煤巖模擬材料的力學(xué)特性

任春平， 劉春生

(黑龍江科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，哈爾濱150022)

0 引 言

由于煤巖力學(xué)性質(zhì)具有不確定性，較難捕獲其全部特征，所以，它的材料組分和配比皆會(huì)不同程度地影響其力學(xué)性質(zhì)，據(jù)此，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)煤巖單軸實(shí)驗(yàn)及其材料配比進(jìn)行了大量研究與分析。Dhaels 等探討了煤巖試樣高度對(duì)其抗壓強(qiáng)度的影響變化［1］。A M．Hirt 等針對(duì)同一礦區(qū)的不同煤層開展單軸實(shí)驗(yàn)研究，給出不同性質(zhì)煤巖抗壓強(qiáng)度間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)［2］。T．P．Medhurst 對(duì)四種不同尺寸的大煤樣開展單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，研究煤巖抗壓強(qiáng)度與尺寸關(guān)系［3］。劉寶深利用回歸分析方法，給出煤巖抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)的數(shù)學(xué)模型［4］。陶馳東等利用人造模擬截割材料，在液壓刨床和專用截割實(shí)驗(yàn)臺(tái)上完成單齒截割系統(tǒng)的?；瘜?shí)驗(yàn)［5］。杜長龍采用天然煤粉、水泥和水為原材料進(jìn)行了模擬截割材料的實(shí)驗(yàn)研究［6］。楊紹杰利用自制的煤巖，開展了三軸、單軸實(shí)驗(yàn)研究，給出了煤樣抗壓強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)公式［7］。郭東明給出了煤巖強(qiáng)度隨不同煤巖體傾角的變化規(guī)律［8］。肖福坤等研究了含瓦斯煤在三軸作用下失穩(wěn)破壞過程中的聲發(fā)射特性［9］。在上述眾多研究的基礎(chǔ)上，筆者主要針對(duì)不同材料配比參數(shù)煤巖試件開展單軸加載實(shí)驗(yàn)，以探討煤巖的強(qiáng)度和變形特征，為研制模擬煤壁強(qiáng)度特性奠定基礎(chǔ)。

1 煤樣制備

實(shí)際工況的煤層組分和結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其內(nèi)部存在著層理、節(jié)理及空洞，較難捕獲與原煤相似材料的全部特征。為獲得與原煤特性相似的截割材料強(qiáng)度特性，以單向抗壓強(qiáng)度為參考量，進(jìn)行模擬煤樣的研制。實(shí)驗(yàn)條件:水泥型號(hào)為425，第一次配比時(shí)，在不加石膏粉的情況下，煤粉和水泥按五種不同配比，通過改變水的質(zhì)量，達(dá)到模擬煤巖抗壓強(qiáng)度。

進(jìn)行第二次配比時(shí)，煤粉與水泥在配比為1.5不變的條件下，通過改變石膏粉的質(zhì)量，達(dá)到模擬材料抗壓強(qiáng)度的目的，水的質(zhì)量依據(jù)水泥、煤粉混合物達(dá)到黏稠狀時(shí)所用質(zhì)量為準(zhǔn)，給出三組煤樣，每組煤樣試件為兩個(gè)。兩次模擬配比見表1，表1 中序號(hào)1～5 為第一次配比，序號(hào)6～8 為第二次配比。

表1 模擬煤巖材料配比Table1 Simulation material ratio of coal and rock

在制作標(biāo)準(zhǔn)煤樣過程中，先把塊狀煤較平的一端轉(zhuǎn)于底部，然后于ZS －100 型巖石鉆孔機(jī)取芯鉆下方墊板上放穩(wěn)放平，用夾具將其固定后取芯，如圖1b 所示。將取出的煤樣經(jīng)過切割、打磨等工序，制作成高度為100 mm、直徑為50 mm(高徑比為2 ∶1)圓柱體煤巖試樣。為避免煤樣混淆，在加工完成的煤樣表面標(biāo)上序號(hào)，如圖1c 所示。

2 加載實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用TAW－2000KN 微機(jī)控制電液伺服巖石單軸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)記錄、實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，且自動(dòng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集及處理。同時(shí)配有軸壓，液壓伺服系統(tǒng)靈敏度及實(shí)驗(yàn)精度均較高。此外，配備的實(shí)心鋼架，可以儲(chǔ)存較小的彈性勢(shì)能，用以開展剛性壓力實(shí)驗(yàn)的研究。與煤巖試樣連接的引伸儀，可以在140 MPa 高壓及200 ℃高溫的條件下使用，即可在高壓和高溫環(huán)境下，開展煤巖試樣的應(yīng)力－應(yīng)變的精確測(cè)量實(shí)驗(yàn);實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的加載速度可根據(jù)需要進(jìn)行自動(dòng)選擇及調(diào)整。

