学习强度和变形演化的原始和煤球煤样单轴压缩下通过监控他们的声发射特征

文摘

煤球煤与不同水泥含量经常用于研究煤的身体属性。在这项研究中,煤球煤样的变形和强度为0、5、10和20%水泥的内容是实验和理论上研究了用声发射(AE)特征监测在单轴压缩试验。结果表明,单轴压缩过程的原煤和煤球煤样品可以细分为压实,弹性,塑料(产量)和脆性破坏阶段。与水泥含量的增加,煤球煤样品进行弹性和塑性阶段,及其postpeak应力降率逐渐增加,塑性变形是紧随其后的是脆性破坏。的单轴抗压强度和弹性模量煤球煤炭样本显示与水泥含量的线性增加关系,而泊松比逐渐减小。在单轴压缩、原煤和煤球煤样品生产AE信号。煤球煤炭样本的总体AE信号相对较低,并且没有明显的AE事件原煤样品。的单轴抗压强度、弹性模量和泊松比煤球煤炭样本20%的水泥含量和累积AE信号振幅,统计,和能源值非常接近原煤样品的相应参数。因此,它们可以用于模拟原煤样品在实验室测试。

1。介绍

煤炭生产是由煤与瓦斯危害爆发,大量的天然气和煤岩体从爆发口喷出来,这常常导致严重的人员伤亡和巨大的经济损失(1,2]。为了防止煤与瓦斯爆炸事故,煤和天然气爆发机制已被广泛研究,以及一系列相关的理论和假设提出了(3]。大多数学者分享合成煤与瓦斯突出的概念,这意味着爆发是由地应力、气体压力、煤体的物理和力学性能(4,5]。因此,它对研究煤的力学性能是至关重要的,揭示了煤炭和天然气爆发机制。当进行机械测试煤和岩石的身体在实验室,AE听起来往往产生。因此,煤的机械测试身体可以分析煤的强度和变形特性的身体和AE特征在骨折。声发射(AE)技术作为一种无损评价方法,常用于研究岩石材料不稳定,开裂,与进化6,7]。通过分析煤和岩石AE信号的质量,可以推导出煤岩体内部形态变化,然后确定断裂机理和煤岩体的断裂程度,预测煤岩动力灾害的群众(8,9]。

煤和岩石的力学性能和AE特征的身体已经被大量的研究人员。Masahiro et al。10]研究了AE源分布的煤样单轴压缩和报道,AE源分布沿裂缝带。Masurov [11)和Rudajev et al。10)使用AE监测测量岩石损伤和预测岩石破裂的类型。Shkuratnik [12]研究煤样单轴压缩下的AE特征在不同加载率。王等人。13]研究了AE特征谱生成在原始煤样单轴压缩下的断裂。杨et al。14]调查原始煤样单轴压缩下的声发射特征,得出的结论是,煤岩体的断裂可以预测的AE监测结果。曹et al。15AE)执行测试爆发原煤样品在单轴压缩和蠕变条件下。结果表明,爆发原煤样品有显著不同的AE特征从均质岩石如砂岩。Ranjith et al (16AE)用于记录的应变能释放率后澳大利亚黑煤样单轴压缩下二氧化碳饱和。苏et al。17]对原煤进行了单轴压缩测试的样本两个尺度AE监测和得出结论,更加合理的预测煤岩动力灾害使用大型原煤AE特征值的样本。黄等人[18]研究了AE参数复合煤样品在快速装卸评估组合煤岩开采过程的危害。佩雷拉et al (19)进行了全面的无侧限抗压强度测试澳大利亚黑煤和褐煤样品和使用AE设备确定了裂纹扩展行为。董et al。20.]分析了AE响应不同的波导预测煤岩动力煤岩灾害条件。在添加水泥团块的研究,Jasinge et al。21,22]发现,最接近的匹配对自然煤炭样本重组煤样品水分含量水泥含量为4%和50%。

最上面的单轴测试与AE监测煤岩体进行了使用原煤样品没有煤球煤炭样本的比较研究。然而,大多数煤矿的煤的身体结构在中国相对宽松,和床上用品和关节发育良好。的核心取样成功率原煤样品在制备相对较低。此外,即使成功钻标准原煤样品可能无法全面反映煤层的特点,在研究[23]。目前,许多学者分享的概念,虽然有一定的区别原煤和煤球煤样品,他们的物理和机械性能非常相似。因此,许多研究煤层的力学和渗透率特征用煤球煤样品(24,25]。摘要水泥作为粘结剂与碎煤粉混合形成煤炭样本。然后,进行单轴压缩和AE测试是原煤和煤球煤与不同水泥含量样品,监测单轴压缩变形和AE特征。

这项研究的目的是确定煤球煤样品力学性能的一个适当的水泥含量和AE特征接近的原煤,通过单轴压缩试验。这一发现被认为是在后续煤与瓦斯突出测试仪器在实验室用煤球煤样品和低渗透性煤层渗流力学的研究。

2。煤炭样本特征和测试方法

2.1。原煤制备样品

煤炭样本从11110年获得完全机械化采煤的13号煤矿的平顶山田国安煤炭工业有限公司有限公司位于苏州市县,中国河南许昌。煤炭样品收集矿业面临被包裹在塑料薄膜和运到实验室。煤芯平行层理所钻在实验室里,然后和平滑切成标准煤样高度为100毫米,直径50毫米。处理过的样品符合规定要求的准确性(26]。总共有40个标准煤样处理,带有明显的自然密度介于1305和1448公斤/米³(平均1374公斤/米的价值³)和纵波速度分布之间的1269和2032 m / s(平均1672 m / s)的价值。上述属性的变化表明,煤样的身体有一定的分散与煤炭样本的异质性的身体。图1描述了原煤样品。

2.2。煤球煤制备样品

用于煤球煤的原煤准备也从上面获得矿业的脸和运送到了实验室的塑料袋子。颚板破碎机是用来打破煤炭剩余块原煤开采后,和碎煤的身体已筛。煤粉颗粒的大小从0.18到0.25毫米被选为原材料准备煤球煤炭样本。

42.5级普通硅酸盐水泥作为粘结剂用于准备煤球煤样品由于其良好的水合作用,硬化和不渗透性属性(27,28]。一定比例的水泥和水被添加到煤粉粒径为0.18到0.25毫米;混合搅拌,放入模具,成型压力稳定在100 200 MPa应用t材料试验机为30分钟。标准的煤样团块的高度100毫米,直径50毫米。

coal-cement-water粉比煤球煤样品使用摘要如下:(i) 1.00: 0.00: 0.05, (ii) 0.95: 0.05: 0.069;(3)0.90:0.10:0.072;(四)0.80:0.20:0.083。

形成团块煤炭样本被放置在一个恒温恒湿箱(温度20°C,湿度95%),治愈28天,然后放入烤箱(105°C),和干12 h。冷却到室温后,样本放入干燥盘进行进一步的测试使用。准备的煤球煤样品如图2。

2.3。实验装置

进行了单轴压缩试验通过rmt - 150 b型电液伺服岩石试验系统,如图3。轴向载荷与100 kN力传感器测量,加载精度为1.0×10⁻³kN。轴向和周向压力测量5.0毫米和2.5毫米的位移传感器,分别位移精度为1.0×10⁻³毫米。测试使用位移控制加载速率为0.005毫米/秒。在煤的机械负荷样本,DS-5类型摘要AE系统是用于在线AE监测。AE传感器被安装在中间的煤样和绝缘胶带固定。采样频率设置为3兆赫,RS-2A AE传感器频率是150 kHz机械和环境噪声的阈值是50分贝。数据采集系统记录了一系列的参数,如AE振幅、实时计数和能量。

3所示。测试结果和分析

3.1。变形特性

表1列出了单轴压缩AE原煤和煤球煤样品的测试结果与不同水泥的内容。在表1,Rc,E_T,μ是单轴抗压强度、弹性模量和泊松比的样本,分别;∑一个,∑N,和∑E是AE振幅、计数和累积能量积累的AE煤样单轴压缩下,分别。

图4显示了原煤样品的全应力-应变曲线和煤球煤炭样本与不同水泥单轴压缩试验的内容。从图可以看出4,煤样单轴压缩时的应力-应变曲线大致可以分为压实,弹性,塑料(收益率),和失败的阶段。在压实阶段,煤样的切线弹性模量与轴向应力增加,而孔隙和微裂隙煤样品接近,和它的体积逐渐减少。在弹性阶段,应力应变关系服从胡克定律。在塑料(收益率)阶段,煤样应力达到屈服强度时,材料内部较低强度的煤炭样本,首次出现并不断发展和应力-应变曲线偏离直线。这是初始伤害煤炭样品的开发过程。在最后的(失败)阶段,煤样的轴向应力达到极限容量。macroslip发生沿断裂面在煤样内部,产生拉应力是纵向在煤炭样本根据初始摩擦。压力会导致煤炭样品的快速下降失去其整体稳定性。

原煤样品的平均单轴抗压强度为4.34 MPa,平均弹性模量是1.47的绩点,平均泊松比是0.19。图中可以看到4(一)失败的原煤样品(特别是MB6和MB7)是脆弱的,体现的瞬时压力的下降,而原煤样品MB3和MB4显示下降了。然而,从原始煤样单轴压缩应力-应变曲线,可以发现他们的机械特性比较离散,这是身体与煤的性质有关。煤体内本身毛孔、裂缝和煤层联合开发,而其他因素直接影响煤体的力学特性。

与原煤样品相比,煤球煤炭样品的轴向压力与水泥含量0 5,10,和20%的更大,如图4 (b)- - - - - -4 (e)。煤炭样品的应力-应变曲线与不同水泥单轴压缩下的内容表明,水泥含量主要影响曲线的弹性和塑性阶段。相比之下,图4(一)团块的弹性和塑性阶段煤炭样本组我在单轴压缩更明显。煤球煤炭样本察觉和MS10压力下降,而地下有一个相对轻松地下降,如图4 (b)。团块的单轴压缩应力-应变曲线煤炭样本组II和III大约是相同的,和他们的弹性和塑性阶段更为明显。在M2-2压力后,M2-3, M2-4样品达到峰值,其断裂持续一段,然后将发生多步下降。M3-1, M3-2, M3-3煤球煤样品还显示梯状现象达到峰值后下降,表现出脆性破坏的特点,如图4 (c)和4 (d)。团块的单轴压缩试验煤样本组第四,弹性和塑性阶段仍然突出。M4-1, M4-2, M4-3煤球煤炭样本表现出了峰后应力降和明显的脆性破坏特征。上述分析表明,菌株在煤块样品在单轴压缩下比在原煤样品。压力下降主要是走。在零水泥含量、单轴压缩试验失败导致塑料。随着水泥含量的增加,断裂的煤球煤样品开始表现出脆性破坏的特征。

应力-应变曲线的比较分析察觉不到,M2-3, M3-1, M4-3煤球煤炭样本(图5)显示下面的特定功能。在塑性阶段,水泥含量的增长增加了应力-应变曲线的斜率,逐步减少轴向应变与峰值应力对应。在最后衰竭阶段,与水泥含量的增加,应变软化煤球煤炭样本被压力下降,成为相当明显。塑性变形是紧随其后的是脆性破坏,行为类似于原煤样品。

从图可以看出6随着水泥含量的增加,压块的弹性模量逐渐上升,和泊松比逐渐下降。这可能是由于水泥的水化反应添加到团块与水混合时,增加了样品的强度和弹性模量,但降低其泊松比。之间的比率的平均弹性模坯块煤炭样本与0 5,10,和水泥用量的20%,原煤的8.16,17.01,19.05和33.33%,分别。相比之下,他们的平均泊松比除以原煤等于142.11,84.21,52.63和57.90%,分别。可以看出,水泥含量的煤样团块煤球的泊松比有更强的影响煤样品和疲软的影响弹性模。

3.2。强度特性

煤球煤炭样品的单轴抗压强度与水泥含量,如图7。可以看出,压块煤炭样品的单轴抗压和峰值强度与水泥含量增加。团块煤炭样品的单轴抗压强度与水泥含量0 5,10,和20%的占34.56,70.28,77.19,111.06%的原煤样品的平均值。

3.3。AE特征

煤样的损害由外部加载体现了一系列的AE信号的特征是几个AE参数过程中煤炭变形和破坏。摘要AE振幅(一个,∑一个)、数(N,∑N)、能源(E,∑E)用于分析原煤的AE信号和煤球煤样品与不同水泥单轴压缩下的内容。AE振幅(一个,∑一个)的最大振幅的电压信号发布的煤样在加载破坏事件;AE数(N,∑N)反映了AE事件的频率;AE能量(E,∑E)是相对能量释放的AE事件。因此,AE振幅、计数和能量一起反映AE事件的强度和频率在煤样的变形和断裂。

数据8- - - - - -13显示监测结果的AE特征参数(振幅、计数和能量)在单轴压缩过程中原煤和煤球煤样品与不同水泥的内容。分化的结果,每个图描绘了一个典型的AE特征参数的监测结果在每组煤的样品。

图中可以看到8振幅,AE信号的计数和能量的MB1原煤样品的压实和弹性阶段相对较低。这是因为完整无烟煤样本相对较低的压力下不能形成新的微裂隙。不过,最初开放结构表面或原创的微裂隙的岩石都关门了。关闭裂缝之间会发生相对滑移,闭塞故障结构表面也会产生AE事件之间相对较低的能量。在这个阶段,累计值的振幅,AE信号的计数和能量及其持续时间可以用一个近似的线性关系。

当压力继续增加和进入塑料(收益率)阶段,煤样例展示内部结构损伤发展;微裂隙煤样本中开始出现,在这个阶段和AE事件被激活。AE的计数和能量开始增加,瞬时环数达到6.35×10³次/秒,瞬时能量达到2.38×10⁴mv·女士,可以用作确定煤炭样品的破裂的前兆。当煤样的应力方法煤炭样本可以承受的峰值强度,后者进入破坏阶段,而新产生微裂隙。然后,发生聚合和渗透,宏观裂缝表面损坏。AE活动失败阶段相对明显,瞬时振幅,统计,和能源的AE在破坏阶段达到高峰值,6.57×10³mv, 2.62×10³次/秒,5.58×10³分别mv·女士。随后,煤炭样本显示了整个滑动沿着宏观裂缝表面。在滑动过程中,摩擦产生的周向拉应力,然后发生拉伸断裂。随着应变的增加,抗拉飞机几次休息,导致了下降的压力。每个应力降之前,AE事件有一个很大的幅度仍将发生。一般来说,振幅的绝对值,计数和AE能量减少的压力下降。

图中可以看到9煤样的AE特征察觉不到煤球与零水泥含量在单轴压缩低于MB1原煤样品。煤样的整体AE参数察觉不到煤球并不大,即。,相对微不足道。在加载的初始压实阶段,立即增加振幅,统计,和精力。这是因为煤颗粒之间的孔隙现有煤压块内关闭,压实和压块,结果在AE振幅,计数,瞬时能量上升。当压力继续增加在弹性阶段,封闭裂缝之间的相对滑移发生。闭塞的失败结构表面也会产生一个AE事件较低的能量。在弹性阶段,振幅,计数和能量积累的价值和时间的AE参数可以用一个近似的线性关系。

当压力压块煤炭样本达到塑料(收益率)阶段,微裂隙出现,和新的拉伸裂缝产生。AE事件在这个阶段相对集中,AE振幅,计数和能量达到上限为2.5×10²mv, 1.49×10²次/秒,8.32×10⁴分别mv·女士。达到峰值应力后,加强应力降和AE事件相当大的储能。破坏阶段的瞬时AE能量价值是3.23×10⁵mv·女士,这超过在塑性阶段的3.88倍。可以看出,AE能量的最大值,振幅,数不一定同时发生。

从数据10- - - - - -12可以看出,AE M2-3特点,M3-3,和M4-1煤球煤炭水泥含量的样品5,10,20%的压实和弹性阶段几乎是相同的。相比之下,振幅、计数和能量的AE信号相对较小。

当达到塑性阶段时,煤样内部裂缝继续发展,和AE事件变得更加活跃。AE振幅、计数和能量显著增加。见图10的转折点的累积值AE振幅,统计,和能源出现在大约97%的峰值应力,高峰前大幅增加。其中,瞬时振幅,计数和能量M2-3煤球煤样达到4.22×10²mv, 2.32×10²次/秒,1.64×10³mv·女士(图10),而相应的参数M3-3煤球煤炭样本M3-3达到1.27×10³mv, 21次/秒,1.04×10³mv·女士(图11)。

当样品开始进入破坏阶段,形成宏观裂缝滑移表面裂缝。AE事件在这个阶段更明显;的瞬时振幅和能量M2-3煤球煤样品3.95×10²mv和3.85×10²分别为mv·女士(图10)。的瞬时振幅和能量M3-3 AE的煤样团块4.70×10²mv和2.05×10³mv·女士(图11)。

从图12,可以得出结论:M4-1煤球煤炭样本20%的水泥含量有明显降低振幅,AE信号的计数和能量在初始加载压实和弹性阶段。相比,两组的AE特征煤球煤样品水泥含量为5%和10%,其压实阶段相对较短。这是因为添加水泥密度填充毛孔现有煤体内后水化反应,减少了煤体内固有的孔隙和裂缝,并使煤的身体密度。当应力值达到塑料(收益率)阶段,煤样开始发展,微裂隙和煤样品进行初步的损害。AE事件在这个阶段相对密集,AE振幅,计数,永久和能量增加,能量上升最明显。当加载进入断裂阶段,瞬时AE能量价值M4-1煤球煤样达到3.41×10³mv·女士。随后,压力经历了下降,加强能量下降的瞬时值达到1.33×10³mv·女士。

它的数据中可以看到10- - - - - -12AE信号总是在变形和破坏过程中观察到的煤样与0 5,10,20%水泥单轴压缩下的内容。AE振幅、计数和能量的time-stress关系曲线有很好的对应关系。不过,煤样的AE特征与各种水泥的内容是不同的。的最大振幅值、计数和AE能量不会同时出现,但这些参数之间有很好的对应关系。随着水泥含量的增加,累积的转折点振幅和AE数是推迟,和累积能量是先进的转折点。

它可以推导出图13和表1煤球的AE累计振幅煤样单轴压缩过程中逐步提高水泥含量和展览逐渐饱和。然而,这些值超过平均原煤样品(1.54×10⁶mv)。AE累计数量的增加与水泥含量逐渐饱和。然而,它低于原煤样品各自的平均值(7.04×10⁵次/秒)。AE累计能量显示了线性增加趋势与煤相关改进的团块强度水泥与水泥含量样品。然而,这些值的平均低于原煤样品(6.22×10⁵mv·ms)。

4所示。讨论

数据14和15原煤的破坏模式和煤球煤样单轴压缩后与不同水泥含量。在这两种类型的样本,单轴压缩后的最终失败可近似视为平行于轴向分裂失败。当一个或几个主导裂纹增长,他们第一次传播。当其他裂缝尚未发育完全,整个煤炭样本将被分解成多个片状碎片。但与此同时,煤炭样品的剪切破坏面;也就是说,煤样单轴压缩破坏的也有一个双拉伸剪切断裂表面。

4.1。变形和强度发展煤炭样本

原煤异构是由于气孔、裂纹和联合开发的煤的身体,和一些参数,如单轴抗压强度、相对离散。原煤的单轴压缩破坏常常表现为脆性断裂,它表现为一个瞬时压力下降MB6和MB7煤样品。有时候,压力会逐步下降,如MB3和MB4样本。

原煤样品的平均值的单轴抗压强度为4.34 MPa,而那些煤球煤样品与水泥含量0 5,10,20%是1.50 - 3.05,3.35,和4.82 MPa,分别。它可以发现,煤球煤炭样品的单轴抗压强度与水泥含量增加。单轴抗压强度的平均值的煤球煤炭样本有20%水泥含量是最接近平均值的原煤样品。

在单轴压缩下,煤球煤的弹性模量与水泥含量增加。的平均值原煤样品的弹性模量是1.47的绩点,而团块煤炭样本20%的水泥含量为0.49的绩点,这是前三分之一的价值。这是因为,在单轴压缩的煤球煤炭样本,生成一个相对较大的轴向变形。煤样的团块水泥含量为20%,其平均值是1.61毫米,这超过了各自的平均值原煤(0.7毫米)的2.3倍。泊松比的煤球煤样单轴压缩下随水泥含量。各自的平均值煤球煤样品与水泥含量0 5,10,和20%的0.27,0.16,0.1,和0.11,超过原煤样品的1.42,0.84,0.53,和0.58倍,分别。一般来说,煤球的水泥含量对泊松比煤样品几乎没有影响。

因此,单轴抗压强度和弹性模量、压块煤炭样品的力学性能与水泥含量接近20%的原煤样品。

4.2。煤样的AE参数特征

在AE监测单向地压缩MB1原煤samples1,在弹性阶段,初始压实和振幅,AE信号的计数和能量与低数量的事件记录。在塑料(收益率)阶段,振幅,计数,AE能量显著增加。这是有关新煤体内微裂隙的形成,破裂,宏观裂缝的发展。在失败的开始阶段,振幅,统计,和能源的AE信号达到峰值强度,并且每个应力降伴随着上升的幅度,AE信号的计数和能量。

振幅、计数和能量团块煤炭样品的AE参数不太明显比原煤样品相关煤样团块结构。例如,煤球煤试样密实度和弹性模量相对较低。与水泥压块样品内容0、5、10和20%,AE信号的振幅,统计,和能量相对较低的压缩和弹性阶段。然而,当达到塑性阶段,微裂隙不断开发煤体内。此时,振幅、计数和AE信号的能量变得活跃和达到峰值点附近的屈服强度值。监测AE信号的特征表明,AE能量的最大值,振幅,数不一定同步发生。

AE信号的累积能量团块的单轴压缩下煤炭样本显示了线性与水泥含量增加。累计AE信号的振幅和计数与水泥含量也增加,显示逐渐饱和的特点。

根据监测AE信号的煤球煤样品,如表中列出1,平均的AE累计振幅值,统计,和能源的煤样团块水泥含量非常接近20%的原煤样品。累计计数和能量累积值1.52×10⁵次/秒和2.74×10⁵mv·女士,非常接近的原煤样品。因此,团块煤炭样品的力学性能和AE信号的水泥含量接近20%的原煤样品。

5。结论

变形、强度和原煤的AE特征和煤球煤样品与不同水泥含量在单轴压缩试验获得详细的分析和讨论。主要结论如下:(1)单轴压缩过程中原煤和煤球煤样品与不同水泥的内容可以分为压实,弹性,塑料(收益率),和失败的阶段。与水泥含量的增加在煤球煤样单轴压缩,弹性和塑性阶段变得更加明显,应力-应变曲线逐渐变得陡峭,峰值强度逐渐增加,而轴向变形逐渐下降。应力峰值后下降非常明显,和团块的变形煤样从塑料到脆性破坏逐渐变化。(2)与水泥含量的增加从0到20%煤球煤样品,其单轴抗压强度和弹性模量增加,而泊松比下降。然而,比较单轴抗压强度、弹性模量、泊松比和煤球煤与原煤样品与不同水泥含量的样品,发现水泥含量更大影响的单轴抗压强度和弹性模量煤球煤样品,和泊松比影响较小。这是由于水泥的水化反应会改变煤球煤的结构体,然后影响其力学性能和AE参数。(3)原煤的单轴压缩和煤球煤样品与不同水泥含量总是伴随着AE信号。然而,在煤球煤样品,振幅,AE信号的计数和能量相对较小。没有明显表现的AE事件原煤样品。振幅之间有很好的对应关系,统计,和能源的原煤和煤球煤样品与不同水泥含量和压力演化曲线。然而,振幅的最大值,AE信号的计数和能量不一定同时发生。(4)单轴抗压强度的研究和AE特征原煤和煤球煤样品与不同水泥内容显示,累计振幅,计数和能量团块的力学参数和AE信号煤炭样本20%的水泥含量在单轴压缩下接近的原煤样品。

命名法

Rc:	单轴抗压强度,MPa
ET:	弹性模量、平均绩点
μ:	泊松比
∑一个:	AE累计振幅,mv
∑N:	AE累计计数,乘以/ s
∑E:	AE累计能量,mv·女士。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者声明没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究是由中国国家自然科学基金资助(51674102和51674102),河南省的关键科学技术研究计划,中国(182102310002)、和特殊研究基金的资助的学院和大学在河南,中国(NSFRF180104)。

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