粒子破碎和压实作用下饱和粉碎煤矸石的形态演变

文摘

在本研究中,变形,粒子破碎,形态演化变量轴向压力下的饱和粉碎煤矸石(0、2、4、8、12、16、20 MPa)研究了通过执行一系列的实验室检测与我们自行设计压实设备。研究结果表明,压缩模量与轴向应力之间的关系可以表示一个指数函数。相对破碎不同从0到0.3685,与轴向应力的增加单调增加。相对破碎和轴向应变之间的关系由一个线性函数描述。粒子循环变化从1.179到1.361,与轴向应力的增加逐渐下降。当轴向应力从0 MPa提高到2 MPa,相对破碎迅速增加超过总数的39.15%增加,和大粒子的粒子循环15 - 20毫米的范围大幅下降了超过48.34%的总减少。2 MPa是一个键值在控制饱和的粒子破碎粉碎煤矸石在压实。颗粒破碎主要分为三种类型:裂缝、破碎和研磨。在压实的早期阶段,断裂和破碎发生在大量。最后,研磨粒子破碎的主要形式。 The axial strain was influenced by the initial gradation, and a larger Talbot exponent corresponded to a larger strain. However, the initial gradation had little effect on the relative breakage.

1。介绍

压碎的岩石被广泛分布在采矿工程(1]。因为这些岩石的孔隙度高,大的压缩变形发生在碎岩体塌陷的区域,支持上覆地层。这影响巷道的支持,屋顶的管理,控制地表沉陷。此外,颗粒破碎压实期间导致粒度分布的演变是一个内部因素(除了岩石类型、颗粒形状、饱和度,加载模式,等)确定所需的压实特性碎岩石。因此,研究粒子破碎和压实特性的碎岩石在采矿工程有至关重要的作用。例如,它可以帮助工程师预测和控制地表沉陷在煤矿开采过程2,3]。

近几十年来,许多相关研究进行探讨粒子破碎的颗粒材料(4- - - - - -8]。结果表明,颗粒破碎,这可能发生在压实,主要是受到外加应力的影响,最初的分级测试材料,改变粒子混合物,复杂地质框架,在物理和几何形状。在这方面,分形理论被用来定量描述土壤颗粒的破碎程度和岩石颗粒(9- - - - - -12]。当颗粒发生破碎,颗粒形态将会改变结果。2 - 3三维评价方法提出了量化粒子的形态进化(13- - - - - -17]。然而,很少有研究进行了关于粒子破碎岩体的破碎和形态演化的区域。这项研究的差距是一个执行这项研究的动机。

研究已经进行了广泛调查碎岩石的压实性能(7,18,19]。颗粒大小的影响和力量的变形特性分析了饱和岩石压碎在这方面(20.]。一系列的实验室检测已经也进行了研究碎岩石的蠕变特性(21,22]。然而,大多数的研究都集中在单一粒径范围的碎石头和忽略了粒子破碎和压实特性之间的关系。

总的来说,本研究的主要目的是进一步提高压实特性的理解进化粒子破碎和粒子的形态。此外,粒子破碎和形态演化的定量研究,执行和轴向应变之间的定量关系和相对破碎了。结果,这将在本文的后面,为预测和控制提供了科学依据煤矿地表沉陷的工程。

2。实验系统和程序

2.1。测试系统

观察试样的压缩过程,视觉设计压实设备。图1说明了这个压实设备的组件和设计原则。这个自行设计压实设备有四个主要部分:活塞,钢圆柱管,塑料圆柱管,和基座。活塞被用来应用轴向载荷。钢瓶管是全淬硬45 #钢做的。内径和壁厚的钢瓶是120和8毫米,分别。塑料圆柱管是用来观察标本。它是由聚碳酸酯材料。这个管的内径和壁厚100和10毫米,分别。

2.2。样品制备

这个测试中使用的煤矸石标本来自Longxiang煤矿位于中国的山东省。实验室的标本准备按照下列程序。煤矸石块最初碎,粒子被分成几个组直径大小从2到5,5 - 10、10 - 15,15 - 20毫米。这个分类是使用适当的筛子。考虑到煤矸石块塌陷的区域包含大小不同,粒子组在每个样品的粒径组成属于a组(2 - 5毫米),b组(5 - 10毫米),c组(10 - 15毫米),d组(15 - 20毫米),总质量是1500 g。为了克服维数灾难和减少测试标本的数量,大小不同的颗粒在不同基于托尔伯特理论(23]。托尔伯特公式写在下列形式: 在哪里表示每个粒度的通过率在岩石颗粒,说明了颗粒直径,代表的最大直径表示塔尔博特指数。图2显示了四种不同情况下的颗粒级配曲线(n= 0.2,n= 0.4,n= 0.6,n= 0.8)。见图2质量的大颗粒塔尔博特指数的增加而增加。最后,标本放到一个装满水的玻璃容器七天,以确保他们完全饱和。

2.3。测试过程

由于上覆地层运动,粉碎煤矸石颗粒在塌陷的区域支持不同数量的加载在不同的时间。由此产生的压缩逐渐增加由于地应力的变化。因此,压缩级别(轴向应力)的影响在本研究调查。考虑到地层深度(730−)和原位地层压力(平均体积密度0.024 MN / m³20 MPa),最大轴向应力是压缩试验。轴向压力设置为六个不同的水平(2、4、8、12、16、20 MPa)。因此,粒子破碎和形态演化测试七种不同的条件下(包括初始状态)。28套实验(四个不同的初始等级×7个不同的轴向应力)。每组实验进行了三次,和测试数据的平均值用于分析。测试步骤如下:(1)安装标本:装配压实设备后,一个新的饱和试样放入压实设备。然后,计算的初始高度标本并记录,和压实设备的平台压缩机器。(2)施加轴向压力:轴向力控制模式的应用,以及加载速率将0.2 kN / s。轴向压力达到所需的压力后,压实设备卸载。(3)测试粒度分布:每个标本的煤矸石颗粒渗。干燥后的煤矸石颗粒,质量在每个测量尺寸范围。(4)获得粒子的形态:粒子的图片在不同大小范围(2 - 5、5 - 10 - 15,15 - 20毫米)获得使用数码相机。同时,ImageJ软件来处理图像。(5)改变轴向压力:轴向压力改变,步骤(2)-(4)重复。(6)改变新标本:在压实过程中,粒子破碎和孔隙结构演化是通过视觉观察窗口的压实设备。

3所示。计算参数

3.1。压缩模量

压缩模量的饱和粉碎煤矸石被定义为 在哪里压缩模量,是轴向应力,轴向应变。

3.2。相对破碎

哈丁(24]提出粒子破碎的概率增加它的大小。也指出,很难颗粒尺寸小于0.074毫米再次被打破。因此,所有粒子大于这个尺寸可能会被不同程度的大小。破损的可能, ,给定一个粒子的大小,D可能为代表

对于整个标本,破损的潜力, ,可以表达的 在哪里是“通过百分比”的差除以100 。

总破损, ,可能是由 在这一=的原始值 ;和=的值加载后开始。

相对破碎, ,可能是由 的价值区间在哪里是[0,1],它可以用来量化整个破损程度的煤矸石颗粒。

3.3。粒子循环

在这个研究中,粒子循环,e是用来量化粒子形态的演变。它是由下列方程表示: 在哪里的周长是粒子投影区域,然后呢是粒子投影区域。基于循环的定义,正则粒子导致循环值越小。当粒子是球形的,相应的循环值是1。相比之下,更多的粒子角度导致更大的圆的价值观。

4所示。测试结果

4.1。变形

基于轴向压力和轴向应变的测试数据,我们得到了轴向应变与轴向应力之间的关系(图3)。观察到,轴向应变与轴向应力增加。轴向应变的增加包括两个阶段:快速增加(0 - 4 MPa)阶段和缓慢增加阶段(4 MPa)。在快速增长阶段,轴向应变迅速增加超过69%的总增长(0-20 MPa)。

轴向应变受到最初的分级。在同样的轴向压力,更大的托尔伯特指数引起了更大的压力。这主要来自这样一个事实:一个更大的托尔伯特指数与更大的粒子的质量百分比,这是更可能导致标本大空间。

轴向应变与轴向应力之间的关系是符合负指数函数,和相关系数都在0.99以上。轴向应变是表示使用以下关系: 在哪里轴向应变,是轴向应力,和拟合参数。

标本时压缩在某种程度上,轴向应变的变化往往成为0(也就是, ),有轴向应变极限值。从方程(8),发现 ,和轴向应变是表达的

从方程(2)和(9)、压缩模量、 ,表达的是

当等于0,压缩模量可以写成 ,然后我们得到以下方程:

从方程(11),我们得到下面的公式:

基于方程(10)和(12),压缩模量与轴向应力之间的关系被表达的

4.2。颗粒破碎

表1显示了试样的粒度分布n压实下= 0.6和图4展品煤矸石颗粒在每个尺寸范围的变化趋势。颗粒破碎是常见的压实过程,不断改变了粒度分布(图4)。在压实的开始,达到2 MPa的轴向应力,大量的小颗粒0 - 2毫米的范围内出现(图4(一))。这占最后的增量的42.53%。大粒子的范围也显著下降(图10 - 15毫米4 (e)),最终减少的占35.92%。这源于这样一个事实:有大量的大的粒子,有锐利的边缘和角,以及粒子之间的联系主要是点对点和点表面。因此,这些接触容易导致断裂和破损。因此,粒径大大改变了。当轴向应力超过12 MPa,每个尺寸范围的质量发生了微妙的变化。这主要是因为,在早期阶段,粒子形状相对普通,颗粒之间的接触是密集的,和粒子破碎在很大程度上是由于相互磨大粒子,伴随着少量的小颗粒。同时,粒子的质量在本地2 - 5和5 - 10毫米的范围内波动在整个压实过程(见图4 (b)和4 (c))。这是因为粒子的生成和消失在这些大小范围是随机的。

