文摘

许多煤炭开采过程中遇到危险可以引起的不稳定和失败的复合结构的煤层和围岩地层。缺陷存在于煤的结构稳定性影响复合结构。在这项研究中,单轴压缩试验是sandstone-coal复合样品进行的预先存在的裂纹在煤炭、结合测试执行与声发射(AE)设备和数码摄像机。力量,macrofailure起始(MFI),和失败复合样品的特点,影响煤的预先存在的裂纹,进行分析。煤的预先存在的裂纹是降低强度,促进小额信贷机构的出现,影响样本的故障特征。垂直渗透裂缝有更明显的影响强度和MFI发生,特别是垂直渗透裂缝渗透通过煤的中心。水平裂缝渗透率大幅减少的影响强度和MFI发生。MFI造成应力-应变曲线的形状一步伴随着能源指数峰值信号和发生在原始煤裂缝。MFI模型主要展出从预先存在的裂纹萌生煤炭裂缝和表面剥落裂纹扩展所致。完整的复合试样失败作为一个瞬时故障,而包含预先存在的裂纹的复合样品显示进步的失败。 The failures of composite samples occurred predominantly within the coal and displayed an X-typed shear failure accompanied by a small splitting failure. Both the coal and sandstone were destroyed in the composite sample with vertical penetration cracks through the centre of the coal. Failure of the coal occurred through a splitting failure accompanied by a small X-typed shear failure, while the sandstone showed a splitting failure induced by crack propagation in the coal.

1。介绍

该地区开采的煤矿操作本质上是一个复合结构煤层和围岩地层组成。复合结构的不稳定性和失败会导致许多危害在煤矿,岩石破裂和煤炭等碰撞,导致煤炭生产(潜在的安全隐患1- - - - - -6]。然而,煤层通常比岩层含有更多的预先存在的缺陷,严重影响复合结构的稳定性(7- - - - - -10]。因此,重要的是要研究存在的缺陷的影响在煤炭机械复合结构的行为。

很多调查过去已经完成了组合结构的力学行为由煤层和围岩地层(1- - - - - -7,9- - - - - -21]。在以前的实验测试和数值模拟,复合结构通常被简化为一个混合样品的岩石和煤与保税或摩擦界面为了研究其力学行为(1- - - - - -7,9- - - - - -21]。岩石强度的影响和岩石煤高度比rock-coal复合样品的强度和故障特征研究了刘et al。2和陈等。11),分别。赵等人研究了三体模型的故障特征的岩石和煤组成的变化在强度和刚度12]。加载率对强度的影响,失败,声发射(AE)的特点rock-coal-rock复合试样和rock-coal复合试样在单轴加载和循环加载和卸载研究了黄和刘1和陈等。13),分别。此外,机械性能和故障特征的各种类型的复合样品(如rock-coal-rock rock-coal和煤岩)与之相反研究和分析了Zhang et al。14]。在样本中,rock-coal-rock复合试样的强度是最高的。rock-coal接触表面复合样品的机械故障行为的影响。界面的粘结强度的影响,界面强度和故障特征的角度rock-coal复合样品研究了赵et al。15和赵et al。16),分别。棕褐色等人研究了岩爆综合样本的责任(17,18]。保尔森等人研究了煤柱强度减少由于含水饱和度在嵌入屋顶rock-coal pillar-floor岩石组合的身体(19]。王等人研究了滑动机制的混合样品(20.]。

上述研究以及随之而来的结果和结论是重要的为了理解组成的组合结构的力学行为煤层和围岩地层。然而,这些调查集中在相对完整的复合材料样品。初步测试结果和理论分析都表明最初的煤之间明显的相关性缺陷和复合样品的力学性能。很少有研究煤炭初始缺陷的影响机械性能的复合结构。殷等人研究了接头的长度和角度的影响在煤的强度和故障特征rock-coal和rock-coal-rock复合样品使用颗粒流的代码(PFC) (9- - - - - -11]。

