剪切速率及法向應(yīng)力對(duì)煤散體抗剪強(qiáng)度影響研究*

成乾龍

(黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150027)

0 引言

礦井災(zāi)害發(fā)生后，若在垮落后的煤層巷道中安全快速地開(kāi)挖出1條應(yīng)急救援通道，將給救援行動(dòng)帶來(lái)極大便利。在垮落的煤散體中開(kāi)挖巷道，可以認(rèn)為是對(duì)煤散體的剪切行為，因此需要了解剪切速率和法向壓力對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響。郝傳波等[1-5]給出了巷道垮塌類型以及巷道堵塞條件；張國(guó)華等[6]針對(duì)救援通道安全快速開(kāi)挖決策研究中必然觸及的堆積體邊界作用力分布問(wèn)題，給出了邊界作用力理論計(jì)算公式，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；曹劍鋒等[7]研究得出隨著剪切速率的增加，煤散體的抗剪強(qiáng)度呈先增大、后減小趨勢(shì)；鄭瑤瑕等[8]對(duì)中美兩國(guó)礦山救護(hù)標(biāo)準(zhǔn)中的具體技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行比對(duì)分析,總結(jié)出我國(guó)與美國(guó)礦山救護(hù)標(biāo)準(zhǔn)之間的異同；潘建平等[9]通過(guò)在不同圍壓下分別進(jìn)行不同初始孔隙比的固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)，研究不同級(jí)配下尾砂的剪切特性及穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度特性；左紅偉[10]創(chuàng)建了巖石滑動(dòng)位移弱化剪切時(shí)效公式，并與隨位移摩擦抗剪強(qiáng)度公式進(jìn)行了對(duì)比分析；周波等[11]研究了圍巖性質(zhì)、支護(hù)強(qiáng)度、采動(dòng)應(yīng)用等誘導(dǎo)因子對(duì)煤巷頂板結(jié)構(gòu)承載能力弱化分析指標(biāo)的影響規(guī)律；馬占國(guó)等[12]分析了破碎巖石的應(yīng)變規(guī)律與壓力大小、粒徑、含水率以及巖石強(qiáng)度之間的關(guān)系；劉忠強(qiáng)等[13]分析了堆積體剪切變形與剪切強(qiáng)度特性之間的關(guān)系；彭東黎等[14]研究得到了碎石土堆積體的剪切強(qiáng)度參數(shù)與含石量、含水量的關(guān)系；鄧華鋒等[15]等研究了不同含水率情況下土石混合體的抗剪切能力；王自高等[16]研究發(fā)現(xiàn)在自然狀態(tài)下堆積體具有較強(qiáng)的抗剪切能力；蘇承東等[17]研究了粒徑大小、巖石強(qiáng)度等物理力學(xué)參數(shù)對(duì)壓實(shí)能量耗損的作用；劉玉等[18]發(fā)現(xiàn)了煤矸石散體的壓縮模量與應(yīng)力的線性關(guān)系。

已有的研究中，主要針對(duì)土石堆積體剪切變形及剪切強(qiáng)度的關(guān)系以及垮落煤體的分布形態(tài)進(jìn)行了研究，但對(duì)于垮落煤體的物理力學(xué)性質(zhì)有待進(jìn)一步研究。在再造巷道的過(guò)程中，開(kāi)挖速度和巷道上部壓力都將影響再造巷道的穩(wěn)定性。因此，本文通過(guò)將垮落的煤體視為均質(zhì)散體的方式，根據(jù)相似原理制取型煤，通過(guò)對(duì)型煤進(jìn)行相似模擬直剪實(shí)驗(yàn)的方法，研究分析剪切速率和法向壓力對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響，以期為安全高效地開(kāi)挖應(yīng)急救援巷道提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品模型

煤礦發(fā)生事故后，需要立即進(jìn)行應(yīng)急處置，做現(xiàn)場(chǎng)原位實(shí)驗(yàn)并不現(xiàn)實(shí)，故選擇進(jìn)行相似實(shí)驗(yàn)。以礦井垮落煤散體作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，統(tǒng)計(jì)煤散體中各顆粒的粒徑大小，并對(duì)不同粒徑進(jìn)行分級(jí)，確定出尺寸相似常數(shù)，制作模型后進(jìn)行相似模擬實(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，取長(zhǎng)度相似常數(shù)5，垮落煤散體、模型的粒徑尺寸及其所占質(zhì)量含量如表1所示。

