《用短棒试件测试无烟煤准静态断裂韧度试验研究.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《用短棒试件测试无烟煤准静态断裂韧度试验研究.pdf（8页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、第 25 卷 增 2 岩石力学与工程学报 Vol.25 Supp.2 2006 年 10 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Oct.，2006 收稿日期：收稿日期：20060426；修回日期：修回日期：20060526 基金项目：基金项目：国家自然科学基金资助项目(50374070)作者简介：作者简介：高文蛟(1967)，男，1991 年毕业于北京科技大学采矿工程专业，现为博士研究生、高级工程师，主要从事岩石动力学方面的研究工作。E-mail： 用短棒试件测试无烟煤准静态断裂韧度试验研究用短棒试件测试无烟煤准静态断裂韧度试验
2、研究 高文蛟，单仁亮，朱 永，程先峰，李 凯(中国矿业大学 土木工程系，北京 100083)摘要：摘要：根据国际岩石力学学会建议采用的岩石断裂韧度测定方法，用短棒试件在 Instron 1342 型电液伺服控制材料试验机上测定了无烟煤准静态 I 型断裂韧度，其断裂韧度值在位移速率较低时提高较大，但随位移速率的提高有逐渐趋于稳定的趋势。从载荷-COD 曲线图中分析了无烟煤断裂时，载荷出现跳动的原因，根据载荷跳动情况可以确定三角形韧带开始起裂时间。根据计算结果得出：试件加工几何上的误差对无烟煤断裂韧度值影响不大，造成的误差最大只有 2.4%；但对弹性模量值的影响较大，造成最大的误差达到 13.3%
3、，同时用图解法得到了无烟煤的非线性度大于 0.4。关键词：关键词：岩石力学；断裂韧度；无烟煤；短棒试件；非线性度；图解法 中图分类号：中图分类号：TU 45 文献标识码：文献标识码：A 文章编号：文章编号：10006915(2006)增 2391908 DETERMINING QUASI-STATIC FRACTURE TOUGHNESS OF ANTHRACITE USING SHORT ROD SPECIMEN GAO Wenjiao，SHAN Renliang，ZHU Yong，CHENG Xianfeng，LI Kai(Department of Civil Engineering，C
4、hina University of Mining and Technology，Beijing 100083，China)Abstract：With reference to the method suggested by ISRM for determining the fracture toughness of rock，quasi-static fracture toughness of anthracite has been measured on the Instron 1342 electro-hydraulic servo controlling material testin
5、g machine for the first time using short rod specimens.The fracture toughness value increases fast when displacement rate is lower，but trends to be steady when the rate is higher.The reason for load jump when specimen is fractured has been analyzed on the basis of P-COD curves，and the time when the
6、triangular ligament starts fracturing can be known according to load jump.The result indicates that the influence of geometrical error on the fracture toughness values of anthracite is small and the error is less than 2.4%；but the influence of geometrical error on the elastic modulus is large and th
