CN114199705A - 一种用于煤岩材料动态剪切试验的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于煤岩材料动态剪切试验的装置，透射杆以及入射杆上均贴合有应变片用于测量不同荷载下对应的应变脉冲，套筒的前盖内径与透射杆直径一致用于套接透射杆，套筒的后端内径与剪切装置垫块的外径一致用于套接剪切装置垫块，剪切装置垫块前端与透射杆接触；剪切装置垫块后端设有凹槽，凹槽的大小与入射杆的外径相匹配，剪切装置垫块后端紧密接触煤岩材料试件，煤岩材料试件与入射杆接触。本发明还提供了一种用于煤岩材料动态剪切试验的方法。本发明通过对SHPB***进行改进，适用于测定煤岩材料的动态剪切强度，解决了煤岩材料在中高应变加载率下剪切强度难以测量计算的问题。本发明结构简单，安装拆卸方便，可以保证试验的精准度。

Description

一种用于煤岩材料动态剪切试验的装置及方法

技术领域

本发明涉及煤岩材料力学性能测试技术领域，特别涉及一种用于煤岩材料动态剪切试验的装置及方法。

背景技术

矿山生产中存在着多种形式的煤岩高加载率变形现象，如掘进开挖、***震动或顶板断裂等，这些活动产生的高加载率动载荷将引发煤岩发生剪切破坏，继而影响围岩稳定性，因此，对煤岩材料动态剪切破坏过程的力学特性进行研究显得尤为重要。

分离式霍普金森压杆(SHPB)被公认为是研究中高应变加载率下材料力学特性最常用且最有效的实验设备。目前，利用SHPB研究的动力学问题大都集中在高应变加载率作用下材料的动态压缩和拉伸问题，然而，在动态剪切试验方面，前人也做了一些相关研究，如基于SHPB装置，将试样进行改造成帽形或其他形状，但由于其本身形状复杂、加工困难，导致应力状态复杂，难以定量测试结果；亦或是对其杆系进行改造，虽然可对煤岩试样进行动态剪切试验，但由于杆系装置结构复杂，可能会造成试验难以达到应力平衡条件，并且在剪切应变较大时，试件端部相对于中段有转动，导致试件不再以纯剪切方式变形。

发明内容

为解决上述问题，本发明旨在提出一种用于煤岩材料动态剪切试验的装置及方法，通过对SHPB***进行改进，使其适用于测定煤岩材料的动态剪切强度，解决了煤岩材料在中高应变加载率下剪切强度难以测量计算的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种用于煤岩材料动态剪切试验的装置，包括透射杆、应变片、剪切装置套筒、剪切装置垫块、煤岩材料试件以及入射杆，所述透射杆以及入射杆上均贴合有应变片用于测量不同荷载下对应的应变脉冲，所述剪切装置套筒的前盖内径与透射杆直径一致用于套接透射杆，剪切装置套筒的后端内径与剪切装置垫块的外径一致用于套接剪切装置垫块，所述剪切装置垫块前端与透射杆接触；所述剪切装置垫块后端设有凹槽，凹槽的大小与入射杆的外径相匹配，所述剪切装置垫块后端紧密接触煤岩材料试件，所述煤岩材料试件与入射杆接触。

进一步的，所述透射杆、剪切装置套筒、剪切装置垫块、煤岩材料试件以及入射杆的轴心重合。

进一步的，所述剪切装置套筒、剪切装置垫块、煤岩材料试件上均覆盖有一层润滑剂。

进一步的，所述透射杆以及入射杆外径相同且均为SHPB装置，所述剪切装置垫块、煤岩材料试件的直径均相同。

进一步的，所述剪切装置套筒的前盖外径大前盖内径O.8mm。

进一步的，所述煤岩材料试件的直径为入射杆直径的1.5-2.5倍，所述应变片为电阻应变片。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种用于煤岩材料动态剪切试验的方法，包括以下步骤：

S1、根据国际岩石力学学会推荐标准制备煤岩材料试件，测量煤岩材料试件几何尺寸；

S2、在入射杆和透射杆各贴一个电阻应变片；

S3、将煤岩材料试件夹在剪切装置垫块与入射杆之间，煤岩材料试件前表面与入射杆接触，煤岩材料试件后表面与剪切装置垫块的凹槽的一面接触，剪切装置套筒前盖套在透射杆上，剪切装置垫块放入剪切装置套筒内，剪切装置垫块另一面与透射杆接触，凹槽直径大小与透射杆以及入射杆的直径一致；

S4、冲剪煤岩材料试件轴心、剪切装置垫块轴心、入射杆、透射杆以及剪切装置套筒轴心均重合，使用润滑剂润滑各个部件的连接处；

S5、调节气缸压力并确认数据采集***处于等待触发状态，安全警告后，发射子弹撞击入射杆；

S6、将测试数据存盘，通过计算得出煤岩材料试件的剪切面的应力值。

进一步的，所述煤岩材料试件的剪切面的应力值的计算公式为：

式中，τ为试样剪切面的应力，MPa；A₀为试验杆的横截面积，mm²；E₀试验杆的弹性模量，GPa；εi(t)、ε_r(t)和ε_t(t)分别为入射杆(6)和透射杆(1) 的应变脉冲；d₀为试验杆直径，mm；B为试样厚度，mm。

