文摘

为了研究煤机械化放顶煤变形和破坏机制面临高强度开采下,基于等效横向各向同性圆柱煤与骨折的力学模型,等效方程为轴向、径向和体积的煤炭样本加载在线性弹性和塑性阶段派生。等效力学模型通过常规三轴试验显示了良好的可靠性。以N1206 workface Yuwu煤矿菜肴集团为例,我们模拟煤体的应力集中系数的工作面与FLAC和划分三个区域根据煤矿的应力分布。数学方程推导出表达水平和垂直压力,提供理论指导的应力路径三轴试验对真实模拟矿山压力环境。实验结果表明,该体积应变值约0.4%的煤炭质量进步轴向压缩变形增加缓慢。在轴向压缩面积迅速增加,体积应变的值从0.41%变化到0.27%,从压缩变形和激进的应变变化逐渐扩张变形。煤样的体积应变在轴向压缩释放迅速大幅增加;与此同时,泊松比之间存在良好的线性关系,轴向应变和径向压力。

1。介绍

中国的煤层气是得天独厚,外汇储备是天然气行业大体相当。煤层中气体流动是一个复杂的过程气体运输和固体之间的相互耦合变形的煤层(1]。摘要随着煤矿开采深度的进一步扩展,煤层气体的压力梯度大于浅煤层,煤层的瓦斯含量也逐渐增加2),使工作面更容易气体泄漏和煤与瓦斯突出等动力灾害事故。因此,该煤层气体已经成为一个重要的因素来限制煤矿的安全、高效生产3]。变形和破坏机理的深入研究煤炭综采放顶煤身体前脸是有助于使相应的裂缝和渗漏煤炭领域的身体明显(4- - - - - -6]。它有重要的理论指导意义和工程应用价值的气体控制和预防煤与瓦斯突出高气体工作面(7,8]。

随着工作面推进的,前面煤炭身体将先后成为原岩应力区,应力集中区域,和卸压区,弹性变形和塑性变形逐渐发生,直到煤体破裂。目前,国内外相关的研究侧重于“三个方面”的决心煤体工作面。谢et al。9]研究了采动应力的分布规律煤炭综采放顶煤身体前通过建立力学模型在工作面煤的身体损害。汉森和Schreyer[建立的各向同性损伤模型10,11)是用于研究煤的破坏特征的身体。聚氨酯和苗族12)用RFPA软件模拟综采放顶煤前方支承压力的分布特征脸,范围和综采放顶煤“三个区”工作面划分。江和胡13,14)利用微震监测系统来确定“三个区”的宽度的煤工作面前的身体。此外,苏和黄等。15,16)模拟了原位变形应力场通过和失败的测试煤样在不同应力路径下,和煤的变形和破坏法律主体的工作面也进行了研究。建平et al。17)与非传统天然气,储存一个三轴试验平台使用煤和岩石样本研究应变的转换规律,煤的渗透率的身体负荷下。

由于三轴试验的加载和卸载路径之间的差异和实际应力状态的煤工作面前的身体,如何提高测试的准确性,然后定量判断煤的变形的身体仍需要深入研究,尤其是对煤体的变形特性研究综采放顶煤在面对高强度开采条件下。基于等效pore-fracture圆柱形煤样的力学模型,煤样的应力-应变方程当加载在塑性阶段派生。水平应力和垂直应力分布煤炭身体减压区,应力集中区域,综采放顶煤和正常压力区工作面使用数值模拟获得的。根据真正的工作面应力分布在不同的阶段,然后用于生殖芽细胞肿瘤三轴仪同时加载和卸载的轴向压力和围压煤样品。煤体的变形特点和骨折的发展实际综采放顶煤应力环境下面临着重研究。研究结果提供一个参考的研究煤与瓦斯气相耦合,具有重要意义,实现煤与瓦斯的落在高强度机械化放顶煤的脸。

2。理论分析加载下的变形煤样

作为一个典型的沉积岩,煤层具有明显的分层(18),这种多孔介质由裂缝和煤炭矩阵含有固体骨架和毛孔19]。考虑到煤炭身体横观各向同性材料和各向同性材料的孔隙,雪(20.)提出了一个pore-crack等效力学模型如图1,等效径向应变等效轴向应变和等效体积应变的煤样在线性弹性变形。

在线性弹性变形阶段,相当于位移 , ,和沿着x,y,z煤炭和岩体等效模型的方向会有如下所示的关系方程: 在哪里δ_φx,δ_φy,δ_φz煤样的孔隙位移x,y,z方向,分别。δ_τx,δ_τy,δ_τz分别是煤炭的位移矩阵。D的直径圆柱形煤样品,毫米;H煤样的高度,毫米。

因此,媒体的等效体积应变在弹性阶段

然而,在煤的常规三轴力学试验,煤炭将经历压实阶段,弹性阶段,和体积膨胀阶段从初始应力加载失败,先后。线性弹性变形只是一个过程,进一步分析的一部分,随后的塑性变形是必需的。

当煤岩质量进入塑性变形阶段,其应变状态不仅与装卸有关应力状态也有关装卸路径,在应力和增量应变增量间弹塑性本构关系只能建立。根据增量理论(19),必须有一个小总应变增量包含弹性应变增量塑性应变增量 ,当一个小增量外部负载的存在,在那里 。

根据pore-crack结构的特点,认为整个变形煤的身体由煤炭矩阵变形,孔隙变形,裂纹表面变形煤的身体。每个地方煤体内的应变增量包括矩阵变形增量 ,主要断裂变形增量 ,煤体内孔隙变形增量 。因为大多数变形孔的压实后的压实阶段煤和岩体孔隙变形在这个阶段将被忽略。因此,塑性应变增量阶段包括煤的矩阵变形增量的身体和煤炭的主要断裂变形增量的身体。