針對(duì)八組煤樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，加載速度設(shè)置為0.05 mm/min。煤巖的力學(xué)參數(shù)，即單向抗壓強(qiáng)度σc及最大負(fù)荷FM的變化值，如表2 所示。

圖1 煤樣Fig．1 Coal samples

表2 煤樣力學(xué)參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of coal samples

為了進(jìn)一步判別煤巖體類型，按照煤巖體在開采中被破壞的難易程度，將其分為六個(gè)等級(jí)，煤巖體堅(jiān)固性系數(shù)見表3［10］。

表3 各煤巖體堅(jiān)固性系數(shù)Table 3 Protodyakonov coefficient

抗壓強(qiáng)度與堅(jiān)固性系數(shù)的關(guān)系［10］:

式中:σc——抗壓強(qiáng)度，MPa;

f——堅(jiān)固性系數(shù)。

根據(jù)表3 和式(1)，結(jié)合通過單軸實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的力學(xué)參數(shù)，可得，第一組、第二組、第三組試樣煤巖類型為中硬煤，其余煤巖類型屬于軟煤。根據(jù)實(shí)驗(yàn)獲得單向抗壓強(qiáng)度判別煤巖類型，從而確定煤巖材料的配比。

3 煤巖變形及強(qiáng)度特征分析

為探究煤巖的破裂形式，判定煤巖的宏觀變形特征，通過上述煤巖單軸加載實(shí)驗(yàn)，可以得出煤樣的破碎形式為劈裂破壞［11－14］。

煤巖在不同材料配比條件下，觀察其內(nèi)部微觀變形過程，實(shí)驗(yàn)給出了其中一組煤巖試樣的應(yīng)力－應(yīng)變曲線，如圖2 所示。

圖2 可知，煤巖的變形可分為彈性變形、向塑性變形過渡直到破壞三個(gè)階段。在實(shí)驗(yàn)初始階段，由于對(duì)煤樣有初始恒定預(yù)壓力，所以應(yīng)力并不是從零開始。隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力呈線性增大，原因在于煤樣中的微裂隙或節(jié)理面壓密和閉合導(dǎo)致，當(dāng)應(yīng)變繼續(xù)增大時(shí)，煤樣的應(yīng)力超過了其最大承載力，開始破裂，應(yīng)力曲線下降，且下降速度較快，表征煤巖脆性特征比較明顯。

為探求不同材料配比煤巖與抗壓強(qiáng)度之間的定量關(guān)系，分析煤巖參數(shù)特性，確定不同材料配比下的煤巖強(qiáng)度特征。根據(jù)上述煤巖試樣的研制配比結(jié)果，應(yīng)用MATLAB 軟件，得到煤巖抗壓強(qiáng)度與材料配比及石膏之間的擬合關(guān)系，如圖3 所示。

根據(jù)圖3a，給出煤粉、水泥配比ξ 與抗壓強(qiáng)度的擬合關(guān)系式:

從式(2)可知，煤巖抗壓強(qiáng)度與煤粉和水泥配比呈指數(shù)下降關(guān)系。圖3b 表明，在煤粉與水泥配比為1.5 的實(shí)驗(yàn)條件下，添加石膏能夠降低煤巖的抗壓強(qiáng)度，從而達(dá)到預(yù)期模擬煤壁力學(xué)特性的目的。

圖2 煤巖變形過程曲線Fig．2 Coal and rock deformation curve

圖3 強(qiáng)度特征Fig．3 Strength characteristics

4 結(jié) 論

(1)為研究煤巖抗壓強(qiáng)度隨其材料配比的定量關(guān)系，針對(duì)不同配比的φ50 mm ×100 mm 煤巖試件開展單軸加載實(shí)驗(yàn)，確定煤巖抗壓強(qiáng)度與煤粉和水泥配比呈指數(shù)下降關(guān)系，擬合關(guān)系式為σc=92.124e－1.0969ξ。

(2)根據(jù)煤巖材料不同配比下的強(qiáng)度大小，結(jié)合煤巖堅(jiān)固性系數(shù)，可判別煤巖體類型，為實(shí)驗(yàn)需要模擬煤壁強(qiáng)度特性提供依據(jù)。

(3)分析不同材料配比下煤巖的變形特征及劈裂形態(tài)，確定煤巖的變形可分為彈性變形、向塑性變形過渡直到破壞三個(gè)階段，煤樣的破碎形式為劈裂破壞。

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