泥，其力学特性具有时间相关性。综上可知，膏体在组分、配比以及力学性质方面与混凝土和岩土存在显著差别，因而，现有的混凝土和岩土超声测试理论与技术成果无法直接应用于膏体充填体损伤的超声测试。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于超声波波速的充填体损伤检测方法，通过制备与现场充填体相同比例材料的膏体试样，并对其进行单轴载荷强度试验，建立膏体试样损伤度基于超声波波速的数学模型，然后通过测定膏体充填体的超声波速来计算膏体试样的损伤度，从而代替确定现场充填体的损伤度。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
本发明的一种基于超声波波速的充填体损伤检测方法，其特征在于，包括下列步骤：
步骤一、膏体试样的制备与养护
实测获取现场膏体充填体的材料比例，制作与现场膏体充填体相同材料比例的多个膏体试样；
步骤二、单轴载荷强度试验确定膏体试样载荷应力σ与超声波波速V关系的数据
利用单轴压缩试验机和超声波检测仪对多组膏体试样进行单轴载荷强度测试，直至膏体试样破裂为止，测得膏体试样的载荷应力σ与超声波波速V关系的数据平均值；
步骤三、通过膏体试样σ与V关系的数据建立膏体试样损伤度D的数学模型
根据单轴单轴载荷强度试验在膏体试样压缩过程中的载荷应力σ与超声波波速V关系的实测数据，通过数据处理和指数曲线拟合方法，建立膏体试样的损伤度D与载荷应力水平关系的通用数学模型如下：
式中：A、B和C为待定常数；
通过该数学模型，计算出膏体试样的损伤度D，进而确定现场膏体充填体的损伤度。
所述的步骤一膏体试样的制备与养护包括：
(1.1)膏体试样制备：按照实测现场充填体的材料比例，将配制好的尾砂、水泥和水置于搅拌机中搅拌均匀，然后进行模具装料，制成的长宽高都为100mm的标准膏体立方体试样；
(1.2)膏体试样养护：将制成的长宽高都为100mm的标准膏体立方体试样置于湿度为95％，温度为20℃的恒温养护箱中养护，养护期为28天龄期。
所述的步骤二单轴载荷强度测试确定膏体试样载荷应力σ与超声波波速V关系的数据包括：
(2.1)膏体试样单轴载荷强度测试准备：
超声波检测仪采用瑞士Proceq公司研究的Pundit Lab+混凝土的超声波检测仪，在膏体试样养护28天的时候，对载荷作用下的膏体试样进行超声波脉冲速度(UPV)测试准备，测试前对膏体试样的两端端面进行抛光磨平，用于保证传感器表面与试样表面之间具有良好的耦合性，超声波检测仪包括发射器和接收器，将传感器发射器和接收器放在膏体试样两个相对的端面上，
(2.2)膏体试样单轴载荷强度测试过程：
膏体试样单轴抗压强度测试采用美国HUMBOLDT HM-5030加载试验机，测试时，一边开启单轴压缩试验机进行加载测定载荷应力σ，同时一一对应测定膏体试样的超声波波速V，直到膏体试样发生破坏，测试结束；重复测定至少三组以上膏体试样，最后求出超声波波速V的平均值和载荷应力σ的平均值；测试时加载速率设定为1mm/min，同组膏体试样应力值的误差在±10％范围内；
(2.3)最大载荷应力值σmax的测量：测试膏体试样压坏时得到最大载荷应力值σmax，为膏体试样的破坏强度；
(2.4)膏体试样测试开始时的超声波波速值V0的测量：膏体试样刚开始测试时得到的对应的超声波波速值V0。
所述的步骤三通过曲线拟合建立膏体试样损伤度D的数学模型，包括：
(3.1)数据整理与推论
通过对测得的膏体试样的载荷应力σ与超声波波速V关系的数据平均值进行归一化处理，获得在单轴压缩过程中膏体试样关系的数据，其中：
为载荷应力水平，
σ：为与超声波波速值V对应的膏体试样的载荷应力值，Mpa,
σmax：膏体试样损伤时的最大载荷应力值，为膏体试样的破坏强度，Mpa,
为超声波波速水平，
V：为超声波波速值，m/s,
