模擬煤體的材料選擇及力學(xué)參數(shù)

張夢麗， 陳 真

(1.河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 河南 焦作 454002； 2.中建八局一公司， 山東 濟(jì)南 250000)

目前，我國主要能源消耗仍然以煤炭為主，煤炭作為我國主要能源的地位在很長一段時間內(nèi)不會發(fā)生本質(zhì)性改變[1]。隨著我國總體經(jīng)濟(jì)的不斷進(jìn)步，對煤炭的需求逐漸增多，以至于對各種煤巖體的開挖深度也越來越深，導(dǎo)致煤體所處位置的應(yīng)力狀態(tài)和內(nèi)部介質(zhì)裂隙分布情況不同，造成煤體空間結(jié)構(gòu)的不均勻性。煤體內(nèi)部的不均勻性，不利于對煤體進(jìn)行高壓氣體沖擊致裂的機(jī)理研究。因此，逐漸形成了一種模型試驗，模型試驗結(jié)果的好壞取決于相似材料的成分和配比。

1 煤體物理性質(zhì)及分類

1.1 煤體物理性質(zhì)

綜合大量研究成果發(fā)現(xiàn)，煤在逐漸形成巖體后內(nèi)部介質(zhì)具有多樣性，通過形態(tài)各異、大小不同的顆粒積聚形成，且介質(zhì)內(nèi)包含大量的細(xì)微孔洞和微小裂紋，再加上紋理等軟弱結(jié)構(gòu)層的存在，原生煤是一類具有大量初始損傷的非均質(zhì)巖體[2]。另外，由于煤自身層理結(jié)構(gòu)材料組分的多樣化，造成物理力學(xué)特性有較大差別，強(qiáng)度和彈性模量的離散性較大；煤體縱波波速實測值相差較大，且具有一定程度的離散性。

根據(jù)文獻(xiàn)資料顯示，煤體各項基本物理力學(xué)參數(shù)分別為：抗壓強(qiáng)度1～35 MPa；抗拉強(qiáng)度0.2～2.5 MPa；彈性模量3～10 GPa；泊松比0.14～0.3；縱波速度1.5～2.4 km/s；容重1.3～1.65 g/cm3；空隙度0.4%[3-4]。

1.2 煤體分類

從基坑支護(hù)、煤巖體爆破等現(xiàn)場技術(shù)方面，一般把煤體分為軟煤、中硬煤和堅硬煤3大類[5-6]。但是，煤體的軟硬程度本身就是相對的，截止到目前并沒有得到標(biāo)準(zhǔn)的劃分。本文基于原生煤體的基本物理力學(xué)特性和結(jié)構(gòu)，利用工程分類和試驗相結(jié)合的方法確定出模擬煤體各類組合材料及其配比，為爆破沖擊致裂煤巖體提高煤層氣的滲透性提供基礎(chǔ)依據(jù)，具有非常重要的實用意義。

按照工程方法對煤體進(jìn)行劃分，利用圍巖分類的相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)為參考，充分依據(jù)煤體的單軸抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、彈性模量、波速等基本物理力學(xué)特性[7]。以煤體爆破沖擊致裂的難易程度為工作導(dǎo)向，與煤體現(xiàn)場工程應(yīng)用相結(jié)合，將煤體分為5類，即特硬煤(TY)、堅硬煤(JY)、硬煤(YM)、中硬煤(ZY)和軟煤(RM)，如表1所示。

表1 煤體類別參數(shù)

2 模擬煤體材料配比

為了使模擬煤體試驗達(dá)到實際煤體的效果并分析前人對煤體物理力學(xué)參數(shù)測試的成果[8]，本試驗采用水泥、河砂、石膏粉作為基礎(chǔ)材料控制模擬煤體的強(qiáng)度，以珍珠粒、云母片和發(fā)泡劑作為輔助料控制模擬煤體介質(zhì)上的微小裂隙、細(xì)微孔洞以及結(jié)構(gòu)內(nèi)部吸附一些游離瓦斯等特點。本次試驗分成2次開展，第1次試驗根據(jù)理論分析對模擬煤體進(jìn)行基本物理力學(xué)特性測試，觀察不同材料配比對試驗結(jié)果的影響；第2次測試在第1次測試數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對比模擬煤體試塊參數(shù)和原生煤體基本物理力學(xué)特性參數(shù)，再繼續(xù)將第1次試驗材料用量進(jìn)行對應(yīng)調(diào)整，最終確定出模擬煤體材料配比，材料配比如表2所示。

