文摘

在地下采矿和工程煤矿巷道支架,煤岩层承受载荷;因此,煤岩的变形和力学特性相结合的身体是不一样的纯煤或岩石的身体。摘要常规三轴压缩测试煤岩组合的身体不同的身高比例进行。身体和煤岩的应力和变形特点进行了研究和实验结果分析了不同强度的标准。结果表明,峰值应力、弹性模量、身体和煤岩强度降低系数的总和的比例呈低度负相关,煤煤岩组合高度和与围压呈正相关;煤岩组合显示了明显的延性10 MPa围压下。常规三轴条件下,剪切破坏的主要原因是横向变形煤体内的煤岩组合,这是比这更大的岩体。圆变形值、体积应变值和变形速率postpeak阶段煤岩组合远高于那些prepeak阶段。Mohr-Coulomb和通用Hoek-Brown强度准则符合实验结果。

1。介绍

与巷道支护技术和理论的不断发展和完善,越来越多的煤矿选择安排在煤层巷道减少岩石巷道开挖。为了保持良好的屋顶条件,煤层强度较低的道路,道路通常安排在煤层的屋顶。也对薄煤层的开采,一侧的道路往往是在半煤层半岩石。道路开车沿着屋顶如图1(一)和semicoal-rock道路图1 (b)。

这两种道路的共同特征是煤层和顶板岩石巷道的弱粘。煤体的强度很低,煤层是倾向于大变形作用下的垂直压力。煤层是容易滑移和变形向巷道煤岩界面的弱侧,导致一系列大的变形和收缩,然后一系列的变形破坏模式,如顶板下沉和地板膨胀(1- - - - - -7]。

许多专家和学者做了测试煤岩体的力学性能,包括常规三轴试验和真三轴测试纯煤岩体和实验岩石力学性能在不同应力路径下(8- - - - - -17]。然而,地下工程,过重的负荷是由身体和煤岩体在一起,和巷道的安全与稳定是由屋顶岩石和煤的质量。因此,一个煤的变形和破坏特性或岩体不能准确地描述此类巷道的变形和应力特征。

近年来,一些专家研究了煤岩的力学性质结合样本在不同负载和获得失败的前兆特征及声发射信息结合煤岩样品通过实验(18- - - - - -26]。左(27,28]研究煤和岩石的破坏行为和强度特征质量相等的比例,与围压一个变量。谭(29日)决定了组合煤岩样品的力学性能,获得了新方法考虑屋顶和/或地板的影响,提出了对煤层的影响能力进行评估。黄(30.)进行单轴压缩试验组合煤岩在不同加载率和装卸率的影响分析和路径结合煤和岩石的力学性能。路[31日)提出了一个方法来减少趋势的影响通过弱化煤岩强度的身体结合基于实验结果。王(32),为了了解煤和岩石之间的滑动机制,研究了煤和岩石样本的不稳定滑动条件下,滑动类型在不同条件下,通过滑动位移演变规律和AE特征测试煤和岩石之间。李(21)使用一个常数积极负载条件下直接剪切试验研究自然的煤岩界面的剪切特性和分析声发射信号在剪切过程中。然而,他们的研究是基于煤和岩石的比例,和有一个小研究不同比例的煤高度结合煤岩样品的总高度。

目前,许多学者已经开发出多种强度标准基于常规三轴压缩试验数据,如隐谷(33,34),你(35),左36彭],[35]。这些强度标准显示良好的适用性和广泛应用于岩石结构的失败。基于不同的煤层厚度比率和屋顶在不同地质条件下,本文进行了一项实验室测试组合煤岩样品的力学性能与不同高度比的煤和岩石样本。不同高度之间的关系比峰值强度,弹性模量和强度降低系数组合煤岩样品进行了分析。组合煤岩的强度验证和分析利用强度准则并简要描述煤岩组合的侧向变形的原因提供理论和实验基础变形的特点,理解失败,失败的围岩巷道开车沿着屋顶和semicoal-rock巷道不同煤层顶板厚度比率。

2。实验

2.1。样品制备

煤和岩石样本的煤岩组合尸体直接取自3号煤层邢台煤矿、山西省,中国。在运输过程中,样品正在与食品薄膜密封,减少水损失和减少的风化程度和运输他们回到实验室核心处理及时。