V0：为膏体试样单轴载荷强度测试开始时的超声波波速值,m/s；
根据岩石力学Lemaitre应变等价原理，连续介质材料损伤过程中某截面上单位面积的有效应力由下式求出：
σ*＝Eε*(1-D) (3)
式中σ*为有效应力；E为弹性模量；ε*为有效应变；D为连续介质材料的损伤度；
由式(3)可得
D＝1-E*/E (4)
其中，E*＝σ*/ε*；
根据材料力学和物理学的原理，测试介质材料的弹性模量E与超声波在测试介质材料中的传播速度V存在下述关系：
其中：ρ为介质的密度，γ为泊松比；
将式(5)代入(4)中，可得连续介质材料的损伤度D与超声波波速水平的函数关系式：
(3.2)膏体试样损伤度与应力水平关系的通用数学模型
将关系的数据代入以上推导得到膏体试样损伤度的方程(6)，得到膏体试样损伤度随应力水平关系的数据组群，再把该数据组群进行指数曲线拟合，即得到了一个关于损伤度与应力水平关系的通用数学模型：
式中：A、B和C为待定常数；
通过膏体试样损伤度与应力水平关系的数据，确定具体的A、B和C数值，得到膏体试样损伤度的具体数学模型，计算出膏体试样的损伤度，进而确定现场膏体充填体的损伤度。
所述的超声波检测仪，其传播时间精度为0.1μs，测量频率为54kHz，测量基座的长度精度为0.1毫米以内，传感器直径为42mm。
所述的美国HUMBOLDT HM-5030加载试验机，其压力传感器精度为0.0001N，位移传感器测量精度为0.0001mm，最大加载能力为50kN。
本发明的优点：
该方法可以方便快捷的获取膏体充填体的损伤度，通过具体数据来了解膏体充填体的损伤情况，此方法不但可以检测出膏体充填体后期的损伤情况，还可以避免现场原位岩心取样扰动对膏体充填体的影响，具有非常高效快捷的优点，尤其适合现场膏体充填体损伤的快速判断，为矿井生产的合理安排提供数据支持，具有非常广泛的实用性。
附图说明
图1为膏体试样损伤度与应力水平关系的数据及拟合曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例一
本发明的一种基于超声波波速的充填体损伤预测方法，其特征在于，包括下列步骤：
步骤一、膏体试样的制备与养护
实测获取现场膏体充填体的材料比例，制作与现场膏体充填体相同材料比例的多个膏体试样；
(1.1)膏体试样制备：
按照实测现场膏体充填体的材料比例，将按照表1比例配制好的尾砂、水泥和水置于搅拌机中搅拌均匀，然后进行试模模具装料，制成长宽高都为100mm的标准膏体立方体试样；
表1膏体试样的材料比例
| 胶结剂类型 | 胶结剂含量(％) | 尾砂含量(％) | 水灰比 |
| 水泥型一 | 7 | 93 | 3.9 |
a.试样材料准备
制备膏体试样前一天，提前按照表1材料配比将尾砂和胶结剂材料、水在温度为20℃的恒温室内放置12h，使材料温度保持在20℃。
b.试样搅拌混合
搅拌时，先将称量好的尾砂和胶结剂材料在搅拌机中混合均匀，再把水倒入搅拌机中，搅拌10分钟至料浆充分搅拌均匀，搅拌结束；
c.膏体料浆塌落度测试
膏体料浆制备完成后，按照ASTM C143水硬性水泥混凝土坍落度的标准试验方法，使用标准锥形塌落筒对料浆的坍塌度进行测试，得到料浆的坍塌度为18cm，介于膏体塌落度范围15～25cm之间，满足膏体输送要求；
d.向试模内注入膏体
先在塑料试模内壁事先均匀涂抹一层薄脱模油，然后分三次注满，每次注入试模高度的三分之一，用捣棒均匀地由外向里按顺时针方向夯实20次，如此重复直到装满为止。为了防止低稠度料浆发生过量沉降，每次封顶使料浆高出试模顶面5～8mm；当膏体料浆失去流动性之后(10～15分钟)，将高出部分膏体用刮刀沿试模顶面刮去抹平；然后将试模封盖，并在盖子四周用防水胶带缠绕密封。
(1.2)膏体试样养护
在常温环境下养护，将标准恒温湿养护箱调到相对湿度为95％，温度为20℃，然后将密封好的注浆试模水平放入到养护箱内，在养护期间应该保证养护箱内的水箱正常供水。
