DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2017.05
23文章编号： 1672-9315（2017）05-0750-05
摘要：为进一步研究“固-气”耦合相似材料力学特性，应用正交设计方法，设计5组力学参数相差均匀的材料配比，自行研制煤岩体单轴约束下振动及测试系统，研究了不同振动频率下相似材料力学特性变化规律，实验表明：加载频率为10～60 Hz试件的轴向应变分别在0.74%，081%，0.94%，1.02%，1.03%及1.12%时达到峰值，此时压力传感器传输幅值时间变化阈值分别为32，47，52，62，65及 95 s.当压力传感器传输幅值为0.2～0.6 N时，试件处于弹性阶段，不断积聚弹性应变能；当压力传感器传输幅值为0.8～1.5 N时，试件处于压力的强度极限，说明试件处于塑形阶段，开始释放弹性应变能。为“固-气”耦合物理相似模拟实验的开展进一步补充了实验基础。关键词：相似材料；机械振动；力学特性；振动幅值中图分类号：X 936
文献标志码： 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引言目前解決矿井瓦斯灾害的主要手段包括采动卸压瓦斯的抽采、通风技术及预防煤与瓦斯突出技术。而采动卸压瓦斯抽采技术就要求明确煤层开采上覆岩层裂隙演化及其中瓦斯运移规律[1-4]。解决这一问题的主要方法是室内物理相似模拟实验，而包含“固-气”耦合问题的相似模拟尤其复杂。首先固流藕合的相似理论的研究尚未见到；其次是模拟材料必须同时满足固体变形和渗透性相似2个条件，这就给相似材料研制带来相当大的困难；第三方面涉及模拟设备的密封及其测试手段。因此借鉴于“固-流”耦合物理相似材料时间、胶砂比及养护方式等不同因素对相似材料试件的影响等配比问题，研制相应“固-气”耦合物理相似材料配比。李树忱、蔚立元研制出一种新型的固流耦合相似材料（PSTO），这种材料用砂和滑石粉作为骨料，石蜡作为胶结剂，并配以适量调节剂混介而成[5-6]；李术才等研制出一种由砂、重晶石粉、滑石粉、水泥、凡士林、硅油和适量拌合水组成的新型流-固耦合相似材料（SCVO）[7]。杨永杰等认为煤岩的应变渗透率变化曲线与其全应力应变曲线变化趋势基本一致，但表现出相对“滞后”的特点[8]；潘一山等通过实验研究了振动对煤体力学性质的影响，发现受振后煤体的抗压强度、弹性模量和降模量降低，且受振时间越长或初应力水平越高，振动对煤体力学性质的影响越明显[9-10]；通过相似模拟实验得出综放开采过程中覆岩离层裂隙变化形态，给出关键层初次破断前后离层裂隙当量面积和不同裂隙发育区的空隙渗透系数的理论[11]。在分析“固-气”耦合物理相似材料力学特性问题上不够全面，有必要通过施加相应外界条件进一步对研制过程中的相似材料力学性进行研究。因此文中基于国内外对受振煤岩体物理力学及裂隙发育扩展问题的研究，对相似材料施加机械振动力，分析机械振动外力影响下“固-气”相似材料力学特性，研究结果为卸压瓦斯渗流耦合规律的研究提供实验基础。
1振动实验设计
1.1固气耦合相似材料配比选择在物理相似模拟实验中，定量模拟的关键环节之一是选择合适的模型材料。本次实验选用的相似材料是以沙子为骨料粒径，石蜡为胶结剂，油作为调节剂，按不同比例混合制成，适合于室内相似材料模拟[12-13]。标准的圆柱体双开模具应用于实验分别制作3批6组试件，每组18个试件，不同频率下测3个试件后取平均值，试件径、高比为1∶2，尺寸为50 mm×100 mm，成功制作出试件后，尽量保持室内条件恒定（温度20 ℃，湿度30%）自然风干72 h，随后编号并开展实验。通过正交实验设计得出了不同力学参数下的配比，并选取力学参数相差均匀的5组配比试件，其材料配比方案见表1.