表1 原煤和型煤散體粒徑含量Table 1 The content of prototype coal and model coal dispersion particle size

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)選用黑龍江省煤礦深部開(kāi)采地壓控制與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的TYJ-500 kN電液伺服巖石剪切流變?cè)囼?yàn)機(jī)作為實(shí)驗(yàn)設(shè)備，該設(shè)備裝配有剪切盒，可以進(jìn)行直剪實(shí)驗(yàn)，其最大測(cè)試量程為500 kN，可以滿足實(shí)驗(yàn)要求。該試驗(yàn)機(jī)的剪切盒為一立方體，其長(zhǎng)、寬、高均為150 mm，剪切盒從中部沿水平面切開(kāi)，分為上、下2個(gè)盒，上、下盒的長(zhǎng)和寬均為150 mm。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

使用直剪試驗(yàn)儀對(duì)煤散體進(jìn)行抗剪強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)方案如下：

1)控制試驗(yàn)機(jī)在剪切盒上部施加不同大小的法向壓力F，并使上剪切盒以不同的剪切速率沿剪切斷面對(duì)煤散體進(jìn)行剪切。

2)監(jiān)測(cè)煤散體的水平位移和剪切作用力，對(duì)于每組實(shí)驗(yàn)找出1個(gè)極限剪力值，即散體抗剪強(qiáng)度的合力Fs。

3)記錄并分析剪切速率v對(duì)剪切應(yīng)力τ的影響。

2 不同剪切速率下混合粒度級(jí)配的煤散體抗剪強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

2.1 相同剪切速率下煤散體抗剪強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

在上剪切盒上部分別施加不同大小的法向壓力F，并對(duì)上剪切盒施加剪切作用力，使上剪切盒以0.10 mm/s的加載速度進(jìn)行剪切，監(jiān)測(cè)剪切作用力Fs的變化趨勢(shì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。剪切應(yīng)力-水平位移關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1 剪切應(yīng)力-水平位移關(guān)系曲線Fig.1 Relation curves of the shear stress and horizontal displacement

由圖1可知，隨著水平位移的增大，煤散體的剪切應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)達(dá)到某一峰值后逐漸下降并趨于穩(wěn)定；隨著法向壓力的增大，煤散體的剪切應(yīng)力達(dá)到峰值時(shí)對(duì)應(yīng)的水平位移也增大；并且隨著法向壓力的增大，煤散體剪切應(yīng)力整體曲線上升，其對(duì)應(yīng)的應(yīng)力峰值也逐漸增大。

型煤散體內(nèi)部存在大量孔隙，抵抗變形的能力很小。在加載初期，變形很快，剪切應(yīng)力快速上升。隨著剪切過(guò)程的推進(jìn)，大塊顆粒破碎后的小顆粒填充孔隙，散體抗剪能力增大，剪切應(yīng)力增長(zhǎng)變慢；當(dāng)大塊顆粒全部被壓碎，孔隙被充滿，剪切應(yīng)力達(dá)到峰值，隨后下降，最終保持在某一固定值附近。

分析表2數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，法向應(yīng)力σ與抗剪強(qiáng)度τ近似符合莫爾庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則關(guān)系。因此，可認(rèn)為散體的極限剪切力是由剪切面上的黏聚力合力與內(nèi)摩擦力2部分組成，可用下式來(lái)表示：

Fs=Ff+CA

(1)

式中：Fs為極限剪切力，kN；F為法向壓力，kN；f為散體顆粒間的內(nèi)摩擦系數(shù)，無(wú)量綱；C為單位黏聚力，即發(fā)生在單位剪切面積上的黏聚力，kN·m-2；A為剪切面積，m2。

則有剪切強(qiáng)度：

(2)

式中：τ為剪切強(qiáng)度，kPa；φ為內(nèi)摩擦角，(°)；σ為法向應(yīng)力，kPa。

將表2數(shù)據(jù)在Origin中進(jìn)行擬合，得到的擬合曲線方程為y=37.75+1.11x，根據(jù)該方程得出當(dāng)剪切速率為0.10 mm/s時(shí)，煤散體的黏聚力C=37.75 kPa，內(nèi)摩擦角φ=47.9°。擬合曲線如圖2所示。