有益效果：本发明通过对SHPB***进行改进，适用于测定煤岩材料的动态剪切强度，解决了煤岩材料在中高应变加载率下剪切强度难以测量计算的问题。本发明结构简单，安装拆卸方便，可以保证试验的精准度。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的用于煤岩材料动态剪切试验的装置的结构示意图；

图2为本发明实施例所述的用于煤岩材料动态剪切试验的装置的右视图；

图3为图2中的A-A剖视图；

图4为本发明实施例的动态应力平衡曲线图；

图5为本发明实施例的动态剪应力时程曲线图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

实施例1

参见图1-3：一种用于煤岩材料动态剪切试验的装置，包括透射杆1、应变片2、剪切装置套筒3、剪切装置垫块4、煤岩材料试件5以及入射杆6，所述透射杆1以及入射杆6上均贴合有应变片2用于测量不同荷载下对应的应变脉冲，所述剪切装置套筒3的前盖内径与透射杆1直径一致用于套接透射杆1，剪切装置套筒3的后端内径与剪切装置垫块4的外径一致用于套接剪切装置垫块4，所述剪切装置垫块4前端与透射杆1接触；所述剪切装置垫块4后端设有凹槽，凹槽的大小与入射杆6的外径相匹配，所述剪切装置垫块4后端紧密接触煤岩材料试件5，所述煤岩材料试件5与入射杆6接触。

本实施例当入射杆对煤岩材料试件进行撞击时，煤岩材料试件会挤入剪切装置垫块后端的凹槽内，从而使试件中心产生环形剪切破坏，通过入射杆以及透射杆上的应变片测试不同荷载下对应的应变脉冲，通过计算即可得出煤岩试件剪切面的最大应力值，即煤岩试件的最大抗剪切强度。

在一具体的实例中，所述透射杆1、剪切装置套筒3、剪切装置垫块4、煤岩材料试件5以及入射杆6的轴心重合。

本实施例在测试时，上述部件在同一个轴心上，从而提高了测试过程的准确性。

在一具体的实例中，所述剪切装置套筒3、剪切装置垫块4、煤岩材料试件5上均覆盖有一层润滑剂。

本实施例通过润滑剂减小摩擦力，防止摩擦力干扰试验误差，使得动态剪切试验更加顺利的进行，提高了测试过程的准确性。

在一具体的实例中，所述透射杆1以及入射杆6外径相同且均为SHPB装置，所述剪切装置垫块4、煤岩材料试件5的直径均相同。

本实施例保持上述部件外径以及直径一致，提高了测试过程的准确性。

在一具体的实例中，所述剪切装置套筒3的前盖外径大前盖内径O.8mm，所述煤岩材料试件5的直径为入射杆6直径的1.5-2.5倍，所述应变片2为电阻应变片。

本实施例在具体实施时，煤岩材料试件直径可以采用入射杆直径的2倍。

实施例2

为了实现上述目的，本实施例还提供了一种用于煤岩材料动态剪切试验的方法，包括以下步骤：

S1、根据国际岩石力学学会推荐标准制备煤岩材料试件5，测量煤岩材料试件5几何尺寸；

S2、在入射杆6和透射杆1各贴一个电阻应变片；

S3、将煤岩材料试件5夹在剪切装置垫块4与入射杆6之间，煤岩材料试件5前表面与入射杆6接触，煤岩材料试件5后表面与剪切装置垫块4的凹槽的一面接触，剪切装置套筒3前盖套在透射杆1上，剪切装置垫块4放入剪切装置套筒3内，剪切装置垫块4另一面与透射杆1接触，凹槽直径大小与透射杆1以及入射杆6的直径一致；

S4、冲剪煤岩材料试件5轴心、剪切装置垫块4轴心、入射杆6、透射杆1以及剪切装置套筒3轴心均重合，使用润滑剂润滑各个部件的连接处；

S5、调节气缸压力并确认数据采集***处于等待触发状态，安全警告后，发射子弹撞击入射杆6；

S6、将测试数据存盘，通过计算得出煤岩材料试件5的剪切面的应力值。

需要说明的是，本实施例的测试数据包括波形图以及相关数据文件。

在一具体的实例中所述煤岩材料试件5的剪切面的应力值的计算公式为：

式中，τ为试样剪切面的应力，MPa；A₀为试验杆的横截面积，mm²；E₀试验杆的弹性模量，GPa；ε_i(t)、ε_r(t)和ε_t(t)分别为入射杆6和透射杆1的应变脉冲；d₀为试验杆直径，mm；B为试样厚度，mm。