煤和岩石样本处理不同高度,和加工精度满足要求的测试方法。处理完成后,明显的天然裂缝的岩石样本选择和删除,然后RSM-SY5 (N)数字智能超声波仪器被用来检测和选择岩石的内部。图2(一个)显示了岩石样本具有良好的完整性和一致性。由于长期的高温和高压条件下形成的时期,煤炭、煤层有一定程度的凝聚力与直接顶和不是一个nonbonded免费模式。因此,在实验中,介质粘度白乳胶是用作胶粘剂债券煤和岩石的身体和胶粘剂(见图2 (b))。涂胶应尽可能薄,确保一致性(见图2 (c))。债券完成后,煤岩组合样本编号和体重。编号是按照以下原则执行,如RCB-1-3-1数量,数量“R”代表了摇滚,“C”代表煤炭、“B”代表的形式结合煤岩样品之间的结合,“1 - 3”表示岩石的高度比,煤是1:3,最后一个“1”代表这组样本1号(见图2 (d))。

结合煤岩样品的尺寸是按照标准尺寸进行的国际岩石力学学会37]。煤和岩石标本的总高度是100毫米,直径50毫米。在测试前,直径、高度和重量测量煤岩体的单独和联合。表1显示测量结果。

D_r和D_c代表岩石和煤的身体的直径,H_r和H_c代表岩石和煤的身体的高度,H_t代表了煤岩组合的高度,米_r和米_c代表岩石的质量和煤炭的身体,和ρ是煤岩组合的身体密度。煤的身体的密度是1.378和1.39 g厘米之间⁻³,平均密度为1.383 g厘米⁻³岩体的密度是2.685和2.736 g厘米之间⁻³厘米,平均密度为2.704 g⁻³,煤岩组合的平均密度之间的身体是煤和岩石样本。

2.2。测试程序

测试分为单轴测试和常规三轴测试。样品包括煤和岩石样本和煤岩样品相结合。有四组煤岩组合样品用不同的高比率。在常规三轴试验,每组有6个标本,围压是5 MPa和10 MPa。每组的单轴测试包括两个标本。实验结果排除数据差异大,剩下的两组数据取平均值。测试完成后在MTS815.02电液伺服岩石力学试验设备的中国矿业大学和技术。MTS815.02如图的设备3。

为了减少摩擦效应的硬度计压头的常规三轴试验试样,根据研究结果,j . f . Labuz和冯38),本文使用凡士林和硬脂酸减少摩擦的影响样品的两端。测试步骤如下:步骤1:首先应用凡士林的两端样品,包装与热收缩薄膜试样,把包裹试样垫片,然后用热收缩膜包装两层,并使用20 #乙丙胶带风均匀,以防止石油渗出。步骤2:将样品中心的试验台,用的力控制方式,预加载1 kN武力解决样本。第三步:安装箍伸长计和三轴细胞下降。步骤4:围压加载到预定值加载速率为0.1 MPa /分钟。第五步:加载轴向压力和使用位移控制模式,直到样品被打破了。加载速率为0.003毫米/秒。

常规三轴试验的压力加载路径图所示4。

3所示。实验结果

3.1。应力-应变特征

纯煤和纯岩石样本受到传统单轴压缩和三轴压缩试验围压5 MPa和10 MPa。样品的应力-应变曲线如图所示5。

在单轴压缩下,煤样为6.38 MPa的峰值应力,而岩石样本为53.32 MPa。5 MPa围压下,纯煤样品的峰值应力为10.03 MPa,和纯岩石样本为66.2 MPa。10 MPa,围压下的应力峰值纯煤样品17.12 MPa,与纯岩石样本为90.94 MPa。煤和岩石的应力-应变关系有下沉的趋势在单轴条件下,表明煤和岩石有明显裂纹压实阶段,和压力的峰值强度之后迅速下降,和残余强度几乎为零(见图5)。围压加载后,由于煤的低强度的身体,几乎没有裂缝压实阶段,岩石强度高,裂纹压实阶段并不明显。煤和岩石质量有明显postpeak软化阶段和有韧性的特点失败。