通常,在复合结构的边缘首先发生不稳定和失败3,4),大约是在单轴压缩的状态9- - - - - -11,13]。因此,在这项研究中,我们进行了单轴压缩试验sandstone-coal复合样品煤的预先存在的裂纹。既存煤裂缝的影响强度,macrofailure起始(MFI)和故障特征的复合样品进行了研究。

2。材料和方法

内部微裂隙煤的结构相当复杂,在这项研究中,只有rock-coal复合样品穿透裂缝或表面裂缝的煤炭被选单轴压缩试验。样品制备和测试条件在本节详细介绍。

2.1。样品制备

岩石和煤的综合采集标本从直接的屋顶和煤层戴庄煤矿3306工作面位于中国的山东省。开采深度平均约323(水下)。直接的屋顶是砂岩,其平均厚度为4.07米。平均煤层的厚度是1.45米,和其平均倾角是12°。进行了单轴压缩测试标准纯煤和砂岩样品获得他们的机械性能,如表所示1(21]。

岩石和煤块从煤矿是核心钻形成圆柱形样本直径50毫米。煤和岩石的圆柱样品切成50毫米长部分50毫米直径(Φ50)使用锯石机。减少二次破坏煤和砂岩样品,岩心钻探的推力和转速和锯石机都设置为最低可能的水平。以满足实验需求,煤和岩石样本的两端将持平,光滑,分别使用石材磨床。两端的平行偏差应小于0.005厘米;两端的脸的尺寸偏差应小于0.02厘米;和两个结束面临必须垂直于它的轴(1]。为研究方便,砂岩的高度比煤是设置为1:1。最后,根据以往的调查在复合结构1- - - - - -12,15- - - - - -20.,22),的煤和岩石样本Φ50×50 mm保税使用稀疏的强力胶形成标准rock-coal复合的样品Φ50×100毫米。

既存煤的分布裂缝复合样品展示在表2。应该注意的是,所有的煤岩破裂在某种程度上。然而,煤炭样本以最小临界裂缝和最低的持久性被认为是一个完整的煤炭(煤炭)无裂纹参考样本。a - 1复合样本,如表所示,最低的裂纹强度、持久性和被选中代表总数不变或引用sandstone-coal复合试样。

2.2。测试系统和方法

加载框架的测试系统是由声发射(AE)监控系统,和一个数码摄像机("),如图1。在测试过程中,数据的加载系统,AE监测系统,"的同时记录。

电子日本岛津公司签名(AG-X250)万能试验机被选为加载系统。一个双螺杆加载结构用于工作的灵活性。测试系统可以执行常规压缩、拉伸、或其他任何机械测试,根据需要。最大的可实现的测试负载是250 kN。控制断裂和裂纹扩展,采用位移加载的方法在这些测试加载速率为0.0005毫米/秒。

MISTRAS AE仪器(美国物理声学公司,普林斯顿Jct,新泽西)是利用复合试样的监控能源指数特征在整个测试的持续时间。主要的平均增益放大器的AE监测系统40 dB的最大阈值45分贝,浮动的宽容6 dB。两个监测传感器都是Nano 30 AE;操作的谐波频率范围100 - 400 kHz的采样率10 MHz。两个AE传感器被安装在砂岩和煤的表面以适当的磁带和固定到位。凡士林是应用于传感器和样品之间的接触面积,确保优越的耦合条件。铅笔芯断裂ASTM(2000)提出的方法被用来校准AE系统。索尼便携式数码相机是用来记录的故障过程复合样品在单轴压缩。

3所示。结果与讨论

3.1。复合样品的强度特征

复合样品的单轴压缩应力-应变曲线呈现在图2。单轴抗压强度(ucs)的复合样品呈现在图3。

复合样品的ucs包含预先存在的煤炭裂缝明显低于完整的混合样品,和既存煤裂缝产生恶化影响复合试样的结构强度。砂岩的强度远远大于煤的混合样品。因此,在一个混合样品,煤炭的低强度决定了结构强度复合试样(2- - - - - -17]。此外,复合样品的不稳定和失败是由煤的失败造成的。在这个调查中,复合样品1 - 4的失败主要发生在煤炭、并没有观察到明显的失败砂岩。的失败5复合试样发生在煤和砂岩。煤炭经历了分裂失败,其传播引发随后的分裂失败的砂岩,,通过测试后目视检查的样本。因此,日益恶化的既存煤裂缝对结构强度的影响主要发生在煤、降低其强度下降导致复合的结构强度。

