煤體三軸壓縮性能的試驗(yàn)研究

煤體三軸壓縮性能的試驗(yàn)研究

關(guān)于花崗巖、大理巖和紅砂巖等堅(jiān)硬、相對(duì)均勻巖石的機(jī)械性質(zhì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，具有豐富的關(guān)于巖石沉積巖的研究。由于這些堅(jiān)硬巖石的組成和結(jié)構(gòu)不同，因此煤巖理、節(jié)理、孔隙和裂縫的缺陷是復(fù)雜的，組成是不同的，因此強(qiáng)度是低且分散的。對(duì)巖漿巖的力學(xué)性質(zhì)，尤其是軸壓縮條件下的強(qiáng)度和變形特征的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究非常不足。與其他沉積巖石一樣，除了組成和結(jié)構(gòu)的影響外，煤巖的強(qiáng)度和變形特征主要受存儲(chǔ)條件的影響，尤其是地應(yīng)力環(huán)境和水的影響。在礦山開采過程中，井體總是處于一定的地應(yīng)力作用之下，因此很少有人受到單軸負(fù)荷的影響，大多數(shù)情況下處于三軸壓力下。因此，在解決井工程的質(zhì)量和技術(shù)問題以及評(píng)價(jià)煤炭質(zhì)量和穩(wěn)定性時(shí)，必須了解不同襯底壓力下煤巖的變形和強(qiáng)度特征。在本文中，我們使用了先進(jìn)的mts315電液nov系統(tǒng)波甸式開采煤、三焦或系統(tǒng)中的三軸壓縮試驗(yàn)，以及不同強(qiáng)度和變形特征的分析。1試驗(yàn)方法和煤礦樣品制備(1)巖石專屬性試驗(yàn)方法煤樣常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)在山東科技大學(xué)MTS815.03電液伺服巖石試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行.采用先加圍壓至預(yù)定值,再以1.5×10-5s-1的軸向應(yīng)變速度加載至煤樣破壞的試驗(yàn)方法.(2)測(cè)試指標(biāo)及方法由于煤的層理、節(jié)理非常發(fā)育,各種微孔隙、裂隙也較多,所以煤相對(duì)比較軟弱破碎,強(qiáng)度低,離散性大.在進(jìn)行力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)時(shí),煤的取樣制樣十分困難,且取樣制樣過程中煤的原生狀態(tài)極易受人為因素?cái)_動(dòng)影響.本次煤樣取自兗州礦業(yè)集團(tuán)鮑店煤礦3煤,煤塊取自該礦5309綜放工作面上回風(fēng)巷.在取樣、制樣過程中,為盡可能保持煤樣的原始狀態(tài),減少人為擾動(dòng)影響,采取了以下主要措施:①大塊煤樣均取自兩工作面前100m以外的上回風(fēng)巷,以消除工作面前方支承壓力的影響,所取大塊煤在垂直方向上均屬同一分層煤,在水平方向上均在同一位置附近;②為有效控制取樣過程中在煤塊中產(chǎn)生的人為裂隙等,在礦井井下采用打眼機(jī)定向密集打眼獲取大塊煤樣,并立即包裝好,寫好標(biāo)簽.大塊煤升井后盡快運(yùn)抵實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行加工;③在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)大塊煤樣進(jìn)行鉆、切、磨的過程中,盡可能采用干鉆、干切、干磨,在加工過程中,盡可能降低機(jī)床轉(zhuǎn)速,以減輕人為擾動(dòng)影響;④對(duì)于加工好的煤樣及時(shí)進(jìn)行聲波速度測(cè)試,并做好記錄;⑤加工后煤樣的高度、直徑、平整度、光潔度、平行度均能達(dá)到巖石試驗(yàn)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn).為盡可能減小煤樣力學(xué)性質(zhì)離散性對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響,加工了大量煤樣,選取相鄰位置兩個(gè)大塊煤上加工的且縱波速度相近、表面無明顯缺陷的7個(gè)煤樣參與三軸壓縮試驗(yàn).同時(shí)根據(jù)三軸壓縮試驗(yàn)前對(duì)大量煤樣單軸抗壓強(qiáng)度與縱波速度實(shí)測(cè)結(jié)果的回歸關(guān)系估計(jì)參與三軸壓縮煤樣的單軸抗壓強(qiáng)度,參與三軸壓縮試驗(yàn)的煤樣條件見表1.鮑店煤礦3煤常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果見表2,主應(yīng)力差-應(yīng)變曲線如圖1所示.2在傳統(tǒng)的三軸壓縮條件下，赤巖的變形特征2.1圍壓對(duì)宏觀力學(xué)特性的影響煤樣達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)的應(yīng)變稱為峰值應(yīng)變,在單軸壓縮條件下,煤樣在較小的應(yīng)變下即發(fā)生脆性破壞,所以峰值應(yīng)變較小,鮑店煤礦3煤?jiǎn)屋S壓縮條件下的峰值應(yīng)變?yōu)?.00682mm/mm,由圖1可知,隨著圍壓的增大,峰值應(yīng)變隨之增大,煤巖的變形表現(xiàn)為低圍壓下的脆性向高圍壓下的塑性破壞轉(zhuǎn)化的特征,說明煤巖的變形破壞除了與其組分和結(jié)構(gòu)有關(guān)外,還與所處的應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān).由圖2可知,峰值應(yīng)變與圍壓之間均呈線性正相關(guān)性.圍壓與峰值應(yīng)變之間關(guān)系的線性回歸系數(shù)為0.935(單軸壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)不參與回歸),回歸關(guān)系εs=0.0002σ3+0.009.2.2圍壓對(duì)彈性模量的影響對(duì)于圍壓對(duì)彈性模量的影響,不同巖石所得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果明顯不同.德國(guó)Karman在1911年最早做出的經(jīng)典的大理巖單軸和三軸試驗(yàn)結(jié)果表明,大理巖的彈性模量并不隨圍壓變化而變化,與單軸壓縮時(shí)的彈性模量相同.另外,對(duì)于石英砂巖、花崗巖、蘇長(zhǎng)巖、玄武巖等巖石的試驗(yàn)結(jié)果也表明,隨圍壓的增加,彈性模量沒有明顯變化.但是,也有許多其它試驗(yàn)得出了不同的結(jié)果,文獻(xiàn)對(duì)淮南新集井田二疊紀(jì)含煤巖系中的中細(xì)砂巖與砂質(zhì)泥巖樣的試驗(yàn)結(jié)果分析認(rèn)為,沉積巖石的彈性模量均隨圍壓增大而增大,并呈非線性關(guān)系.分析這些大量的巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果,得出巖石的彈性模量隨圍壓的變化與巖石內(nèi)部的缺陷和致密程度密切相關(guān).一般認(rèn)為,圍壓增大有助于巖樣內(nèi)部裂隙、孔隙等缺陷壓密閉合,增大了巖石的剛度,巖樣的彈性模量也就相應(yīng)增大.巖石是由礦物顆粒組成的,是非均質(zhì)材料,但是對(duì)于未風(fēng)化的堅(jiān)硬致密的花崗巖、大理巖、石英砂、蘇長(zhǎng)巖等,圓柱體試樣在?50mm×100mm可認(rèn)為是宏觀均勻的,其內(nèi)部缺陷尺度很小,圍壓對(duì)其壓密作用影響很小,對(duì)其彈性模量的影響就微不足道.對(duì)于含有大量孔隙裂隙的煤、砂巖等巖石來講,在圍壓作用下,裂隙被壓密閉合,由于煤巖樣內(nèi)部的變形受裂隙面上的內(nèi)摩擦力影響,而裂隙面上的正應(yīng)力與圍壓有關(guān),因而彈性模量與圍壓有關(guān).圖3為鮑店煤礦3煤彈性模量與圍壓關(guān)系的散點(diǎn)圖.