7、e error reaches to 13.3%.Meanwhile，the degree of non-linearity of anthracite has been evaluated according to the graphical construction method，and it is larger than 0.4.Key words：rock mechanics；fracture toughness；anthracite；short rod specimen；degree of nonlinearity；graphical construction method 1 引引
8、 言言 随着断裂力学的发展和完善，其在工程领域中的应用也越来越广。对于工程岩石力学来说，断裂力学在硐室、隧道、边坡及其岩石类工程构筑物的稳定性分析、设计和岩石破碎过程(如钻孔、爆破、隧道掘进、岩石切割与粉碎)中，对其力学行为的研究变得越来越重要了，国内外学者在这方面进行了大量的研究与探讨。作为岩石材料基本参数断裂韧3920 岩石力学与工程学报 2006 年 度的测试也是学者们研究的热点17，然而与对岩石断裂的研究相比，有关煤断裂，特别是无烟煤断裂韧度测试方面的研究却鲜见报道，造成这种局面可能与煤这种地质材料的复杂性及其应用范围比较狭窄有关。但是，展开煤体断裂力学特性的研究，有助于煤巷支护、煤支
9、柱大小的设计、刀具的选取、丰富岩石断裂力学的研究内容，特别是提高无烟煤块率等方面均具有极其重要的理论意义和应用价值。无烟煤是重要的化工原料和工业燃料，除发电、水泥和高炉喷吹等燃烧使用末煤外，大多数用户都希望使用块煤，特别是化工造气行业，在气化过程中，块煤操作简便，产气率高。因此，在化工、冶金等行业对无烟煤的粒度要求很严格，主要使用粒径在 13 mm 以上的无烟块煤8。对无烟煤生产企业来讲，块煤比末煤具有更大的经济效益，提高块煤率不失为提高经济效益的极好途径9。无烟煤在综合机械化开采和储运的过程中，煤体或煤块均会受到外界载荷的作用，它们的应变率大多在(1021)/s 的范围之内，均属于准静态作用
10、。另外，无烟煤煤体或煤块在外界载荷作用下，特别是在采煤工作面上，破煤时所提供的能量，一般均会超过煤破裂所需要的能量，因此，使所采下的煤块在其体内很容易形成“过剩能量”的情况，产生过度的损伤，所以一些看来很好的块煤，在下一个工序中极易破裂，造成块率损失。针对这些情况，本文对无烟煤这种特殊的非晶结构材料进行断裂特性研究，寻找最大限度的利用煤层中天然含块率的生产、运输、储藏方法，才是解决提高无烟煤块煤产出率问题的有效途径。2 试样的采集与制备试样的采集与制备 2.1 试样采集试样采集 由于煤是一种强度较低的多孔介质，且层理、节理裂隙、微小孔洞非常丰富，这些层理、节理裂隙和微孔洞的存在严重影响煤的物理
11、力学性能。煤中孔隙的多少以及层理、节理裂隙的结构状态变化，将导致煤的脆性、坚固性、机械加工性能和物理力学特性的改变，具有各向异性的特点。本文对无烟煤进行准静态的物理力学试验，其主要目的是为了了解无烟煤的力学性质，将试验结果用于煤巷支护设计、提高无烟煤块率上，能直接指导无烟煤的生产和煤机具的设计上。因此，在进行无烟煤的力学试验时，为了使所使用的试验试样具有结构的相似性和煤体性质的一致性，试验样本在现场采集、制备、保存等方面也有具体要求。试验所采矿样是我国无烟煤生产基地阳泉矿务局三矿提供的一块约 400 kg 重的比较完整的大块，所取试样的方向为大块煤样的同一方向，尽量避免因煤的各向异性造成试验结
12、果的差异，确保试验试件的结构和力学特性的相似性。取出的煤芯马上用保鲜膜及胶带密封保水，尽量保持原有的含水状态。断裂韧度试验的煤芯直径为75 mm；抗拉、抗压及三轴试验的煤芯直径为50 mm。大块样品及试验前所取的煤芯试样如图 1 所示。本样品是用人力采取，避免了用爆破的方法产生的爆炸应力波对所采煤样原始结构的破坏，所取的煤样尽量满足了其自然结构的相似性。试样实测的物理力学参数如表 1 所示。(a)取芯前大块煤样 (b)断裂韧度试验 75 mm 芯样 (c)抗拉、抗压、三轴试验 50 mm 芯样 图 1 大块样品及试验前所取的煤芯试样 Fig.1 Large samples of anthrac
13、ite and the cores of the anthracite before testing 第25卷 增2 高文蛟等.用短棒试件测试无烟煤准静态断裂韧度试验研究 3921 表 1 无烟煤物理力学参数 Table 1 Physico-mechanical parameters of anthracite 密度/(gcm3)抗压强度/MPa 抗拉强度/MPa 弹性模量/GPa 泊松比 内摩擦角/()黏聚力/MPa 含水状态 1.450 18.69 0.953 3.40 0.201 32.85 0.594 自然状态 2.2 试件制备试件制备 无烟煤实测物理力学参数和测试断裂韧度的试样都是从