的应力-应变关系在常规三轴压缩条件下煤岩组合图所示6。

煤岩组合在单轴加载条件下的应力-应变曲线可以分为四个部分(见图6(一)):(1)骨折压实阶段:在这个阶段,结合煤岩裂缝体和煤和岩石之间的差距是压缩和关闭。由于煤岩界面的存在和天然裂缝的样本,煤岩组合机构最初加载。阶段的应变增长速度增加,压力增加以较慢的速度,所以这个阶段的曲线显示了一个下降的趋势。(2)弹性阶段:在这个阶段,煤岩组合的内部裂缝被关闭,以及应力应变在一个线性关系。(3)屈服阶段:在这个阶段,煤岩的应力达到屈服载荷组合,发起内部裂缝,裂缝扩大。(4)卸载阶段:在这个阶段,煤岩组合的内部裂缝渗透,压力突然下降。煤岩组合的曲线峰后卸趋势低于90°。

常规三轴试验加载5 MPa和10 MPa围压煤岩组合。所以的裂缝压实阶段煤岩组合是不明显,但有明显的弹性阶段、屈服阶段,和postpeak软化阶段。示例RCB-1-3最低的峰值应力和峰值应力RCB-2-1是最高的(见图6(b)和6(d))。增加围岩的压力有显著影响的强度组合,峰值应力和postpeak残余强度值显著增加。煤岩组合机构的强度与不同的高比率的增加,峰后应力降的速度相应增加。结合煤岩样品的不同结合形式进行分类,和系数介绍了价值表达的百分比煤在煤岩组合的高度,高度表达为 在哪里在煤岩煤体内的高度复杂和的总高度是煤岩的身体。

峰值强度和轴向应变、弹性模量、循环应变和体积应变测试块表所示2。单轴测试仅计算了轴向应变。

组合煤岩的应力峰值随围压的增加(见图7(一))。在相同围压下,峰值应力时煤岩组合是最大的= 0.33,强度随增加的价值 ,和峰值压力是最小的时候= 0.75。煤和岩石样本的峰值应力和煤岩组合增加随着围压的增加。煤岩纯样品的峰值应力和煤岩组合和围岩压力呈正相关。与周围的岩石从0 MPa 5 MPa的压力,压力的变化比例基本上是小于围岩的5 MPa 10 MPa的压力。岩石的变化比例是最小的,小于0.4。煤岩组合的变化比率大于0.7,最大值为1.1,这表明围岩压力峰值强度有明显的影响(见图7 (b))。

根据杨和刘的研究(39,40),它可以知道当岩石的直径是一样的,随着高度的增加,岩石的强度逐渐降低,最后趋于一个固定值。因此,可以得出结论,当逐渐减少,煤的强度较小的身体强度逐渐增加,在组合,结合煤岩样品的峰值强度的增加,这证明实验结果是合理的。

样品相结合的煤岩单轴压缩下,由于煤和岩石的压实过程接口在初始阶段,轴向应变相对较大。因此,结合煤岩样品的实际轴向应变的应变应该删除的接口压缩煤岩组合,计算中所示 在哪里是实际的轴向应变的煤岩组合,从测试获得的轴向应变,H_t的高度是煤岩组合包含接口,H_r岩石样品的高度,H_c煤样的高度。高度测量值计算表1。

岩石峰值应变最高的围压是0 MPa时,煤的峰值应变变化小的封闭压力下0 MPa和5 MPa(见图8)。当围压达到10 MPa,峰值应变值大大增加。峰值应变的差异是由各自的长处煤和岩石样本。岩石的单轴峰值应力超过50 MPa。10 MPa,围压下岩石的延性特征不明显。相反,煤的身体有更好的延性。当围压增加从5 MPa 10 MPa,峰值应变增加,表明煤岩组合显示更明显的延性特征,围压下10 MPa。

弹性模量的变化与煤岩组合值在不同围压下如图9。组合煤岩的弹性模量随围压的增加,围压的正相关。同一围压下,组合煤岩的弹性模量的增加逐渐降低价值。时的值大于0.67,降低弹性模量降低,煤的弹性模量是最小的,岩石的弹性模量是最大的。

岩石的强度降低系数可以描述岩石的脆性。根据强度降低系数的计算公式提出了彭(41),煤岩组合的脆性指数可以计算: 在哪里D_年代组合煤岩的强度折减系数和和应力峰值和残余强度的煤岩组合,分别和它们的值见表2。

