不同剪切速率下煤散体抗剪强度试验研究★

曹剑锋 迟学海

(黑龙江科技大学矿业工程学院，黑龙江 哈尔滨 150000)



不同剪切速率下煤散体抗剪强度试验研究★

曹剑锋 迟学海

(黑龙江科技大学矿业工程学院，黑龙江 哈尔滨 150000)

采用TYJ-500 kN电液伺服岩石剪切流变试验机，从煤散体物理参数测试与直剪试验两方面，研究了不同剪切速率下煤散体的抗剪强度，指出随着剪切速率的增加，煤散体的抗剪强度呈先增大、后减小趋势。

煤散体，剪切速率，抗剪强度，直剪试验

对于煤散体力学性质的研究在国内外比较少，但对于土石混合堆积体这类散体的研究还是比较多见的，围绕这类散体的物理力学性质，先后开展了一系列的研究工作，其中力学试验研究包括室内与原位大型试验，如渗透性试验[1，2]、土石混合体重塑制样试验[3]、大型常规三轴试验[4]、现场循环载荷试验[5]、细观结构及力学特性数值模拟研究[6-8]、天然与浸水状态下大型水平推剪与直剪试验[9-12]等。同样为自然界的岩石散体，煤散体的力学性质研究也可以借鉴这些方法。从某煤矿选取煤散体试样带回实验室，利用黑龙江省煤矿深部开采地压控制与瓦斯治理重点实验室的TYJ-500 kN电液伺服岩石剪切流变试验机，对煤散体进行了不同剪切速率下的抗剪强度试验研究。

1 电液伺服岩石剪切流变试验机

TYJ-500 kN电液伺服岩石剪切流变试验机是一台多功能的综合试验机，不但可以对岩石材料进行剪切流变试验研究，还可以进行岩石单轴抗压强度测试等，其最大测试量程为500 kN，本文所进行的煤散体抗剪强度试验就是在此试验机内完成的(如图1所示)。

试验机的剪切盒是立方体的，分上、下两个部分，即上盒与下盒，上、下盒的长和宽均为15 cm，且二者叠加在一起的高度也为15 cm，因此试验机的剪切盒总体为长、宽、高均为15 cm的正方体，剪切面的面积A=225 cm2。通过伺服控制系统施加荷载，并自动采集数据。试验过程中保持下盒不动，以一定的速度推动上盒完成剪切过程，从而对剪切盒内部材料施加剪切作用力Fs，同时在垂直于剪切作用力的方向上施加法向压力F。

2 不同剪切速率下煤散体抗剪强度试验

2.1 煤散体物理参数测试

对取回的试样进行物理参数测试，测得煤散体的密度为1.056 g/cm3；对煤散体进行颗粒级配，在试样内随机选取三处分别进行筛分试验，用试验筛筛分煤散体，对不同的粒径级别进行分类，统计出各个粒径级别所占比例，将三次试验结果取平均值，成果见图2。

结果表明：煤散体粒径在100 mm～45 mm的颗粒含量为18%，粒径在45 mm～20 mm的颗粒含量为27%，粒径在20 mm～5 mm的颗粒含量为32%，粒径在5 mm～1 mm的颗粒含量为12%，粒径小于1 mm的颗粒含量为11%。

2.2 煤散体直剪试验

对煤散体进行直剪试验时，保持下盒不动，以一定的速度推动上盒完成剪切过程，从而对剪切盒内部材料施加剪切作用力，但是不知加载速率的快慢对剪切应力的大小是否会有影响，为了研究这个问题，对煤散体进行了不同加载速率的抗剪强度试验，综合分析加载速率对剪切应力τ、粘聚力C以及内摩擦角φ的影响。

将煤散体装入剪切盒中，调试好试验机，在施加好法向压力后，便可给上剪切盒施加剪切作用力，开始对煤散体进行试验。分别施加给上剪切盒以0.10 mm/s，0.15 mm/s，0.20 mm/s，0.25 mm/s的加载速度进行剪切，法向压力F分别施加为0 kN，1 kN，2 kN，3 kN，4 kN和5 kN，监测剪切作用力的变化趋势(见图3)。对于每组试验找出一个极限剪力值，即散体抗剪强度的合力Fs，并换算成为剪切应力τ；将F换算成为法向应力σ。

试验结果见表1。

表1 不同剪切速率下煤散体抗剪强度分析表

剪切速率mm/s不同法向压力作用下极限剪切应力/kPa0kN1kN2kN3kN4kN5kN粘聚力kPa内摩擦角/(°)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 剪切应力