14、一个大块上取出的煤芯，加工成直径50和 75 mm 的圆柱试件。测试断裂韧度试件两端面磨平，其垂直度误差严格控制在 0.05 mm 以内。将此圆柱试件按照国际岩石力学学会(ISRM)10推荐的V 形切口短棒试件的要求加工成断裂试件。裂缝的加工是在带专用夹具的机加工车床上进行，裂缝宽度一般在 2.02.2 mm。其几何形状示意图及加工后试件与尺寸分别如图 2 和表 2 所示。(a)建议方法的短棒示意图 (b)加工后的试件 图 2 建议方法的短棒试件图 Fig.2 Short rod specimen with suggested method 3 断裂韧度测试断裂韧度测试 3.1 试验系统试验系
15、统 试验是在中南大学现代分析测试中心 Instron 1342 型电液伺服控制材料试验机上进行，其机架刚 表 2 短棒试件尺寸要求及所取尺寸 Table 2 SR specimen dimensions of the IRSM suggested methods 项目试件直径D 试件长度W V 形切口角度/()V 形切口尖端位置a0 V 形切 口长度(a1a0)切缝宽度 t尺寸要求10颗粒尺寸1.45D54.60.48D 0.97D 0.03D或 1 mm允许误差 0.02D1.00.02D 0.02D 所取尺寸75 mm110 mm5436 mm 72 mm 2.02.2 mm 度为：510
16、9 N/m，试验结果由计算机采集，采样频率为：102 000 Hz，数字控制塔是 Instron Fast track 8800 系统，COD 引伸计的量程为 2 mm，控制软件是 Instron 公司配置 wavemaker 软件，试验装置如图 3 所示。董毓利等11的研究结果表明：试验机刚度和加载控制方式及速率是影响应力应变全过程的重要因素，尤其对下降段的影响更为明显。该套试验系统刚度是满足要求的，而加载一般要求为等应变速率。图 4 为试验时的位移时间关系曲线，说明其符合等应变速率的要求。(a)试验机及其控制系统 (b)试件与试验机的连接部分 图 3 试验装置系统 Fig.3 Experi
17、mental set-up 单位：mm 3922 岩石力学与工程学报 2006 年 T/s 图 4 位移时间关系曲线 Fig.4 Displacement-time curve 3.2 试验测试试验测试 试验时以控制位移的方式进行加载。为了认识无烟煤在准静载荷作用下断裂韧度的变化规律，进行了 1，10 和 500 mm/min 三种速率的试验。此次试验共用 10 个试样，分成 3 组，每组 34 个试件。第 1 组所用加卸载位移速率为 1 mm/min，共 4 个试件，其中第 1 个试件以一次加载进行，其余 3 个和10 mm/min 速率试验的 3 个试件均用 ISRM 方法中水平 II 方
18、式进行循环加载试验。500 mm/min 速率的 3 个试件，由于试验系统的限制，只能采用水平I 方式进行。试验前，先对位移(COD 位移)测量装置夹齿位移计进行了线形检查。试验时将试件及夹齿位移计安放到试验机上后，对载荷传感器及位移计进行标定。由于无烟煤的强度较低，试验时试验机中心位移很难调至零位点，有时调得过紧容易使试件产生预应力，使测试结果不准；调得过松使测试时前期的载荷加不上，造成试验曲线后移现象。试验后试件断裂断口如图 5 所示。图 5 试件断裂后断口 Fig.5 Fractured anthracitic specimen 采用 ISRM 方法中水平 II 方式进行加载的试验所得曲
19、线如图 6 所示。COD/mm(a)载荷COD 曲线 T/s(b)载荷时间曲线 T/s(c)COD时间曲线 图 6 水平 II 方式进行加载的试验曲线 Fig.6 Testing curves of level II loading 采用 ISRM 方法中水平 I 方式进行的加载试验所得曲线如图 7 所示。4 试验数据计算与分析试验数据计算与分析 4.1 试验数据计算试验数据计算(1)试验数据的计算和处理是在 ISRM 建议方法下进行的。根据 ISRM 的建议方法，位移控制试验的位移率应满足：DOC&)/(017.0SRDEK (1)式中：DOC&为位移控制试验的位移率(ms1)，SRK为断裂
20、韧度，D为试件直径(cm)。经过计算此次试验的位移率均满足了试验要求。S/mm P/kN P/kN COD/mm 第25卷 增2 高文蛟等.用短棒试件测试无烟煤准静态断裂韧度试验研究 3923 COD/mm(a)载荷COD 曲线 T/s(b)载荷时间曲线 T/s(c)COD时间曲线 图 7 水平 I 方式进行加载的试验曲线 Fig.7 Testing curves of level I loading (2)载荷-COD曲线(见图 8(b)初始直线斜率是通过零载荷原点与该曲线相切的直线斜率，即 tantangentinitial=s (2)式中：为线段与COD轴的夹角。(3)在水平 I，II