步骤二、单轴载荷强度试验确定膏体试样σ～V关系的数据
利用单轴压缩试验机和超声波检测仪对多组膏体试样进行单轴载荷强度测试，直至膏体试样破裂为止，测得膏体试样的载荷应力σ与超声波波速V关系的数据平均值，其中：σ：为与超声波波速值V对应的膏体试样的载荷应力，MPa，V：为超声波波速，m/s，
(2.1)膏体试样单轴载荷强度试验准备：
超声波检测仪采用瑞士Proceq公司研究的Pundit Lab+混凝土的超声波检测仪，膏体试样养护时间为28天，测试前对膏体试样的两端端面进行抛光磨平，用于保证传感器表面与试样表面之间具有良好的耦合性，超声波检测仪包括发射器和接收器，将传感器发射器和接收器放在膏体试样两个相对的端面上；
(2.2)膏体试样单轴载荷强度试验测试过程：
膏体试样单轴抗压强度测试采用美国HUMBOLDT HM-5030加载试验机，测试时加载速率设定为1mm/min，同组膏体试样最大应力值的差值在±10％范围内，最小应力值的差值也在±10％范围内；测试时，一边开启单轴压缩试验机进行加载测定载荷应力σ，同时一一对应测定膏体试样的超声波波速V，直到膏体试样发生破坏，测试结束；重复测定四组膏体试样，最后求出超声波波速V的平均值和载荷应力σ的平均值；
(2.3)最大载荷应力值σmax的测量：测试膏体试样压坏时得到最大载荷应力值σmax，为膏体试样的破坏强度；
(2.4)膏体试样测试开始时的超声波波速值V0的测量：膏体试样刚开始测试时得到的对应的超声波波速值V0。
所述的超声波检测仪，其传播时间精度为0.1μs，测量频率为54kHz，测量基座的长度精度为0.1毫米以内，传感器直径为42mm。
所述的美国HUMBOLDT HM-5030加载试验机，其压力传感器精度为0.0001N，位移传感器测量精度为0.0001mm，最大加载能力为50kN。
步骤三、通过曲线拟合建立膏体试样损伤度D的数学模型，包括：
(3.1)数据整理与推论
通过对测得的膏体试样的载荷应力σ与超声波波速V关系的数据平均值进行归一化处理，获得在单轴压缩过程中膏体试样关系的数据，其中：
为载荷应力水平，
σ：为与超声波波速值V对应的膏体试样的载荷应力值，MPa，
σmax：膏体试样损伤时的最大载荷应力值，为膏体试样的破坏强度，MPa，
为超声波波速水平，
V：为超声波波速值，m/s，
V0：为膏体试样单轴载荷强度测试开始时的超声波波速值；m/s，
根据岩石力学Lemaitre应变等价原理，连续介质材料损伤过程中某截面上单位面积的有效应力由下式求出：
σ*＝Eε*(1-D)(3)
式中σ*为有效应力；E为弹性模量；ε*为有效应变；D为连续介质材料的损伤度；
由式(3)可得
D＝1-E*/E (4)
其中，E*＝σ*/ε*；
根据材料力学和物理学的原理，测试介质材料的弹性模量E与超声波在测试介质材料中的传播速度V存在下述关系：
其中：ρ为介质的密度，γ为泊松比，
将式(5)代入(4)中，可得连续介质材料的损伤度D与超声波波速水平的函数关系式：
(3.2)膏体试样损伤度与应力水平关系的数学模型
将关系的数据代入以上推导得到膏体试样损伤度的方程(6)，得到膏体试样损伤度与应力水平关系的数据组群如图1所示，对此数据组群进行指数曲线拟合，即得到了一个养护龄期为28天的膏体试样损伤度随应力水平变化的关系曲线如图1所示，该关系曲线的具体数学模型如下：
数学模型(7)的方差分析：
表2数学模型方差分析表
从表1可以看出，R2为0.970，说明数学模型(7)与数据之间具有较好的相关性，并且F检验的P值也是小于0.05，所以所拟合的方程曲线具有较高的可靠性。