由于煤中含有大量的原生孔隙裂隙,微結(jié)構(gòu)非常發(fā)育,當(dāng)圍壓的作用下,空隙裂隙被壓密閉合,而使煤巖剛度增大,彈性模量隨之增大.但煤的彈性模量與圍壓之間并非呈線性關(guān)系,當(dāng)圍壓較小時(shí),彈性模量隨圍壓增大而增大的幅度較大,當(dāng)圍壓增大到一定程度后,彈性模量隨圍壓增大而增大的幅度逐漸變小.如圍壓為5MPa時(shí),與單軸壓縮時(shí)相比,彈性模量增加了42.9%,而在圍壓為24MPa時(shí),與圍壓6MPa相比,煤的彈性模量?jī)H增加了15.5%.說明煤中的孔隙裂隙被壓密閉合到一定程度后,再增加圍壓,被壓密閉合的程度變?nèi)?鮑店煤礦3煤彈性模量與圍壓關(guān)系的回歸結(jié)果表明,兩者符合二次多項(xiàng)式關(guān)系(相關(guān)系數(shù)為0.92),即3煤樣的三軸抗壓強(qiáng)度與圍壓的關(guān)系巖石在三軸壓縮條件下的最大承載能力稱三軸極限強(qiáng)度或三軸壓縮強(qiáng)度σs.煤樣中含有大量的裂隙,其變形將受摩擦力的影響,而裂隙面上的正應(yīng)力與圍壓有關(guān),增加圍壓,相當(dāng)于增加了裂隙面上的正應(yīng)力,裂隙面的滑移變形受到增大了的摩擦力的抑制而減小,因而提高了煤樣的極限強(qiáng)度.因此,煤樣的三軸抗壓強(qiáng)度σs隨圍壓的增大而增大.由圖4可知,煤樣三軸壓縮強(qiáng)度與圍壓之間具有很好的線性關(guān)系(不包括單軸壓縮情況),回歸關(guān)系(相關(guān)系數(shù)0.966)為式(1)是以主應(yīng)力表示的Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則.說明在試驗(yàn)的圍壓范圍內(nèi),煤巖破壞符合Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則.由于煤樣在單軸壓縮時(shí)并非單一的剪切破壞,因而煤樣的單軸壓縮強(qiáng)度明顯低于三軸強(qiáng)度回歸的參數(shù)45.217,在回歸Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則時(shí)最好不要采用它.4摩擦因數(shù)的確定單軸壓縮時(shí)煤樣的破壞形式較為復(fù)雜,而在三軸壓縮條件下一般都是剪切破壞,并且三軸強(qiáng)度總體上與圍壓呈線性關(guān)系,因而符合Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則.該準(zhǔn)則認(rèn)為,巖石能承載的最大剪應(yīng)力τ由黏結(jié)力C和內(nèi)摩擦力確定,后者與內(nèi)摩擦因數(shù)和正應(yīng)力相關(guān),即τ=C+μσ,其中μ是內(nèi)摩擦因數(shù),μ=tanφ;φ為內(nèi)摩擦角;σ為破壞面上的正應(yīng)力.根據(jù)Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則,煤樣破裂面與主平面的夾角θ=45°+?/2,由式(1),鮑店煤礦3煤的內(nèi)摩擦角φ=33.59°,θ=61.8°.由文獻(xiàn)研究表明,在很大的傾角范圍內(nèi),圍壓或摩擦因數(shù)對(duì)煤樣三軸強(qiáng)度的作用差別不大.由于煤樣具有明顯的非均質(zhì)持性,其內(nèi)部含有大量的隨機(jī)裂隙等缺陷,且煤樣黏聚力較低,因此,煤樣沿隨機(jī)裂隙破裂偏離的可能性很大,圖5證明了這一點(diǎn).5圍壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果的回歸分析(1)與堅(jiān)硬致密的花崗巖等巖石不同,煤巖由于含有大量的微孔隙裂隙,在圍壓作用下,孔隙裂隙被壓密閉合,彈性模量隨之增大,但并非呈線性關(guān)系.鮑店煤礦3煤彈性模量與圍壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果的回歸關(guān)系:E=-4.6797σ+217.09σ3+4793.