21、试验条件下短棒试件的断裂韧度SRK均由下式进行计算：5.1maxKSR/0.24DFCK=(3)其中，+=01.0/4.1/6.010KDaDwC (4)式中：maxF为试件破坏时的最大载荷(kN)；w，0a，均为实测值与名义值之间的误差，如=DwDw/45.1等；KC为量纲一的修正因子。COD/mm(a)线性化卸载线的构成 COD/mm (b)非线性度 p 的推导 COD/mm(c)赋值点 Fc载荷的推导 图 8 载荷COD 记录中的 KSR非线性修正原理 Fig.8 Principles of nonlinearity correction of either KSR in load-CO
22、D record 如果0.99KC1.01时，断裂韧度SRK就不修正，只按下式进行计算：5.1maxSR/0.24DFK=(5)(4)非线性度p的求取。当采用水平II方式进P/kN P/kN COD/mm P/kN P/kN P/kN 3924 岩石力学与工程学报 2006 年 行试验时，要对试验数据进行非线性修正。非线性修正因子求取是根据载荷-COD曲线用图解法进行，求非线性修正因子p原理如图8所示。首先，在每一个卸载再加载循环曲线上找到卸载线开始下降的点(点H)，其相应的载荷值用FH表示(见图8(a)。再以载荷值HLFF5.0=处作水平线与其再加载线的交点即为点L，然后通过点H，L作出初始
23、线。根据点L处作垂线与其卸载线相交，再在滞环区取线段的中点，将初始线下移F5.0，就得到每个循环的最终直线且与COD轴相交。计算每条最终线的斜率，找出其斜率值最接近且跨越cs值的两条线。cs由下式确定：tangentinitialc5.0 ss=(6)计算所选定的两条线性化卸载直线的残余位移之差12u=x。然后求出这两条卸载线的卸载载荷1F，2F的平均值为2/)(21FFF+=。若这两条卸载线跨越Fmax，则1F，2F中的最大者将由Fmax代替。以F在这个水平上划一条水平载荷线(见图8(b)。这表示沿线性化卸载线的两个匹配载荷状态的位移，这两个线性化卸载线位移的差值记为1x。位移比：1uxxp
24、=(7)即为所求的非线性度p。(5)cF的求取。此次试验中在式(4)计算时，所选的两条卸载线跨越了赋值点，但计算的F小于 max98.0F，则通过线性内插值法画出斜率为cs的卸载线，求出cF值(见图8(c)。非线性修正的断裂韧度值由下式计算：SRmaxccSR/)1/()1(KFFppK+=(8)(6)无烟煤弹性模量的计算。本次试验是采用COD位移控制且进行了校准，因此材料的弹性模量也可以根据试验数据按下式计算：DsE/5.84tangentinitial=(9)弹性模量的修正因子：)012.0/(5.2/9.210E+=DtDaC (10)式中：t为试件切口宽度。如果0.98CK1.02时就
25、按式(10)计算，否则按下式进行修正：DsCE/5.84tangentinitialE=(11)本次试验的EC值均偏大。本次试验由于无烟煤这种地质岩石材料的特殊性，位移控制很难把握，在1和10 mm/min两种位移速率试验中共进行了7个试样的试验，但只得出了两条完整的加卸载循环曲线，而其余均由于位移设置不恰当，成为了水平I方式加载试验。因此只有两个试件的试验数据进行了非线性修正。试验数据的计算结果如表3所示。表 3 试验数据计算结果 Table 3 Result of testing data 试件编号 试验速度/(mmmin1)sinitial tangent/(kNmm1)Fmax/kNK
26、SR/(MNm1.5)CKK*SR /(MNm1.5)xuxl F/kNpFc/kNKsrc/(MNm1.5)E/GPaCEE*/GPaS16 1 1.054 0.115 0.134 0.993 1.2251.055 1.292S26 1 1.973 0.132 0.152 1.009 0.0940.2070.107 0.4540.1230.231 2.3281.084 2.524S32 1 0.759 0.068 0.083 0.994 0.8851.050 0.929S29 1 3.100 0.068 0.071 0.994 3.6381.050 3.820S20 10 2.161 0.1