从拟合的方程曲线也可以看出，膏体试样的损伤度随着载荷随应力水平的增加不是快速上升的过程，而是一个缓慢上升的过程，膏体试样损伤度在载荷随应力水平增加的前期变化不大，具有一段较稳定的损伤度的范围，约在时，膏体试样损伤度才开始迅速增大，最后达到破坏，因此将对应的D定义为膏体试样破坏的标准，从图1可以看出，此时的损伤值D为0.1～0.15之间，这为更好地了解现场膏体充填体在荷载作用下的受力损伤情况提供了依据。
实施例二
表3膏体试样的材料比例
| 胶结剂类型 | 胶结剂含量(％) | 尾砂含量(％) | 水灰比 |
| 水泥型二 | 10 | 90 | 3.9 |
通过改变不同的胶结剂含量来得到不同强度的膏体立方体试样，本组实验中胶结剂含量采用10％水泥，90％尾砂含量，水灰比3.9，重复实施例一中的步骤，可以得到一个养护龄期为28天的膏体试样损伤度随应力水平变化的关系曲线，该关系曲线的具体数学模型如下：
数学模型(8)的方差分析：
表4数学模型方差分析表
实施例三
表5膏体试样的材料比例
| 胶结剂类型 | 胶结剂含量(％) | 尾砂含量(％) | 水灰比 |
| 粉煤灰型一 | 10(水泥:粉煤灰＝7:3) | 90 | 3.9 |
通过添加水泥添加剂来改变胶结剂的种类，从而得到不同强度的膏体立方体试样，本组实验中胶结剂含量采用10％(其中水泥占30％，粉煤灰占30％)的比例，90％尾砂含量保持不变水灰比3.9，重复实施例一中的步骤，可以得到一个养护龄期为28天的膏体立方体试样损伤度随应力水平变化的关系曲线，该关系曲线的具体数学模型如下：
数学模型(9)的方差分析：
表6数学模型方差分析表
本发明所建立的膏体试样损伤度的数学模型，可以根据矿井现场膏体充填体的生产需要，灵活调配材料比例，原则上试验室内材料配比应该跟矿井现场膏体充填体材料配比相同，而且室内试验测试数据越多，现场膏体充填体损伤度的预测就越精确。通过膏体试样损伤度的数学模型，只需要测定现场膏体充填体的超声波速，能够计算出膏体试样损伤度，进而确定现场膏体充填体损伤度，为现场膏体充填体的损伤检测提供了理论依据。
Claims (6)
1.一种基于超声波波速的充填体损伤检测方法，其特征在于，包括下列步骤：
步骤一、膏体试样的制备与养护
实测获取现场膏体充填体的材料比例，制作与现场膏体充填体相同材料比例的多个膏体试样；
步骤二、单轴载荷强度试验确定膏体试样载荷应力σ与超声波波速V关系的数据
利用单轴压缩试验机和超声波检测仪对多组膏体试样进行单轴载荷强度测试，直至膏体试样破裂为止，测得膏体试样的载荷应力σ与超声波波速V关系的数据平均值；
步骤三、通过膏体试样σ与V关系的数据建立膏体试样损伤度D的数学模型
根据单轴单轴载荷强度试验在膏体试样压缩过程中的载荷应力σ与超声波波速V关系的实测数据，通过数据处理和指数曲线拟合方法，建立膏体试样的损伤度D与载荷应力水平关系的通用数学模型如下：
式中：A、B和C为待定常数；
通过该数学模型，计算出膏体试样的损伤度D，进而确定现场膏体充填体的损伤度。
2.根据权利要求1所述的一种基于超声波波速的充填体损伤检测方法，其特征在于，所述的步骤一膏体试样的制备与养护包括：
(1.1)膏体试样制备：按照实测现场充填体的材料比例，将配制好的尾砂、水泥和水置于搅拌机中搅拌均匀，然后进行模具装料，制成长宽高都为100mm的标准膏体立方体试样；
(1.2)膏体试样养护：将制成的长宽高都为100mm的标准膏体立方体试样置于湿度为95％，温度为20℃的恒温养护箱中养护，养护期为28天龄期。
3.根据权利要求1所述的一种基于超声波波速的充填体损伤检测方法，其特征在于，所述的步骤二单轴载荷强度测试确定膏体试样载荷应力σ与超声波波速V关系的数据包括：
(2.1)膏体试样单轴载荷强度测试准备：
超声波检测仪采用瑞士Proceq公司研究的Pundit Lab+混凝土的超声波检测仪，在膏体试样养护28天的时候，对载荷作用下的膏体试样进行超声波脉冲速度(UPV)测试准备，测试前对膏体试样的两端端面进行抛光磨平，用于保证传感器表面与试样表面之间具有良好的耦合性，超声波检测仪包括发射器和接收器，将传感器发射器和接收器放在膏体试样两个相对的端面上，