为了分析包含预先存在的煤炭裂缝复合样品的强度,应力状态的煤混合样品的分析如下。根据煤的应力状态rock-coal-rock复合试样和rock-coal复合试样(2,3,11,12,15,22),煤的应力状态sandstone-coal成立综合样本,如图4。砂岩的弹性模和煤炭为代表和( ),分别和泊松比值为代表和( ),分别。在单轴压力下 ,附近的横向变形煤sandstone-coal接触表面是由砂岩(限于一定程度上9- - - - - -11]。然而,接触表面附近的砂岩的横向变形在一定程度上增强了煤炭。的拉应力砂岩和压应力接触表面的煤炭衍生,被任命为界面效应(9,10]。的价值是平等的吗 。的方向和反对,他们逐渐减少对煤或岩石的中心。然而,由于边界效应的低刚性压头,压应力煤炭是降低接触表面上生成。此外,逐渐减少对煤。低压力和高强度的头拥有更大的弹性模量和泊松比低;因此,煤和低的压头之间的相对变形大于煤和砂岩。因此, , ,和满足以下方程(2]:

上下接触面附近的煤炭,抵制破坏,在三轴压缩。煤炭在中央部分的测试样品仍受单轴压缩(2]。径向拉应力煤在生成 ,而逐渐减少对煤炭的外边界,和径向拉应力相对较低的煤,但两端高中心[2,23]。因此,拉伸断裂发生,导致增加的可能性交叉形的形成或沙漏煤炭的裂缝。这可能是验证混合故障模型的交叉形复合样品的剪切破坏和分裂失败。

水平穿透裂纹下的煤是主要是压实 ,和附近的径向拉应力几乎没有区别的两个裂纹面。因此,恶化水平贯穿裂缝对结构强度的影响是在这项研究中最低。与a - 1混合样品(完整的混合样品),4的UCS复合试样下降了4.37%,如图3。a, a - 3和5的组合样品,表面垂直裂缝和垂直穿透裂纹容易发起和传播在径向拉应力的影响,加剧了煤炭失败和降低了煤的强度。复合试样的结构强度降低。此外,既存煤裂缝的性质,如裂纹和裂纹几何分布,确定了影响结构强度恶化。径向拉应力达到相对最大煤炭中心区域附近的值。因此,垂直通过煤的中心穿透裂纹对结构强度影响最大的恶化。与完整的复合试样相比,5的UCS复合试样下降了37.72%。UCS的a -复合试样表面垂直裂缝的煤炭价格相比减少了20.11%的完整的混合样品,和a - 3复合试样的UCS垂直贯穿裂缝通过煤下降了12.18%。减少的程度的UCS a复合试样比a - 3复合试样。两个主要原因提出了这一现象。

一是两者之间的区域垂直穿透裂纹可能是煤炭的主要承载结构,因此垂直贯穿裂缝对煤的强度几乎没有影响。从开始加载到macrofailure起始(MFI)点,AE信号的波动程度(能源指数)的a -复合试样高于a - 3复合试样,如3.4节中所讨论的,这些说明,最初的内部破坏煤的a -复合试样高于a - 3复合试样。最初的内部损伤降低a复合试样的强度。因此,UCS的a -复合试样可能低于a - 3复合试样。

3.2。Macrofailure起始(MFI)复合样品的特征

第一个macrofailure点的混合样品被认为是MFI点,代表macrofailure在复合试样的开始。MFI点也反映在复合试样的应力-应变曲线(5,11,22]。复合样品进行小额信贷机构时,观察到一个明显的转折点在相应的应力曲线,如图5。相应的轴向应力定义为macrofailure起始压力(小额信贷机构)在这个测试。复合试样经历macrofailure,断裂或损坏的能量迅速释放,产生声发射。能量指数选择作为AE特征参数代表了AE信号强度在这项研究中。能量指数的波形包络区域AE波形信号,因此没有相关的单位。相对应的能量指数MFI点显示为一个峰值(图5)。macrofailure起始应力(小额信贷机构)、能源指标造成的小额信贷机构,和macrofailure起始模型(MFIMs)复合样品的观察展示在表3。

在表3的MFI复合样品发生在煤炭所示。王等人提出额外的拉伸应力垂直加载方向开发的原始缺陷在单轴加载条件下岩石样本22]。当额外的拉应力超过岩石样品的抗拉强度,裂纹合并和宏观裂纹发生在体内和表面边界的样本,表明一个活跃的MFI的过程。殷等人观察到的能量存储在复合试样在MFI过程中可能释放迅速,其次是快速表面剥落的煤22),类似于MFI压裂过程中指出复合样品a - 3、4和5。此外,表面剥落故障通常是位于相邻的原始缺陷。这个过程太快速用数码摄像机拍摄的。额外的拉伸应力(24] 在那里,是额外的拉应力;缺陷的规模,主要指的是长度,宽度,和深度的原始缺陷;连续加载时间;是额外的拉伸应力松弛率;是材料的应力集中系数;是轴向应力;和是时间变量。当 ,小额信贷机构发生的煤。煤的抗拉强度。

在方程(2),额外的拉伸应力表现出积极的关系在相同的条件下。一般来说,越大是,大的价值 。完整的复合试样(a - 1样本),是相对较小的。一个大的价值需要满足 ,和MFI发生煤。相应的小额信贷机构是最大的指出在所有的样品在45.21 MPa。垂直穿透裂纹的宏观裂缝发起(a - 3和5复合样本)和从表面垂直裂纹(复合样品a和4)。垂直穿透裂纹的比表面垂直裂纹。一个小的值可能会使 ,a - 3和5的小额信贷机构样本低于a和4复合样品。与a - 1复合试样相比,复合样品的小额信贷机构a, a - 3, 4, 5下降了30.52%,35.01%,23.27%,和54.39%,分别为(图6)。表面垂直裂纹的长度的宏观裂纹在复合试样a大于复合样品4(表1),小额信贷机构的复合试样a复合试样的小于4。小额信贷机构的复合试样a - 3复合试样的比5。

此外,小额信贷机构的比例为完整的UCS复合试样为97.13%,接近100%。这表明一个瞬时的过程从macrofailure复合试样的彻底失败。此外,小额信贷机构的比率UCS复合样本包含的既存煤裂缝之间的50.73%和84.46%,表明一个进步的过程从macrofailure彻底失败。复合样品的失效特点进一步分析,在以下部分中讨论。

3.3。Macrofailure复合模式样本

macrofailure模式复合的照片样品如图7。复合样品1 - 4的失败主要发生在煤炭,而没有明显的失败是观察到的砂岩。上部或下部的部分煤炭是锥形,表明煤受剪切应力和破坏是由于交叉形剪切破坏。这些结果类似的故障模型的煤炭rock-coal-rock混合样品提供的刘et al。2]。一些垂直拉伸裂缝也观察到的煤复合样品1 - 4,表明发生分裂失败,红线图如图所示7。失败的模型1 - 4复合样本混合故障模型包含两个交叉形剪切破坏和分裂失败。此外,煤炭和砂岩复合试样5被毁。煤的失败主要是由于分裂失败伴随着一个小交叉形剪切破坏,砂岩显示分裂失败引起的裂纹扩展的煤炭。附近一个最大径向拉应力达到中央区域的煤炭。垂直通过煤的中心穿透裂纹复合试样5促进了拉伸断裂的影响下径向拉应力。可能造成拉伸断口进行煤炭的失败然后诱导复合试样的结构破坏。