圖2 剪切強(qiáng)度擬合曲線Fig.2 Shear strength fitting curve

2.2 不同剪切速率抗剪強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

在0.1 mm/s剪切速率的剪切強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，改變對(duì)上剪切盒的剪切作用力和不同大小的法向壓力F，使上剪切盒在不同的法向壓力下，分別以不同的剪切速率對(duì)煤散體進(jìn)行剪切，對(duì)混合粒度級(jí)配的煤散體進(jìn)行抗剪強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果如圖3和圖4所示。不同法向應(yīng)力下煤散體剪切應(yīng)力統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表3所示。

2.2.1 法向應(yīng)力對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

由圖3和表3可知，法向壓力由0增大到5 kN的過(guò)程中，抗剪強(qiáng)度隨法向應(yīng)力的增加而增加，并且隨著法向壓力的增大，抗剪強(qiáng)度增量呈先減小后增大的趨勢(shì)。

圖3 不同剪切速率及法向應(yīng)力作用下的煤散體抗剪強(qiáng)度Fig.3 Shear strength of coal bulk under different shear rates and normal stresses

圖4 不同剪切速率作用下煤散體的黏聚力和內(nèi)摩擦角Fig.4 Cohesion and internal friction angle of coal bulk under different shear rates

法向應(yīng)力較小時(shí)，散體內(nèi)部大顆粒其自身結(jié)構(gòu)形成骨架，顆粒間不易滑動(dòng)，抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)率較大；隨著法向應(yīng)力增大，大顆粒被擠碎，骨架結(jié)構(gòu)遭到破壞，破碎后的小顆粒填充孔隙，抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)率減??；當(dāng)法向應(yīng)力進(jìn)一步增大，大顆粒進(jìn)一步破碎成小顆粒，由于小顆粒間易發(fā)生滑動(dòng)，抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)率反而增大。

表3 不同法向壓力下煤散體剪切應(yīng)力統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistical table of shear stress of coal bulk under different normal stresses

綜上所述，雖然煤散體的抗剪強(qiáng)度隨法向應(yīng)力近似呈線性增加，但抗剪強(qiáng)度的增長(zhǎng)率卻呈先增大后減小的趨勢(shì)。

2.2.2 剪切速率對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

不同剪切速率下煤散體剪切應(yīng)力增量如表4所示。由圖3及表4可知，當(dāng)法向應(yīng)力恒定時(shí)，剪切速率由0.10 mm/s增加到0.15 mm/s時(shí)，煤散體的抗剪強(qiáng)度隨之增大；當(dāng)剪切速率由0.15 mm/s增加到0.20 mm/s時(shí)，抗剪強(qiáng)度雖略有增加或減小，但幅度較??；當(dāng)剪切速率從0.20 mm/s增加到0.25 mm/s時(shí)，即抗剪強(qiáng)度逐漸減小。這表明，相同法向應(yīng)力條件下，煤散體剪切速率增大，其抗剪強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢(shì)。

表4 不同剪切速率下煤散體剪切應(yīng)力增量統(tǒng)計(jì)Table 4 Statistical table of shear stress increment of coal bulk at different shear rates

2.2.3 剪切速率對(duì)黏聚力及內(nèi)摩擦角的影響

由圖4可知，隨著剪切速率增大，散體的黏聚力和內(nèi)摩擦角都呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，但黏聚力的變化幅度更大。因此，剪切速率對(duì)黏聚力的影響要明顯大于對(duì)內(nèi)摩擦角的影響。

3 結(jié)論

1)煤散體的抗剪強(qiáng)度與其對(duì)應(yīng)的法向應(yīng)力存在著線性關(guān)系，該關(guān)系近似符合莫爾庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則，但剪切強(qiáng)度增長(zhǎng)率卻隨法向壓力增大而先增大后減小。

2)在相同法向應(yīng)力作用下，剪切速率對(duì)黏聚力的影響明顯大于對(duì)內(nèi)摩擦角的影響。