(2.2)膏体试样单轴载荷强度测试过程：
膏体试样单轴抗压强度测试采用美国HUMBOLDT HM-5030加载试验机，测试时，一边开启单轴压缩试验机进行加载测定载荷应力σ，同时一一对应测定膏体试样的超声波波速V，直到膏体试样发生破坏，测试结束；重复测定至少三组以上膏体试样，最后求出超声波波速V的平均值和载荷应力σ的平均值；测试时加载速率设定为1mm/min，同组膏体试样应力值的误差在±10％范围内；
(2.3)最大载荷应力值σmax的测量：测试膏体试样压坏时得到最大载荷应力值σmax，为膏体试样的破坏强度；
(2.4)膏体试样测试开始时的超声波波速值V0的测量：膏体试样刚开始测试时得到的对应的超声波波速值V0。
4.根据权利要求1所述的一种基于超声波波速的充填体损伤检测方法，其特征在于，所述的步骤三通过曲线拟合建立膏体试样损伤度D的数学模型，包括：
(3.1)数据整理与推论
通过对测得的膏体试样的载荷应力σ与超声波波速V关系的数据平均值进行归一化处理，获得在单轴压缩过程中膏体试样关系的数据，其中：
为载荷应力水平，
σ：为与超声波波速值V对应的膏体试样的载荷应力值，Mpa,
σmax：膏体试样损伤时的最大载荷应力值，为膏体试样的破坏强度，Mpa,
为超声波波速水平，
V：为超声波波速值，m/s,
V0：为膏体试样单轴载荷强度测试开始时的超声波波速值,m/s；
根据岩石力学Lemaitre应变等价原理，连续介质材料损伤过程中某截面上单位面积的有效应力由下式求出：
σ*＝Eε*(1-D) (3)
式中σ*为有效应力；E为弹性模量；ε*为有效应变；D为连续介质材料的损伤度；
由式(3)可得
D＝1-E*/E (4)
其中，E*＝σ*/ε*；
根据材料力学和物理学的原理，测试介质材料的弹性模量E与超声波在测试介质材料中的传播速度V存在下述关系：
其中：ρ为介质的密度，γ为泊松比；
将式(5)代入(4)中，可得连续介质材料的损伤度D与超声波波速水平的函数关系式：
(3.2)膏体试样损伤度与应力水平关系的通用数学模型
将关系的数据代入以上推导得到膏体试样损伤度的方程(6)，得到膏体试样损伤度随应力水平关系的数据组群，再把该数据组群进行指数曲线拟合，即得到了一个关于损伤度与应力水平关系的通用数学模型：
式中：A、B和C为待定常数；
通过膏体试样损伤度与应力水平关系的数据，确定具体的A、B和C数值，得到膏体试样损伤度的具体数学模型，计算出膏体试样的损伤度，进而确定现场膏体充填体的损伤度。
5.根据权利要求3所述的一种基于超声波速的充填体损伤预测方法，其特征在于，所述的超声波检测仪，其传播时间精度为0.1μs，测量频率为54kHz，测量基座的长度精度为0.1毫米以内，传感器直径为42mm。
6.根据权利要求3所述的一种基于超声波速的充填体损伤预测方法，其特征在于，所述的美国HUMBOLDT HM-5030加载试验机，其压力传感器精度为0.0001N，位移传感器测量精度为0.0001mm，最大加载能力为50kN。
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|---|---|---|---|
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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Application publication date: 20190730 |
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| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |