文摘
孔隙丰富和变形特性的饱和破碎的煤在蠕变过程中重要意义的研究采空区地面沉积物。孔隙度变化规律的饱和破碎的煤蠕变过程及其蠕变本构模型研究了利用自主研发的多相耦合蠕变试验装置。,结果表明,孔隙度的对数破碎的煤在蠕变过程中显示了一个线性负相关的时间ln (n−) =−ct + lnb,和孔隙度减少显然是分为三个阶段。此外,当应力水平相对较低,孔隙度减小缓慢;压力上升时,孔隙度迅速减小;最终压力保持稳定时,孔隙度更小。相同压力下,破碎的煤的粒径减小,孔隙度倾向于减少,和破碎的煤的粒度趋于稳定,孔隙度会增加;的蠕变本构方程对不同晶粒破碎的煤通过开耳文建立了模型,以及相关分析表明,破碎的煤的开耳文蠕变模型是合理的。
1。介绍
煤是一种非均匀和多孔介质1),因此压实和轴承问题在煤矿破碎的煤是很常见的。与外部力量的影响,煤炭不断粉碎,浸胶,压实;与此同时,一些相关的破碎的煤的物理力学特性发生了变化,这可能会导致一些工程问题,如表土运动,地面沉积物(2- - - - - -5,在采空区边坡不稳定。研究蠕变过程中破碎的煤的孔隙度变化规律(6- - - - - -11)及其蠕变本构方程等解决工程问题奠定了理论基础评价采空区地面变形的沉积物。但是,在当前分析破碎的岩石(12- - - - - -14),很少人能系统地分析破碎的岩石的孔隙度变化规律在蠕变的不同的压力和不同的颗粒大小;的描述蠕变变形法、回归分析手段,如对数拟合和符合指数衰减,通常采用,但其本构关系不是分析,其蠕变变形机制是解释从破碎的岩石的物质繁荣的角度。
2。测试设备和测试方法
2.1。煤样
为了破碎的煤的孔隙度变化规律进行了研究,不同的颗粒大小压缩和蠕变过程中在不同的负载下,破碎的煤与五粒大小选择,其单轴抗压强度是15 MPa。他们的成绩和大小如表所示1和破碎的煤和准备仪器如图1(一)。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
2.2。测试设备
很容易松散和破碎的煤无围压下横向流动轴向载荷;因此,他们不能承受沉重的负荷,但破碎的煤在特殊网站,如煤矿面临的巷道有强壮的围压。考虑到这一点,自主研发的多相耦合蠕变试验设备的破碎的煤设计导螺杆系统适用于提供加载,如图1 (b)。当它达到一定的压力时,可以将电源切断,它依赖于导螺杆自锁提供的压力,避免过多的能源消耗在长期测试。变形试验采用一个LVDV-3 FT81位移传感器和数字指标。此外,一个球铰链需要添加上面的承压变形工具来避免不平衡加载由于基座或弹簧不平衡。
破碎的煤的压实设备的装配高度是300毫米(140毫米高活塞和170毫米长缸筒)。缸筒的内径100毫米,壁厚是15毫米;在处理过程中,普通的45号钢完全淬火提高硬度,防止破碎的煤边挠内壁和增加阻力;缸筒底部和底座是由螺栓连接起来。最大轴向载荷压力为变形设计的仪器是180 MPa。
2.3。测试方法
首先,形变仪器组装和充满了身材的样品破碎的煤进行测试。考虑位移的仪器中风和估计的最大变形,这些未压缩的岩石破碎的控制是128毫米高,每次稍微动摇是密集的;最后,他们分成两组测试的负载下8和12 Mpa,分别。
测试过程如下:样品的饱和破碎的煤工作负荷加载,加载过程记录;饱和滴打开,和水喂养下的压实设备在适当的时候交响效果维持饱和状态下的煤样总;每组的变形工具提供了两套位移测试系统,位移读数的平均值;观察到的负载每天在一个固定的时间间隔,必要时负载补偿和位移数据和时间记录。每种类型的测试分为3∼5组,和测试数据的平均值是最终结果。测试方案与结果的重要的色散,测试组添加到三组得出类似的结论。
3所示。孔隙度随时间变化的规律
孔隙度是指颗粒之间的孔隙体积与总体积比破碎的媒体,即, 在哪里表示破碎的煤的孔隙度,表示破碎的煤的总量在测试之前,表示破碎的煤的总量在测试期间,和表示在破碎的煤固体颗粒的体积。
3.1。应力水平对破碎的煤的孔隙度的影响
应力水平产生显著影响破碎的煤的孔隙度和破碎的煤的孔隙度之间的关系曲线和时间不同压力水平下得到的两组测试在不同的负载下,如图2∼3。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
从图可以看出28 Mpa的压力下,对不同粒度煤样的孔隙度变化是周期性的。当晶粒尺寸1下降为69.12×104(年代),孔隙度降低到0.154 66;当晶粒尺寸2下降为60.48×104(年代),孔隙度降低到0.185 85年,当它下降为86.4×104第二次(s),孔隙度减小到0.185 62;当晶粒尺寸3下降为51.84×104(年代),38岁的孔隙度降低到0.162,当它下降为69.12×104第二次(s),孔隙度减小到0.162 27个;当晶粒尺寸4下降为51.84×104(年代),孔隙度降低到0.170 80;当晶粒尺寸5下降为51.84×104(年代),孔隙度降低到0.212 09年。上述现象很难在短时蠕变试验观察。
从图可以看出312 Mpa的压力下,对不同粒度煤样的孔隙度变化是周期性的。当晶粒尺寸1下降为34.56×10420 (s),孔隙度降低到0.112,下降51.84×104第二次(s),孔隙度减小到0.112 06,当它下降为103.68×104第三次(s),孔隙度减小到0.111 77;当晶粒尺寸2下降为34.56×104(年代),孔隙度降低到0.174 02,当它下降为51.84×104第二次(s),孔隙度减小到0.173 68;当晶粒尺寸3下降为17.28×104(年代),孔隙度降低到0.122 84年,当它下降为69.12×104第二次(s),孔隙度减小到0.122 25;当晶粒尺寸4下降为34.56×104(年代),孔隙度降低到0.140 31;当晶粒尺寸5下降为43.2×104(s),孔隙度降低到0.172 52岁,当它下降为60.48×104第二次(s),孔隙度减小到0.172 25。
蠕变过程中破碎的煤,减少在破碎的煤的孔隙度与五粒大小基本上是分为三个阶段。第一阶段:孔隙度变化迅速,往往会降低;在此阶段,粒子之间的滑移、错位、变形发生破碎的煤。由于煤颗粒之间的空隙大,明显的体积迅速下降,然后迅速孔隙度降低。
第二阶段:孔隙度变化很快,往往慢下来;在此阶段,滑移和错位很少发生在破碎的煤颗粒,和破碎的煤颗粒形成一个自营结构;随着压力继续加载,在挤压的影响,(1)粒子表面边缘是破碎的,扩散并形成骨折和内部差距扩大和导致变形。(2)一些颗粒略有下滑,导致塑性流动。
第三阶段:孔隙度变化慢于前两个阶段,并逐渐趋于稳定;由于摩擦粉碎在第二阶段,煤颗粒之间存在较大的差距,满是细煤颗粒在破碎的。当压力继续加载,粒子之间的差距变得越来越小,很难被填满;因此,整个州的煤颗粒往往是临界稳定的骨架结构,和变形趋于稳定。
如图所示的曲线,破碎的煤的孔隙度随时间在两个不同的压力;8 MPa的压力时,相对应的孔隙度减少整个蠕变过程中晶粒尺寸1 - 5是5.44%,10.19%,6.45%,6.64%,和2.34%,分别;12 MPa的压力时,相对应的孔隙度减少整个蠕变过程中晶粒尺寸1 - 5是4.41%,7.89%,8.11%,1.94%,和4.00%,分别。当8 MPa 12 MPa的压力增大,孔隙度降低晶粒尺寸对应1∼5是27.73%,6.43%,24.71%,17.85%,和18.78%,分别。在低负荷水平、滑移和错位很少发生破碎的煤颗粒,和破碎的煤颗粒可以形成一个自营结构因为早些时候很少有粒子表面边缘骨折,内部断裂扩张,和颗粒塑性流动,和低孔隙度减少由于弱挤压破碎的煤颗粒之间的作用;随着应力水平的上升,更多的滑移和错位发生破碎的煤颗粒,和破碎的煤颗粒形成一个自营结构后期因为有更多的粒子表面边缘骨折,内部断裂扩张,由于强烈的塑性流动和颗粒破碎的煤颗粒之间的挤压效应,所以孔隙度迅速减小,最后稳定孔隙度更小。
3.2。破碎的煤的粒度对孔隙度的影响
晶粒尺寸产生重大影响破碎的煤的孔隙度和孔隙度之间的关系曲线破碎的煤与不同的晶粒大小和时间得到不同压力下测试,如图4。
图5(一)表明,8 MPa的压力下,孔隙度减少迅速在早期蠕变,8.64×104(年代),样品的孔隙度对应晶粒尺寸1∼5 562年是0.163,0.206 678 0.173 566 0.182 943年,181年和0.217,分别。后来,它经历了三个阶段的明显的衰减。在第一阶段,直到34.56×104(年代),样品的孔隙度对应晶粒尺寸1∼049降低到0.155,0.188 101 0.163 554 0.172 351年,414年和0.212,分别;在第二阶段,直到51.84×104(年代),样品的孔隙度对应晶粒尺寸1∼919降低到0.154,0.186 297 0.162 593 0.171 318年,174年和0.212,分别;在第三阶段,直到112.32×104(s),样品的孔隙度对应晶粒尺寸1∼658降低到0.154,0.185 619 0.162 379 0.170 800和0.212 094。针对第一个突变点的孔隙度,孔隙度的样品晶粒尺寸对应2∼5增加了21.32%,5.49%,11.16%,和37.00%,分别。
(一)
(b)
图5(b)显示,12 MPa的压力下,孔隙度减少迅速在早期蠕变,8.64×104(年代),样品的孔隙度对应晶粒尺寸1∼5 921年是0.116,0.188 551 0.133 041 0.143 082年,431年和0.179,分别。后来,它经历了三个阶段的明显的衰减。在第一阶段,直到34.56×104(年代),样品的孔隙度对应晶粒尺寸1∼343降低到0.112,0.174 373 0.122 839 0.140 419年,135年和0.173,分别;在第二阶段,直到51.84×104(年代),样品的孔隙度对应晶粒尺寸1∼199降低到0.112,0.173 908 0.122 614 0.140 308年,518年和0.172,分别;在第三阶段,直到120.91×104(s),样品的孔隙度对应晶粒尺寸1∼767降低到0.111,0.173 675 0.122 252 0.140 308和0.172 253。针对第一个突变点的孔隙度,孔隙度的样品晶粒尺寸对应2∼5增加了55.22%,9.34%,24.99%,和54.11%,分别。
相同压力下,破碎的煤颗粒的粒径减小,孔隙度会降低;破碎的煤颗粒的粒度趋于稳定,孔隙度会增加。
3.3。回归分析的孔隙度随时间变化
根据回归分析破碎的煤的孔隙度变化与五粒大小和两个应力随着时间的推移,获得的回归方程和相关系数,见表2。
两个压力下,孔隙度的对数破碎的煤在蠕变过程中显示了一个线性负相关,也就是说, 在哪里n表示破碎的煤的孔隙度;t表示时间;a、b,c回归系数。随着蠕变时间的增加,一个蠕变后价值无限接近最后的孔隙度。8 MPa的压力下,一个谷物的价值大小1∼5对应的样品是0.1548,0.1860,0.1623,0.1708,和0.2121,分别倾向于增加与减少晶粒尺寸;12 MPa的压力下,一个谷物的价值大小1∼5对应的样品是0.1120,0.1738,0.1225,0.1403,和0.1723,分别会随着晶粒尺寸的减小而增加。的一个值会增加与减少晶粒尺寸和负荷的增加往往会减少。
4所示。蠕变本构模型饱和破碎的煤
破碎的煤的蠕变特性是指长期机械效应受到破碎的煤。潜移默化的财产和法律,破碎的煤可以通过建立蠕变本构方程来解释。从测试结果的分析可以发现,早期瞬时应变和变形极限的长期蠕变存在在整个蠕变试验过程中破碎的煤。因此,选择开耳文描述蠕变定律破碎的煤和披露其本构关系。开耳文模型进行相关分析,并进行了比较与以前常见的拟合曲线的指数衰减的合理性验证的蠕变本构关系破碎的煤开耳文所描述的模型。
4.1。模型建立的蠕变本构模型的破碎的煤
在广泛的意义上,开耳文模型的蠕变本构模型图所示4。
恒定负载条件下的应用 ,
当t= 0, ,在哪里是瞬时变形,它是独立于时间和实现的H元素(元素1)。
当t⟶∞, , 获得,表示最后蠕变趋于稳定和瞬时变形的和两个胡克的身体。
在蠕变试验,ε-t对不同粒度的关系破碎的煤图所示6。
的分析ε-t关系破碎的煤在蠕变试验和蠕变模型参数的破碎的煤与不同的晶粒大小如表所示3。
4.2。蠕变本构模型的合理性分析破碎的煤
对不同晶粒破碎的煤的本构方程可以开耳文获得的模型和基于材料逐渐破碎的煤的性质。特此,开耳文的合理性和精确模型需要进一步分析。
在过去在破碎的岩石的蠕变特性研究,主要采用了指数衰减拟合方程来描述破碎的岩石的蠕变过程。据的分析ε-t对不同粒度的关系破碎的煤,如图6拟合方程的第一个指数衰减ε- - - - - -t可以得到:
参数拟合方程的指数衰减ε-t如表所示4。
开耳文模型和拟合曲线的指数衰减的破碎的煤具有不同晶粒尺寸如图7。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
蠕变试验数据的基础上的饱和破碎的煤和通过统计相关性分析和计算根据开耳文第一指数衰减模型和拟合曲线与不同大小的颗粒破碎的煤,其相关系数如表所示5。
如表所示5的蠕变本构关系,根据破碎的煤蠕变模型,所描述的曲线相关系数的颗粒尺寸达到0.995以上;颗粒大小,开耳文之间的相关系数的蠕变模型破碎的煤和测试数据比过去的拟合曲线的指数衰减,表明与拟合曲线的指数衰减,破碎的煤的蠕变本构方程建立的开耳文模型更加精确,而后者是合理的;此外,蠕变本构方程的破碎的煤开耳文建立的模型可以解释的蠕变试验过程饱和破碎的煤从破碎的煤的物质财产的角度。
5。结论
根据孔隙度变化规律的分析下蠕变过程中破碎的煤五粒大小两个应力和蠕变本构关系,是得出以下结论:(1)两个压力下,孔隙度的对数破碎的煤蠕变过程中显示了一个线性负相关:ln(一)= - ct + lnb。(2)孔隙度减少显然是分为三个阶段。第一阶段:滑移,胎位不正,和破碎的煤的颗粒间发生的变形,孔隙度迅速下降。第二阶段:滑移和错位很少发生破碎的煤颗粒,和破碎的煤颗粒形成一个自营结构;随着压力继续加载,挤压的影响下,孔隙度变化相对迅速,往往会减少。第三阶段:由于摩擦粉碎在第二阶段,煤颗粒之间存在较大的差距,满是细煤颗粒在破碎的。当压力继续加载,粒子之间的差距变得越来越小,很难被填满;因此,整个州的煤颗粒往往是临界稳定的骨架结构,和变形趋于稳定。(3)当应力水平较低,孔隙度减小缓慢;压力上升时,孔隙度迅速减小;最后当压力保持稳定时,孔隙度更小。(4)在平等的压力下,破碎的煤的粒径减小,孔隙度倾向于减少,和破碎的煤的粒度趋于稳定,孔隙度会增加。(5)破碎的岩石的蠕变本构方程,建立了不同的晶粒大小通过开耳文模型;相关分析表明,曲线相关系数达到0.995以上,并在不同晶粒大小,开耳文蠕变模型和测试数据相关系数大于过去拟合曲线的指数衰减,表明破碎的煤的开耳文蠕变模型是合理的。
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有关的出版。
确认
这项工作得到了中央大学基础研究基金(批准号2019 qna19)。