由表1可知，剪切应力并不随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时，不同法向压力作用下极限剪切应力全面增大；当剪切速率增加到0.20 mm/s时，剪切应力几乎与剪切速率为0.15 mm/s时的一致；当剪切速率增加到0.25 mm/s时，除了法向压力为0 kN时的剪切应力比前一速率时有所增大外，其他剪切应力均减小。结果表明：剪切应力不随煤散体剪切速率的增加而增大，而是表现出先增大、后减小的趋势。

2.2.2 粘聚力

由表1中数据可知，剪切速率为0.10 mm/s时，粘聚力C=34.26 kPa；当剪切速率增加到0.15 mm/s时，粘聚力变化为C=48.37 kPa，增长率较大；当剪切速率增加到0.20 mm/s时，粘聚力变化为C=49.01 kPa，较0.15 mm/s速率时粘聚力的增长率减小；当剪切速率增加到0.25 mm/s时，粘聚力变化为C=49.46 kPa，与0.20 mm/s速率时增长率较为接近。

结果表明：粘聚力随煤散体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时，粘聚力增长幅度较大；剪切速率超过0.15 mm/s后，粘聚力的增长率减小，增长幅度变小(如图4所示)。

2.2.3 内摩擦角

由表1中数据可知，内摩擦角并不随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时，内摩擦角由47.9°增长到55°，增幅较大；当剪切速率增加到0.20 mm/s时，内摩擦角由0.15 mm/s速率时55°减小到54.6°，减幅较小；当剪切速率增加到0.25 mm/s时，内摩擦角由0.20 mm/s速率时54.6°减小到52.2°，减幅较大。

结果表明：内摩擦角不随煤散体剪切速率的增加而增大，而是表现出先增大、后减小的趋势；剪切速率由0.10 mm/s增加到0.15 mm/s时，内摩擦角增长幅度较大；剪切速率由0.15 mm/s增

加到0.20 mm/s时，内摩擦角开始减小，但减小幅度较小；剪切速率由0.20 mm/s增加到0.25 mm/s时，内摩擦角继续减小，但减小幅度增大(见图5)。

以上结果表明，随着剪切速率的增加，煤散体的抗剪强度表现出先增大、后减小的趋势，内摩擦角也呈现出先增大、后减小的趋势，但粘聚力却保持增长，其增长率逐渐减小。

3 结语

对煤散体进行不同剪切速率下抗剪强度试验研究，随着剪切速率的增加，煤散体的抗剪强度表现出先增大、后减小的趋势，内摩擦角也呈现出先增大、后减小的趋势，但粘聚力却保持增长，其增长率逐渐减小。

[1] 周 中，傅鹤林,刘宝深,等.土石混合体渗透性能的试验研究[J].湖南大学学报(自然科学版),2006,26(2):8-25.

[2] 周 中,傅鹤林,刘宝深,等.土石混合体渗透性能的正交试验研究[J].岩土工程学报，2006,28(9):1134-1138.

[3] 廖秋林,李 晓,李守定.土石混合体重塑样制备及其压密特征与力学特性分析[J].工程地质学报,2010,18(3):385-391.

[4] 涂国祥,黄润秋,邓 辉,等.某巨型冰水堆积体强度特性大型常规三轴试验[J].山地学报,2010,28(2):147-153.

[5] 徐文杰,胡瑞林.循环荷载下土石混合体力学特性野外试验研究[J].工程地质学报,2008,16(1):63-69.

[6] 陈红旗,黄润秋,林 峰.大型堆积体边坡的空间工程效应研究[J].岩土工程学报，2005,27(3):323-328.

[7] 徐文杰,胡瑞林,岳中琦,等.土石混合体细观结构及力学特性数值模拟研究[J].岩石力学与工程学报,2007,26(2):300-310.

[8] 赫建明,李 晓,吴剑波,等.土石混合体材料的模型构建及其数值试验[J].矿冶工程,2009,29(3):1-4.

[9] 徐文杰,胡瑞林,曾如意.水下土石混合体的原位大型水平推剪试验研究[J].岩土工程学报,2006,28(7):814-818.

[10] 油新华,汤劲松.土石混合体野外水平推剪试验研究[J].岩石力学与工程学报,2002,21(10):1537-1540.

[11] 徐文杰,胡瑞林,谭儒蛟,等.虎跳峡龙蟠右岸土石混合体野外试验研究[J].岩石力学与工程学报,2006,25(6):1270-1277.

[12] 李 晓,廖秋林,赫建明,等.土石混合体力学特性的原位试验研究[J].岩石力学与工程学报,2007,26(12):2377-2384.

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

★：黑龙江省煤矿深部开采地压控制与瓦斯治理重点实验室开放基金项目(项目编号：F2315-03)；黑龙江科技大学2015年硕士研究生创新科研资金项目(项目编号：YJSCX2015-108HKD)

曹剑锋(1992- )，男，在读硕士； 迟学海(1982- )，男，硕士，工程师

TD821

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