27、53 0.177 1.0140.179 2.6161.021 2.671S27 10 2.064 0.175 0.204 1.0240.209 2.4321.121 2.726S09 10 0.655 0.122 0.142 1.0140.144 0.0540.1250.117 0.4320.1200.225 0.7661.095 0.839S28 500 0.925 0.160 0.186 1.009 1.0901.095 1.194S30 500 0.606 0.122 0.141 1.0110.143 0.7271.112 0.808S15 500 2.426 0.144 0.168 1
28、.0190.171 2.8121.133 3.186注：K*SR，E*均为由于 CK，CE偏大而进行的修正值。第25卷 增2 高文蛟等.用短棒试件测试无烟煤准静态断裂韧度试验研究 3925 4.2 试验分析试验分析 本次试验采用的短棒试件，其韧带是三角形的，试验裂纹扩展时韧带宽度一直是增大的。由载荷-COD曲线图可知，在载荷上升达到最大值之前，都有一次较大的跳动，且加载速率越大其跳动幅度也越大。从试验现象来看这次跳动时间应是三角形韧带起裂时间，此后由于韧带宽度逐渐增大，使载荷继续上升，当裂纹宽度达到一定值后，载荷值达到最大形成裂纹的稳定扩展。另一方面，无烟煤作为一种以有机质为主，并含有多种无机
29、矿物杂质和各种孔隙的碳基非晶质地质体材料，其非晶结构面之间的相互作用力较低。因此，从载荷-COD曲线图还可以看到，裂纹稳定扩展后，在后续峰值附近也均出现较为明显的载荷跳动现象，这是因为试件在加载过程中，裂纹扩展时遇到了结构面使载荷产生的突跃。由于无烟煤的非均质性，所测得的断裂韧度有较大的离散性，在1 mm/min位移速率的试验中，在进行非线性修正前最小值与最大值之比达到了2.141倍。从非线性修正前计算结果来看，无烟煤的断裂韧度值在1和10 mm/min位移速率比较时，受加载速率影响较大，但到了500与10 mm/min位移速率时变化不大。由此可知，无烟煤的断裂韧度在准静态试验条件下，随位移速
30、率的提高有逐渐趋于稳定的趋势。从试验计算出无烟煤的弹性模量来看，测出的弹性模量值离散性较大，最大的弹性模量值与其他方法实测的值较为接近，但大多数值严重偏小。这与在数据处理时读取初始斜率偏小外，还可能与试件设计成在较低载荷时，使裂纹开裂扩展及产生的非线性有关，同时还与无烟煤表面与刀口相连处比较软弱，使测得的值偏小有关。试验计算中采用修正系数CK，CE。从求得的数据来看，试件加工几何上的误差对无烟煤断裂韧度值影响不大，造成的误差最大也只有2.4%。但对弹性模量值的影响较大，造成最大的误差达到了13.3%。试验数据处理时，计算的非线性度p0.4，这比ISRM中提到的p0.2要大得多。这可能与无烟煤节
31、理、裂隙比较发育、质地较软的结构特性有关。但由于本次试验只得到了两条能分析非线性度p的曲线，所得的非线性度p值，能否真正反映无烟煤这类软岩的特性，还有待于进一步试验研究。5 结结 论论 通过上述计算与综合分析，可得出如下结论：(1)本试验首次用短棒试件测定了无烟煤这类软岩在准静态试验条件下的断裂韧度值，丰富了岩石力学在软岩研究领域中的内容。(2)在载荷-COD曲线图中，载荷上升达到最大值之前，第一次较大的跳动，应是三角形韧带起裂时间，此后由于韧带宽度逐渐增大，使载荷继续上升，当裂纹宽度达到一定值后，载荷值达到最大，形成稳定的裂纹扩展。(3)无烟煤的断裂韧度在准静态试验条件下，位移速率较低时其值
32、提高较大，但随位移速率的提高有逐渐趋于稳定的趋势。(4)试件加工几何上的误差对无烟煤断裂韧度值影响不大，但对弹性模量值的影响较大。(5)计算出了非线性度即塑性值p0.4。参考文献参考文献(References)：1 赵晓明，孙宗颀.用万能材料试验机进行岩石断裂韧度试验研究J.中南工业大学学报，1990，21(5)：467472.(Zhao Xiaoming，Sun Zongqi.Testing and research of rock fracture toughness with common universal material testing machineJ.Journal of Ce
33、ntral South University of Technology，1990，21(5)：467472.(in Chinese)2 颜玉定，尹祥础，廖远群，等.某些测试条件对岩石断裂韧度 KIC的影响J.岩石力学与工程学报，1991，10(4)：382386.(Yan Yuding，Yin Xiangchu，Liao Yuanqun，et al.Effect of certain test conditions upon rock fracture toughness KICJ.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，1991，