表2展品的计算结果相对破损,和图5显示了相对断裂与轴向应力曲线。显示在图5,相对破碎改变了从0到0.3685,增加了与轴向应力的增加单调。轴向应力小于2 MPa时,相对破碎迅速增加。这占总增量的39.15%到47.46%。2 MPa和12之间的相对破碎增加缓慢MPa,倾向于成为稳定后12 MPa。此外,初始相对破碎粒度分布几乎没有影响。

4.3。形态演变

ImageJ是用于本研究的测量功能来计算每个粒子的面积和周长。然后,计算每个粒子的循环使用方程(7)。图6说明了图像处理。

图7显示了粒子循环和轴向应力之间的关系。看到,粒子循环变化从1.179到1.361。与轴向应力的增加,粒子循环逐渐减少。这主要是因为,在压实,粒子不断发生破损,脱落和粒子边缘和角落。因此,粒子变得越来越普通。此外,大颗粒的循环下降更重要的是,特别是在早期阶段的压实。例如,轴向应力下2 MPa,减少大颗粒在15 - 20毫米占48.34%到52.70%的最终的衰减。这主要是因为大颗粒压实前有许多棱角,应力集中是容易发生。

5。讨论

图8(一个)- - - - - -8 (c)显示粒子的轴向应力下的安排2 MPa, 4 MPa,分别和8 MPa。在压实的早期阶段(2 MPa),如图8(一个),标本非常宽松的存在一些颗粒之间的接触点和大孔隙大小。粒子堆积在一起混乱,相互接触的点对点的形式和point-to-surface。轴向载荷应用后,粒子被转移和重新安排,和接触的模式逐渐转化为地对地的接触,这是一个稳定的情况。特别是,当轴向应力等于8 MPa,如图8 (c)毛孔的大小和数量显著减少,和之间的连接性毛孔变穷。此外,在压实,大孔隙主要是分布在大颗粒。这表明,大颗粒更容易导致大孔隙空间。

颗粒破碎主要是分为三种类型:断裂、破碎、研磨(图9)[25]。在煤矸石颗粒有缺陷时,他们通常分为不同种类的粒子(图9(一个))。当煤矸石颗粒有更多的角特性,粒子之间的点接触成立,这常常导致应力集中和角脱落(图9 (b))。当煤矸石颗粒有常规的轮廓和较低的表面粗糙度,粒子之间的相互磨经常发生。这使得样品的形状更普通,表面平滑(图9 (c))。在压实的早期阶段,断裂和破碎发生在大量,导致迅速增加的相对破碎和迅速减少粒子循环,分别。后期的压实、研磨粒子破碎的主要形式,导致缓慢的增加相对破碎和缓慢减少粒子循环。

压缩饱和粉碎煤矸石的主要原因如下:(1)在轴向载荷的作用下,煤矸石颗粒克服了粒子之间的摩擦阻力。这导致滑动和滚动到一个更稳定的位置;因此,它导致孔隙体积的减少。(2)煤矸石颗粒破碎。因此,差距大粒子摆满了小颗粒,导致体积减少。

图10显示了相对断裂与轴向应变曲线。它可以观察到相对破碎与轴向应变的增加增加。主要是因为,随着轴向应变的增加,粒子破碎的程度更加严重。此外,相对破碎和轴向应变之间的关系是由一个线性函数描述如下: 在哪里和回归系数。

6。结论

在本研究中,变形,粒子破碎,形态进化的饱和粉碎煤矸石研究通过执行一系列的实验室检测与我们自行设计压实设备。通过以上研究,得出了以下的结论:(1)轴向应变与轴向应力增加。增加包括两个阶段:快速增加(0 - 4 MPa)阶段和缓慢增加阶段(4 MPa)。轴向应变受到最初的分级。在同样的轴向压力,更大的托尔伯特指数与一个更大的压力。压缩模量和轴向应力之间的关系是一个指数函数表示的。(2)颗粒破碎是常见的压实过程,不断改变了粒度分布。相对破碎不同从0到0.3685,与轴向应力的增加单调增加。增加包括三个阶段:快速增加(0 - 2 MPa),缓慢的增加(2 - MPa),轻微的增加(12-20 MPa)。在快速增长阶段,相对破碎迅速增加超过39.15%的总增量(0-20 MPa)。最初的层次相对破碎几乎没有影响。(3)粒子循环变化从1.179到1.361。与轴向应力的增加,粒子循环逐渐减少。大颗粒的循环降低更明显。在压实的早期阶段(0 - 2 MPa),大颗粒的循环15 - 20毫米的范围内减少48.34%以上的总衰减。(4)颗粒破碎主要分为三种类型:裂缝、破碎和研磨。在压实的早期阶段,断裂和破碎发生在大量。末端的压实、研磨粒子破碎的主要形式。(5)相对破碎与轴向应变的增加增加。这两个之间的关系用一个线性函数描述。

数据可用性

本文数据用于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有关的出版。

确认

这项工作是由常州科技项目(批准号CJ20190020),自然科学基金中国江苏高等教育机构(批准号18 kjb440002)和科技项目的江苏省住房和城乡建设厅(批准号2018 zd199)。

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