3.4。分析变形和破坏过程

为了进一步讨论的影响既存煤裂纹故障特征的复合样品、变形和破坏过程的复合样品进行分析,如图8。根据不同阶段的岩石单轴载荷下变形和小额信贷机构的定义,复合试样的变形与破坏过程可分为三个阶段(9,22]。这些是我阶段:初始压实阶段(段OA),第二阶段:线弹性阶段(段AB),和第三阶段:macrofailure阶段(从B点到最后)。

既存煤裂缝影响复合试样的变形与破坏过程。与既存煤裂缝的复合样品相比,完整的复合试样的III期过程(a - 1复合试样)太短释放弹性能量主要存储在第二阶段。相应的失败是瞬时和暴力,因此可能会导致动态的危害。既存煤促进了MFI裂缝发生,缩短第二阶段过程,延长了第三阶段的过程。复合样品与既存煤裂缝表现出进步的失败。煤和岩石的孔隙和裂缝以及它们之间的接口的压实是我进一步压实单轴载荷作用下阶段,能量指数稳定和保持在低水平。复合试样的弹性能量主要存储在第二阶段中,和轻微的波动发生在突然增加的能量指数没有点由于初始微裂纹萌生和扩展,特别是在复合试样a。在第三阶段,宏观裂纹的初始和煤中传播。原始和新裂缝传播和合并,紧随其后的是本地化骨折和裂开等。这个过程消耗大量的弹性能量和减少复合试样的结构完整性。 Therefore, the tendency for dynamic hazards to be caused under the conditions modelled with the composite samples with the coal’s pre-existing cracks was reduced. The corresponding energy index demonstrated significant fluctuations with a greater number of peak values.

在深部煤炭开采,必须密切关注领域的煤层与横向贯穿裂缝。在这些领域,应该采取一些措施来减少不稳定引起的岩爆灾害的发生概率和失败的复合系统煤层和顶板岩石。这些措施包括注入煤层、煤层煤巷超前钻孔减压和削减减压槽煤层。

4所示。结论

在这项研究中,进行了单轴压缩试验在sandstone-coal复合样品穿透裂缝或表面裂缝的煤炭。煤的预先存在的裂纹的影响力量,macrofailure起始(MFI)和故障特征的复合样品,进行分析。得到了以下结论:(1)既存煤裂缝强度减弱,促进macrofailure起始的发生(MFI)和复合样品的失效特征的影响。垂直渗透裂缝有更大影响的力量和MFI发生,特别是垂直渗透裂缝渗透通过煤的中心。水平裂缝渗透有较小影响的强度和MFI发生。(2)引起的MFI一步应力-应变曲线的形状,和能量指数达到峰值。macrofailure起始压力的值与预先存在的裂纹(小额信贷机构)的复合样品是完好无损的低于混合样品。MFI的复合样品预先存在的裂纹起源,包括预先存在的裂纹的裂纹萌生,新成立的形成宏观裂缝附近预先存在的裂纹,裂纹扩展引起的表面裂开等。(3)复合样品的失败主要发生在煤和显示一个交叉形剪切破坏伴随着一个小分裂失败。煤和砂岩被毁的复合试样主要包含垂直通过煤的中心穿透裂纹。发生的煤通过分裂失败伴随着一个小交叉形剪切破坏,而砂岩显示分裂失败引起的裂纹扩展的煤炭。(4)完整的复合试样失败涉及一个瞬时与大量的弹性能量迅速释放。有一个高的趋势的发生危险。相反,复合样品与既存煤裂缝提出了一个进步的失败。MFI点的峰值应力,原来和新裂缝传播和合并,然后本地化骨折发生剥落。这个过程消耗大量的弹性能量和复合试样的承载能力下降。灾害的发生从而降低的趋势。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究得到了国家自然科学基金(51904167,51474134,51774194,51874189),泰山学者项目,泰山学者得天独厚的人才团队支持计划和独特的学科领域,SDUST研究基金、山东省自然科学杰出青年基金(JQ201612)和山东省重点研究和发展计划(2017 gsf17112)。作者感谢开放研究基金项目的教育部重点实验室的安全、高效开采煤矿(JYBSYS2019201)。