34、10(4)：382386.(in Chinese)3 张宗贤，赵 清，冠绍全，等.用短棒试件测定岩石的动静态断裂韧度J.北京科技大学学报，1992，14(2)：123127.(Zhang Zongxian，Zhao Qing，Kou Shaoquan，et al.Measuring static/dynamic fracture toughness of rock using a short rod specimenJ.Journal of University of Science and Technology Beijing，1992，14(2)：123127.(in Chinese)4
35、段绍伟.切缝尺寸对大理岩动态断裂韧度的影响J.湘潭矿业学院学报，1997，12(3)：9194.(Duan Shaowei.Influence of cut dimension on marbles dynamic fracture toughnessJ.Journal of 3926 岩石力学与工程学报 2006 年 Xiangtan Mining Institute，1997，12(3)：9194.(in Chinese)5 张志强，鲜学福.用带中心孔巴西圆盘试样测定岩石断裂韧度的研究J.重庆大学学报(自然科学版)，1998，21(2)：6874.(Zhang Zhiqiang，Xian
36、Xuefu.Research of measuring rock fracture toughness with Brazilian disc specimen having a central holeJ.Journal of Chongqing University(Natural Science)，1998，21(2)：6874.(in Chinese)6 Wang Q Z，Jia X M，Kou S Q.More accurate stress intensity factor derived by finite element analysis for the ISRM sugges
37、ted rock fracture toughness specimenCCNBDJ.Int.J.Rock Mechanics and Mining Sciences，2003，40(2)：233241.7 吴礼舟，王启智，贾学明.用人字形切槽巴西盘(CCNBD)确定岩石断裂韧度及其尺度律J.岩石力学与工程学报，2004，23(3)：383390.(Wu Lizhou，Wang Qizhi，Jia Xueming.Determination of mode-I rock fracture toughness with cracked chevron notched Brazilian disc
38、(CCNBD)and application of size effect lawJ.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004，23(3)：383390.(in Chinese)8 申富宏，郝海金，赵 军.无烟块煤率的损失及对策研究J.中国煤炭，2000，26(9)：1112.(Shen Fuhong，Hao Haijin，Zhao Jun.A study on anthracite coal lump ratio loss and countermeasuresJ.China Coal，2000，26(9)：1112.(in
39、 Chinese)9 杨世龙.全方位提高块煤率J.煤矿开采，2004，9(2)：3536.(Yang Shilong.Increasing the lump-coal ratio in full aspectsJ.Coal Mining Technology，2004，9(2)：3536.(in Chinese)10 ISRM.Suggested methods for determining the fracture toughness of rockJ.Int.J.Rock Mech.Min.Sci.and Geomech.Abstracts，1988，25(2)：7196.11 董毓利，谢和平，赵 鹏.不同应变率下混凝土受压全过程的试验研究及其本构模型J.水利学报，1997，(7)：7277.(Dong Yuli，Xie Heping，Zhao Peng.Experimental study and constitutive model on concrete under compression with different strain rateJ.Journal of Hydraulic Engineering，1997，(7)：7277.(in Chinese)