表2 模擬煤體材料配比

3 煤體力學(xué)參數(shù)的測試

模擬試驗需要將煤體試塊的基本物理力學(xué)特性參數(shù)進(jìn)行分別測試，即：彈性模量、單軸抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、波速、密度等。通過測試結(jié)果對應(yīng)研究模擬煤體試塊的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)特性[9-10]。單軸抗壓強(qiáng)度采用微機(jī)控制電液伺服萬能試驗機(jī)進(jìn)行測量，同時可以記錄過程中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和計算彈性模量；單軸抗剪強(qiáng)度通過利用巖石弱面剪切試驗機(jī)進(jìn)行測試；縱波波速的測試通過采用非金屬超聲波檢測儀量測。

3.1 煤體抗剪強(qiáng)度的測試

模擬煤體抗剪強(qiáng)度試驗采用直徑50 mm、高度100 mm的圓柱體，通過巖石弱面剪切試驗機(jī)進(jìn)行抗剪強(qiáng)度測試，該試驗機(jī)通過控制橫向、縱向負(fù)荷速率大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。最后將測試的結(jié)果通過EHC-3100型萬能機(jī)測試系統(tǒng)進(jìn)行保存，抗剪試驗如圖1所示。

(a) (b)

3.2 煤體彈性模量的測試

通過對煤體試塊進(jìn)行單軸壓縮測試(如圖2所示)，測定出煤體試塊的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程曲線。試驗利用微機(jī)控制電液伺服萬能試驗機(jī)試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過全自動化數(shù)字計算機(jī)全程控制。

模擬煤體彈性模量計算公式為：

E=σ/ε

(1)

(a) (b)

通過應(yīng)力-應(yīng)變曲線計算模擬煤體的彈性模量，研究煤體試塊在豎向壓應(yīng)力作用下的變化過程和變化特性，并同真實煤體進(jìn)行對比分析，測得的部分應(yīng)力-應(yīng)變結(jié)果如圖3所示。

(a) (b)

3.3 縱波波速的測試

煤體試塊縱波波速能夠客觀反映出煤體自身的強(qiáng)度、孔隙率、密度以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在受到?jīng)_擊荷載作用后產(chǎn)生損傷及裂紋，致使聲波傳輸過程中產(chǎn)生一定程度的繞射、反射等物理現(xiàn)象。本次超聲波檢測使用的儀器為NM-4A非金屬超聲波檢測分析儀，接收信號采用P50KHZ激發(fā)接收探頭進(jìn)行超聲波波速測試如圖4所示?？v波波速計算公式如為：

V=L/T

(2)

式中：V表示煤體中縱波波速；L表示煤體前后距離長度；T表示煤體中傳播時間。

(a) (b)

4 試驗結(jié)果分析

根據(jù)試驗結(jié)果，對模擬煤體試塊進(jìn)行基本物理力學(xué)性能參數(shù)統(tǒng)計，如表2所示。從煤體試塊的密度、縱波波速、抗剪強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、彈性模量等物理力學(xué)參數(shù)方面，分析出各類模擬材料的量值對試塊基本特性的影響，利用統(tǒng)計試塊的相關(guān)結(jié)果與真實煤體進(jìn)行對比比較，挑選出與煤體特性最相關(guān)的模擬材料和配比。通過對煤體試塊測試得到的基本物理力學(xué)參數(shù)分析，試塊的強(qiáng)度和密度最接近真實煤體；縱波波速和彈模正常情況下較真實煤體稍大一點，這和在實驗室試塊制作過程中，各種材料是否攪拌均勻以及后期養(yǎng)護(hù)條件有關(guān)。因此，在材料的選擇和配比方面，要更加注意添加料的用量才是最關(guān)鍵的。

表3 模擬煤體材料配比

5 結(jié) 語

在煤體工程性質(zhì)分析的基礎(chǔ)上，選擇煤體試塊抗壓強(qiáng)度、縱波波速、彈性模量等參數(shù)對煤體進(jìn)行工程分類。通過相似理論區(qū)分，選擇的模擬材料以水泥、河砂、石膏粉作為基礎(chǔ)材料控制模擬煤體的抗剪強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，以珍珠粒、云母片和發(fā)泡劑作為輔助料控制模擬煤體介質(zhì)上的微小裂隙、細(xì)微孔洞以及結(jié)構(gòu)內(nèi)部吸附一些游離瓦斯等特點。最后開展了模擬材料選擇測試，對煤體試塊的強(qiáng)度、波速、密度和彈性模量等物理力學(xué)特性進(jìn)行測試，且充分研究各組煤體試塊的結(jié)構(gòu)特點。將試塊測試結(jié)果同真煤進(jìn)行比較最后選出煤體的相似材料和配比，為后期模擬煤體高壓氣體沖擊試驗提供依據(jù)。