之间的关系的强度折减系数煤的煤岩组合和比例高的高度煤岩组合和围岩的压力负荷计算(见图10)。

当围压是0 MPa,D_年代所有样本的值大于0.8,脆性特征明显,D_年代岩石样本的值是1(见图10 ())。当围压达到10 MPa,D_年代煤岩组合的价值和纯煤样品小于0.35,表现出良好的延性特征。随着围压的增加,D_年代的样本值近似线性下降。纯岩石样本的脆性明显,D_年代值超过0.8。纯煤样和煤岩样品的脆性小围压下。增加围压过程中,煤岩组合样本变换迅速从脆性向延性,在低围压有更好的延性特征。在单轴压缩下,煤岩组合的强度降低系数降低的增加值,然后逐渐趋于平缓(见图10 (b))。当围压达到5 MPa,整体强度降低系数降低。当围压10 MPa,强度降低系数显示了一个大约水平的趋势。强度降低系数D_年代之间的边界值= 0.5是用来表示岩石的脆性和韧性。10 MPa的围压下,煤岩组合是韧性,和5 MPa的围压下,延性只存在的价值大于0.33。

3.2。变形特性

因为煤岩组合和煤和岩石样本被密封在常规三轴试验之前,加载后的样本应该完全剥落,尤其是压缩和脆性coal-containing样本。煤和岩石样本的失效模式和煤岩组合如图11。

岩石的变形和煤炭样本数据所示(11日)和11 (b)。在单轴压缩,多个宏观裂纹出现在煤和岩石样本的表面和宏观裂纹主要是垂直张力裂缝与少量的剪切裂缝,这表明煤和岩石样本主要张力裂缝。当围压5 MPa,断口形状单一煤是斜剪破坏。平均夹角样品的断裂表面和轴向方向为34.8°。的断口形状单一的岩石主要是面向拉伸断裂,标本的轴角很小,平均是12.3°。岩石破裂伴随着多个纵向裂缝,这是接近单轴压缩破坏模式。10 MPa,围压时的断裂表面的夹角煤和轴向方向变得更大,平均50.3°,岩石的断裂角为33.5°。

RCB-2-1测试的失效模式的煤岩组合如图11 (c);在单轴加载下,结合煤岩样品的失败主要是煤炭的纵向拉伸断裂的身体,伴随着多个裂缝,上部岩石相对完整的一部分。当围压5 MPa,结合煤岩样品主要是剪切破坏。平均夹角的断裂表面的断裂表面和轴向方向样品28.6°,和岩石的部分是完好无损。当围压10 MPa,平均角是30.2°。

RCB-1-1的失效模式和RCB-1-2测试煤岩复杂的数据所示11 (d)和11 (e),分别。单轴载荷作用下,煤岩组合的失败主要是煤炭的纵向拉伸断裂的身体。中间有一个macromajor断裂面的煤的身体,断裂的角度接近垂直的方向,和上面的岩石相对完整的一部分。当围压5 MPa,结合煤岩样品主要是剪切破坏。平均夹角的断裂表面的断裂表面和轴向方向RCB-1-1示例31.2°,而平均RCB-1-2为37.2°角和岩石部分完好无损。当围压10 MPa, RCB-1-1样本的平均角为39.2°,而平均角RCB-1-2 44.6°。

的失效模式如图RCB-1-3测试煤岩组合11 (f)。在单轴加载下,失败主要是煤炭的拉伸断裂的身体和上面的岩石相对完整的一部分。当围压5 MPa,组合主要是剪切破坏,平均34.2°角和岩石的部分是完整的。当围压10 MPa,平均是42.3°的角度。

带一组= 0.67为例(见图12),在初始加载时,煤岩组合是压缩,和极端的体积压缩点C C点后,煤岩组合的体积变化从减少到逐步扩大,表明点C的起点是煤岩组合,新裂纹萌生和B点对应的应力-应变曲线点C的临界点的弹性和塑性阶段煤岩组合。在弹性阶段,煤岩组合的箍应变几乎是零。达到点后,循环应变开始以越来越快的速度增加。增加起点对应于B点的应力-应变曲线,它表明,塑性变形的起点是箍应变的增加。圆变形值、体积应变值和应变率在postpeak阶段是更大的比prepeak阶段。postpeak阶段,煤的身体在煤岩组合剪切断裂表面。之间的区别的横向变形岩体和煤的身体造成的煤岩组合主要是剪切的扩张煤炭的身体。煤的侧向变形的身体远比岩体。

