不同剪切速率下煤散體抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究★

曹劍鋒 遲學(xué)海

(黑龍江科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)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(qiáng)度試驗(yàn)研究★

曹劍鋒 遲學(xué)海

(黑龍江科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000)

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

煤散體，剪切速率，抗剪強(qiáng)度，直剪試驗(yàn)

對(duì)于煤散體力學(xué)性質(zhì)的研究在國內(nèi)外比較少，但對(duì)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(xué)性質(zhì)，先后開展了一系列的研究工作，其中力學(xué)試驗(yàn)研究包括室內(nèi)與原位大型試驗(yàn)，如滲透性試驗(yàn)[1，2]、土石混合體重塑制樣試驗(yàn)[3]、大型常規(guī)三軸試驗(yàn)[4]、現(xiàn)場(chǎng)循環(huán)載荷試驗(yàn)[5]、細(xì)觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)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(yàn)[9-12]等。同樣為自然界的巖石散體，煤散體的力學(xué)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(shí)驗(yàn)室，利用黑龍江省煤礦深部開采地壓控制與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的TYJ-500 kN電液伺服巖石剪切流變?cè)囼?yàn)機(jī)，對(duì)煤散體進(jìn)行了不同剪切速率下的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究。

1 電液伺服巖石剪切流變?cè)囼?yàn)機(jī)

TYJ-500 kN電液伺服巖石剪切流變?cè)囼?yàn)機(jī)是一臺(tái)多功能的綜合試驗(yàn)機(jī)，不但可以對(duì)巖石材料進(jìn)行剪切流變?cè)囼?yàn)研究，還可以進(jìn)行巖石單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試等，其最大測(cè)試量程為500 kN，本文所進(jìn)行的煤散體抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)就是在此試驗(yàn)機(jī)內(nèi)完成的(如圖1所示)。

試驗(yàn)機(jī)的剪切盒是立方體的，分上、下兩個(gè)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(yàn)機(jī)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(dòng)采集數(shù)據(jù)。試驗(yàn)過程中保持下盒不動(dòng)，以一定的速度推動(dòng)上盒完成剪切過程，從而對(duì)剪切盒內(nèi)部材料施加剪切作用力Fs，同時(shí)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(qiáng)度試驗(yàn)

2.1 煤散體物理參數(shù)測(cè)試

對(duì)取回的試樣進(jìn)行物理參數(shù)測(cè)試，測(cè)得煤散體的密度為1.056 g/cm3；對(duì)煤散體進(jìn)行顆粒級(jí)配，在試樣內(nèi)隨機(jī)選取三處分別進(jìn)行篩分試驗(yàn)，用試驗(yàn)篩篩分煤散體，對(duì)不同的粒徑級(jí)別進(jìn)行分類，統(tǒng)計(jì)出各個(gè)粒徑級(jí)別所占比例，將三次試驗(yàn)結(jié)果取平均值，成果見圖2。

結(jié)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(yàn)

對(duì)煤散體進(jìn)行直剪試驗(yàn)時(shí)，保持下盒不動(dòng)，以一定的速度推動(dòng)上盒完成剪切過程，從而對(duì)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(duì)剪切應(yīng)力的大小是否會(huì)有影響，為了研究這個(gè)問題，對(duì)煤散體進(jìn)行了不同加載速率的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，綜合分析加載速率對(duì)剪切應(yīng)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(yàn)機(jī)，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(duì)煤散體進(jìn)行試驗(yàn)。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(jìn)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(cè)剪切作用力的變化趨勢(shì)(見圖3)。對(duì)于每組試驗(yàn)找出一個(gè)極限剪力值，即散體抗剪強(qiáng)度的合力Fs，并換算成為剪切應(yīng)力τ；將F換算成為法向應(yīng)力σ。

試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 不同剪切速率下煤散體抗剪強(qiáng)度分析表

剪切速率mm/s不同法向壓力作用下極限剪切應(yīng)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(yīng)力

由表1可知，剪切應(yīng)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(shí)，不同法向壓力作用下極限剪切應(yīng)力全面增大；當(dāng)剪切速率增加到0.20 mm/s時(shí)，剪切應(yīng)力幾乎與剪切速率為0.15 mm/s時(shí)的一致；當(dāng)剪切速率增加到0.25 mm/s時(shí)，除了法向壓力為0 kN時(shí)的剪切應(yīng)力比前一速率時(shí)有所增大外，其他剪切應(yīng)力均減小。結(jié)果表明：剪切應(yīng)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(shì)。

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(shí)，粘聚力C=34.26 kPa；當(dāng)剪切速率增加到0.15 mm/s時(shí)，粘聚力變化為C=48.37 kPa，增長率較大；當(dāng)剪切速率增加到0.20 mm/s時(shí)，粘聚力變化為C=49.01 kPa，較0.15 mm/s速率時(shí)粘聚力的增長率減??；當(dāng)剪切速率增加到0.25 mm/s時(shí)，粘聚力變化為C=49.46 kPa，與0.20 mm/s速率時(shí)增長率較為接近。

結(jié)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(shí)，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(shí)，內(nèi)摩擦角由47.9°增長到55°，增幅較大；當(dāng)剪切速率增加到0.20 mm/s時(shí)，內(nèi)摩擦角由0.15 mm/s速率時(shí)55°減小到54.6°，減幅較??；當(dāng)剪切速率增加到0.25 mm/s時(shí)，內(nèi)摩擦角由0.20 mm/s速率時(shí)54.6°減小到52.2°，減幅較大。

結(jié)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(shì)；剪切速率由0.10 mm/s增加到0.15 mm/s時(shí)，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(shí)，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(shí)，內(nèi)摩擦角繼續(xù)減小，但減小幅度增大(見圖5)。

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

3 結(jié)語

對(duì)煤散體進(jìn)行不同剪切速率下抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究，隨著剪切速率的增加，煤散體的抗剪強(qiáng)度表現(xiàn)出先增大、后減小的趨勢(shì)，內(nèi)摩擦角也呈現(xiàn)出先增大、后減小的趨勢(shì)，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(yàn)研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)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(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2006,28(9):1134-1138.

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

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[11] 徐文杰,胡瑞林,譚儒蛟,等.虎跳峽龍?bào)从野锻潦旌象w野外試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2006,25(6):1270-1277.

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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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：F2315-03)；黑龍江科技大學(xué)2015年碩士研究生創(chuàng)新科研資金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：YJSCX2015-108HKD)

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

TD821

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