1.2振动测试装置实验装置由YYW-2型无侧限压力仪、激振系统、信号采集系统等3部分组成。实验装置如图1所示。
1 改进版YYW-2型无侧限压力仪2 相似材料试件3 JZK-2型电磁式激振器4 固定卡扣5 功率放大器6 扫频信号发生器7 信号调整器8 数据采集存储器
该振动实验装置可用以研究相似材料试件力学特性的变化规律，实验通过正弦波输出对相似材料力学特性产生机械振动作用。制作5组不同配比且力学差值均匀的试件并固定于改进版YYW-2型无侧限压力仪，打开功率放大器，10，20，30，40，50，60 Hz振动频率下记录相似材料全应力-应变曲线。
2受振相似材料动态信号分析
2.1相似材料应力-应变曲线与幅值关系图2为组数1中试件分别在加载频率10～60 Hz条件下单轴加载过程中的应力-应变曲线。
由图2可知，不同加载频率下的应力-应变曲线均在不同应变下出现应力明显降低，加载频率为10 Hz试件的轴向应变在0.74%时达到峰值，峰后出现一小段较明显的稳压区；加载频率为20 Hz下的应力-应变曲线整体低于10 Hz试件，其轴向应变在0.81%时达到峰值；加载频率为30 Hz的应力-应变曲线在轴向应变为0.94%时达到峰值；加载频率为40 Hz的应力-应变曲线在轴向应变为1.02%时达到峰值；加载频率为50 Hz的应力-应变曲线在轴向应变为1.03%时达到峰值；加载频率为60 Hz的应力-应变曲线在轴向应变为1.13%时达到峰值。
结合图2及图3可知，受加载频率为10 Hz的组数1各试件在32 s时振幅产生变化，其对应于轴向应变在0.74%时达到峰值；受加载频率为20 Hz的试件在47 s时振幅产生变化，其对应于轴向
应变在0.81%时达到峰值；受加载频率为30 Hz
的试件在52 s时振幅产生变化，其对应于轴向应变在0.94%时达到峰值；受加载频率为40 Hz的試件在62 s时振幅产生变化，其对应于轴向应变在1.02%时达到峰值；受加载频率为50 Hz的试件在65 s时振幅产生变化，其对应于轴向应变在1.03%时达到峰值；受加载频率为60 Hz的试件在95 s时振幅产生变化，其对应于轴向应变在113%时达到峰值。受振试件呈现明显脆性，应变达到峰值后以近似直线的趋势下降，相似材料的脆性剪切破坏特性与岩石非常相似。说明机械振动加剧了试件局部破坏程度，机械振动力与单轴压缩力的共同作用促使外部裂隙持续发育，不同振动频率使得稳压过后应力在不同时间出现较快下降。
2.2受振相似材料力学参数与振幅变化关系通过相似材料工艺设计得到5组试件抗压强度演化规律如图4所示。
通过相似材料工艺设计得到5组试件弹性模量演化规律如图5所示。
从图4，5可以看出，5组试件受迫振动后抗压强度及弹性模量呈现非线性增高。相同振动频率下，不同试件的弹性模量相差较大的主控因素油含量，而抗压强度相差较大的主控因素是冲击次数及油含量[13]。当加载频率为10 Hz时，试件抗压强度与弹性模量最大值分别为0.215，22.816 MPa，一开始增高速率较大，对应的加载频率阶段为10～20 Hz，增长率分别为13.582%，13.671%；随着加载频率慢慢增大，在加载频率达到30 Hz时，增大速率趋于稳定，对应的加载频率阶段为30～70 Hz，此时弹性模量增长率相对于30 Hz实验数值分别为3.508%，3.533%.通过结合各频率振动信号波形变化时间与组数1试件相似材料弹性模量及抗压强度，如图6所示。
实验过程中，结合图3及图6可看出，在不同时间段的压力传感器传输幅值增量阈值与试件抗压强度及弹性模量呈对应关系，当压力传感器传输幅值为0.2～0.6 N时，试件处于弹性阶段，不断积聚弹性应变能；当压力传感器传输幅值为0.8～1.5 N时，试件处于压力的强度极限，说明试件处于塑形阶段，开始释放弹性应变能，从图2可看出峰值迅速下降这一现象。该现象表明振动实验试件在阈值附近的压力幅值突然增加这一现象不但与激振频率有关，还与不同配比试件初始状态以及其他随机因素有关。
3结论1）应用正交设计方法，设计了5组力学参数相差均匀的材料配比，实验结果表明：加载频率为10～60 Hz试件的轴向应变分别在0.74%，081%，0.94%，1.02%，1.03%及1.12%时达到峰值，此时压力传感器传输幅值时间变化阈值分别为32，47，52，62，65及 95 s.说明机械振动加剧了试件局部破坏程度，机械振动力与单轴压缩力的共同作用促使外部裂隙持续发育，不同频率使得稳压过后应力在不同时间出现较快下降；
2）当压力传感器传输幅值为0.2～0.6 N时，试件处于弹性阶段，不断积聚弹性应变能；当压力传感器传输幅值为0.8～1.5 N时，试件处于压力的强度极限，说明试件处于塑形阶段，开始释放弹性应变能，从图2可看出峰值迅速下降这一现象。该现象表明振动实验试件在阈值附近的压力幅值突然增加这一现象不但与激振频率有关，还与不同配比试件初始状态以及其他随机因素有关。参考文献References
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