需要说明的是，εi(t)、εr(t)均通过入射杆测得。

以下为本实施例的试验原理以及实验数据说明：

如图3所示，由于垫块有一个凹槽，在受到冲击荷载时，试件受到冲击荷载时，由于试件直径大于凹槽直径，试件会被挤入凹槽，从而使试件中心产生环形剪切破坏。由图4可知，入射波与反射波的合成波与透射波基本重合，表明在试验过程中试样左右两端受力相等，满足SHPB的一维应力波假设和均匀性假设的要求。根据波形图并结合Matlab软件，得到应变片测量结果(ε_i(t)、ε_r(t)和ε_t(t))，按照下式计算得到煤岩试件剪切面的应力为：

式中，τ为试样剪切面的应力，MPa；A₀为试验杆的横截面积，mm²；E₀试验杆的弹性模量，GPa；ε_i(t)、ε_r(t)和ε_t(t)分别为入射杆、撞击杆和透射杆的应变脉冲；d₀为试验杆直径，mm；B为试样厚度，mm。

如图5所示，动态剪应力时程曲线的峰值即为煤岩的剪切破坏应力，即动态剪切强度，加载率通过峰值应力前直线段的斜率拟合得到。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于煤岩材料动态剪切试验的装置，其特征在于，包括透射杆(1)、应变片(2)、剪切装置套筒(3)、剪切装置垫块(4)、煤岩材料试件(5)以及入射杆(6)，所述透射杆(1)以及入射杆(6)上均贴合有应变片(2)用于测量不同荷载下对应的应变脉冲，所述剪切装置套筒(3)的前盖内径与透射杆(1)直径一致用于套接透射杆(1)，剪切装置套筒(3)的后端内径与剪切装置垫块(4)的外径一致用于套接剪切装置垫块(4)，所述剪切装置垫块(4)前端与透射杆(1)接触；所述剪切装置垫块(4)后端设有凹槽，凹槽的大小与入射杆(6)的外径相匹配，所述剪切装置垫块(4)后端紧密接触煤岩材料试件(5)，所述煤岩材料试件(5)与入射杆(6)接触。

2.根据权利要求1所述的用于煤岩材料动态剪切试验的装置，其特征在于，所述透射杆(1)、剪切装置套筒(3)、剪切装置垫块(4)、煤岩材料试件(5)以及入射杆(6)的轴心重合。

3.根据权利要求1所述的用于煤岩材料动态剪切试验的装置，其特征在于，所述剪切装置套筒(3)、剪切装置垫块(4)、煤岩材料试件(5)上均覆盖有一层润滑剂。

4.根据权利要求1所述的用于煤岩材料动态剪切试验的装置，其特征在于，所述透射杆(1)以及入射杆(6)外径相同且均为SHPB装置，所述剪切装置垫块(4)、煤岩材料试件(5)的直径均相同。

5.根据权利要求1所述的用于煤岩材料动态剪切试验的装置，其特征在于，所述剪切装置套筒(3)的前盖外径大前盖内径O.8mm。

6.根据权利要求1所述的用于煤岩材料动态剪切试验的装置，其特征在于，所述煤岩材料试件(5)的直径为入射杆(6)直径的1.5-2.5倍，所述应变片(2)为电阻应变片。

7.一种用于煤岩材料动态剪切试验的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据国际岩石力学学会推荐标准制备煤岩材料试件(5)，测量煤岩材料试件(5)几何尺寸；

S2、在入射杆(6)和透射杆(1)各贴一个电阻应变片；

S3、将煤岩材料试件(5)夹在剪切装置垫块(4)与入射杆(6)之间，煤岩材料试件(5)前表面与入射杆(6)接触，煤岩材料试件(5)后表面与剪切装置垫块(4)的凹槽的一面接触，剪切装置套筒(3)前盖套在透射杆(1)上，剪切装置垫块(4)放入剪切装置套筒(3)内，剪切装置垫块(4)另一面与透射杆(1)接触，凹槽直径大小与透射杆(1)以及入射杆(6)的直径一致；

S4、冲剪煤岩材料试件(5)轴心、剪切装置垫块(4)轴心、入射杆(6)、透射杆(1)以及剪切装置套筒(3)轴心均重合，使用润滑剂润滑各个部件的连接处；

S5、调节气缸压力并确认数据采集***处于等待触发状态，安全警告后，发射子弹撞击入射杆(6)；

S6、将测试数据存盘，通过计算得出煤岩材料试件(5)的剪切面的应力值。

8.根据权利要求7所述的用于煤岩材料动态剪切试验的方法，其特征在于，所述煤岩材料试件(5)的剪切面的应力值的计算公式为：

式中，τ为试样剪切面的应力，MPa；A₀为试验杆的横截面积，mm²；E₀试验杆的弹性模量，GPa；ε_i(t)、ε_r(t)和ε_t(t)分别为入射杆(6)和透射杆(1)的应变脉冲；d₀为试验杆直径，mm；B为试样厚度，mm。

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