总之,它可以被认为是围压有显著影响的破坏形态煤和岩石样本和煤岩组合。围压越大,夹角越大断裂表面轴向和剪切破坏的更加明显。在低围压下,主要失效模式是紧张失败。在正常的三轴,圆变形值,体积应变值,和变形率postpeak阶段远远大于prepeak阶段;剪切破坏的主要原因是大型煤炭身体的横向变形。有重大影响的变形和破坏煤岩组合。组合的失败主要是由于主要断裂带的形成中间的煤的身体。

4所示。强度特性

4.1。Mohr-Coulomb标准

Mohr-Coulomb强度理论背景有明显的物理意义。岩石摩擦和凝聚力。它是一种强度理论的基础上,总结失败测试的结果的岩石材料在正常压力。Mohr-Coulomb强度理论认为,岩石的失败是由于剪切应力和法向应力的共同作用对材料的破坏面。在主应力空间中,可以表示为库仑准则 在哪里σ₁岩石破裂的主要压力,σ₃是失败的次应力,问和K是参数与岩石的内聚力和内摩擦角材料。 , , 是岩石破坏面之间的夹角和岩石的轴向方向,然后呢 。

库仑准则是用来配合煤岩组合与不同的高比率。拟合参数和mc的标准R²如表所示3和拟合结果如图13。

4.2。H-B标准

Hoek-Brown标准(33(综合考虑多种因素的影响,可以更好地反映岩体的非线性故障特征)是一个经验方程,通常适合测试数据。的原始形式表示为H-B标准

1992年,Hoek et al。34)提高了H-B强度准则,称为广义Hoek-Brown标准。GH-B强度准则增加了系数描述岩石的完整性,这不仅适用于完整的岩石样本,也适用于岩石样本与内部骨折。表示为广义HB标准 在哪里岩石的单轴抗压强度,米和b对岩石的力学性能是常数,值吗b范围从0到1,n与岩石内部裂纹的发展程度,一般是0.5 - -0.65,并与质量块的值是0.5。

煤岩组合的测试数据和煤和岩石样本使用GH-B标准(参见图安装14)。

曲线与实验结果具有良好的拟合效果(见图(14日)),R²煤岩组合达到0.9以上,煤岩组合显示了增长趋势的强度随着围压的增加。然而,这一增长速度逐渐减慢。当= 0.5,煤岩组合的力量是最大的,强度增加的速率是相同的。每个参数的值R²如图14 (b)和表4。

其中,米价值的岩石和煤是7.09和1.1,和米煤岩组合是它们之间的价值。的值n描述内部孔隙和裂缝的岩石在0.5和0.54之间。取= 0.67为例,n和b为固定值,改变的价值米。当米小值,曲线之间的交集的绝对值和横坐标较大,和煤岩组合的抗拉强度比较大。当米值为2 - 3,有一个更好的拟合趋势。

5。总结

摘要常规三轴试验进行的结合邢台煤矿3号煤层和屋顶高度不同比率和围岩压力。峰值应力、弹性模量和强度降低系数的煤岩组合煤的比例高度负相关,积极与围压有关。

在单轴压缩下,煤和岩石样本和煤岩样品主要是拉伸的失败。形式主要是倾向于剪切破坏,在常规三轴加载。断裂表面和轴向方向之间的夹角是40°和30°之间,mc准则用于拟合,计算断裂角约等于实际的一个。

围压越高,断裂表面夹角越大,轴向和剪切破坏特征越明显。圆周变形值、体积应变值和应变率在postpeak阶段是远远大于prepeak阶段;剪切破坏的主要原因是大型煤炭身体的横向变形。

使用不同强度标准适合煤和岩石样本试验数据和煤岩组合,安装R²值都高于0.9,拟合效果很好。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果中包括文件的补充信息。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

作者的贡献

陀王马和战国构想,建立了实验系统;宫鹏指导论文写作;始兴Cheng和李宁分析数据;陀王写的论文。

确认

这项研究是由中国国家自然科学基金批准号。51674250和51674250下,中国博士后科学基金会批准号2019 m652018,中国国家自然科学基金重大项目,批准号。51734009和51734009下,和中国国家重点研发项目,在批准号2019 yfc1904304。

补充材料

补充材料包括测试数据支持手稿。(补充材料)