在塑性变形阶段,弹性应变和塑性应变发生在煤岩矩阵。根据增量理论,

当煤岩弹性变形发生在矩阵,广义胡克定律还满意。弹性应变增量x,y,z方向是

塑性应变增量的本构方程x,y,z方向的煤炭矩阵得到运用增量理论煤炭转化为塑性应变时,见方程(6)。参数dλ是一个非负标量比例系数,与加载路径和有关吗dλ= 3dε_我/ 2dσ_我。

结合方程(5)和(6),它可以得出的结论是,煤岩的位移质量矩阵x,y,z当它转化为塑性阶段的方向

煤是在塑性状态时,尤其是在体积膨胀阶段,通过使用获得的本构方程是基于标准的屈服条件煤炭扩张(20.- - - - - -23),τ是煤炭的剪切应力的身体,σ_米意味着正常的压力,α和k测试常数只与煤的内摩擦角和凝聚力的身体,见下面的方程(8):

学习时造成的位移在煤表面裂纹,正应力和剪切应力的等效裂纹表面煤炭的身体可以得到方程(8)。煤的身体在塑性状态时,非线性变化将发生在正常的刚度、切向刚度裂纹平行,和角刚度垂直于裂纹表面的一个裂缝,和相应的瞬时增量是dk_ndk_{f/ /}和dk_f⊥分别。如图2多个组的位移增量的裂缝x,y,z方向

因此,煤的等效位移紧张的身体在塑性阶段x,y,z方向

因此,煤的等效体积应变塑性阶段

3所示。验证煤岩三轴力学试验的质量

测试煤样从N1206获得完全机械化的3号煤层屈服,Yuwu煤矿、烹调的菜肴,埋深在哪里460∼510米,平均3∼8°倾角。根据规范的3号煤层的瓦斯地质图Yuwu煤矿(24),这个矿的相对气体排放16.93∼19.55米³/t,这是一个高气我的。煤层的孔隙度是4.54∼6.79%,平均体积密度为1.44吨/米³、硬度系数是0.45∼0.62和煤的硬度的身体柔软。大块煤炭样本选择工作面前方煤体内,和标准尺寸的样品(Φ50毫米×H100毫米)是沿着平行层理方向钻。生殖芽细胞肿瘤三轴试验平台由位移控制方法用于测试。在围压三轴测试期间,举行6 MPa,和轴向压力加载的速度0.03%毫米/分钟直到失败。

样品的质量(Φ49.41毫米×H102毫米)是274.76克。密度为1.40克/厘米³煤样的孔隙度为5.58%。如图3可以观察到,两个主要的裂缝在圆柱表面的煤炭样本:裂缝的长度1是63毫米,向上延伸到上端的脸,和裂缝2 44毫米,向下延伸到低端的脸。因此,两个主要的裂缝有一定影响煤样的宏观力学性能。目前,很少有研究煤的横向各向同性的力学参数样本与裂缝。不同煤体内的机械测试数据给出根据(25]。弹性模量和泊松比沿垂直层理方向(E_⊥和ν_⊥平行层理方向)和(和 )分别是2.5∼7.7和1.8∼3.1。根据3号煤层的赋存条件,利率的值分别为4.8和2.1。可以看出E_⊥和分别3800 MPa和792 MPa,ν_⊥和分别是0.38和0.18,煤炭矩阵对应的弹性模量和煤孔隙介质是792 MPa和2900 MPa,分别对应的泊松比为0.32和0.18。煤的表面裂缝参数的细节如表所示1。自从采用位移控制在该测试中,轴向压缩加载速率为0.03毫米/分钟,和相应的平均轴向应力率为0.013 MPa /分钟。它可以得出结论,塑性变形系数dλ= 0.023。根据的价值(26),样品的内摩擦角是39.8°,内聚力平均7.4 MPa。

从测试获得的应力-应变曲线如图4。基于各向异性变形的煤,可以认为煤的应力和应变在压实阶段的线性关系和弹性变形阶段,而且,在屈服阶段,应力和应变显示非线性相关关系时,煤是在塑性变形阶段,这与理论分析结果一致1。煤炭质量,破坏阶段的主要失效模式是剪切膨胀。围压是6 MPa和轴向压力的范围0∼15 MPa。相应地,轴向应变、径向应变和体积应变是0 0.00299∼∼0−0.00126,0∼0.00048,分别和样品处于线弹性阶段。当轴向压缩大于15 MPa,它属于塑性阶段,对应的轴向应变是0.00299 - -0.00618。

由于位移控制加载方法,轴向应变仍线性变化前的失败。径向应变和体积应变−0.00126∼∼−0.00831和0.00048−0.01042,分别是5.6和22.7倍的各向异性应变线性弹性阶段。图5显示了线性弹性阶段和塑性阶段的应力-应变曲线计算理论,好验证轴向、径向和体积应变曲线得到的测试。虽然是大范围内的各向同性应变,它可以用来反映各向同性变形规律,煤样三轴加载和卸载的过程中。

因为大分散的煤和岩石和大不同煤层的变化,在前一节中描述的理论结果只适用于同一煤层。因此,我们以后可以选择足够的煤和岩石样本实现一般化的理论分析。

4所示。研究加载变形煤综采放顶煤身体前方

4.1。数值模拟和理论分析

Yuwu煤矿的结构主要是南部和北部单斜的方向。它的翅膀的角度小于10°。3 #煤层位于下部的二叠纪山西的形成,及其埋深范围是350 - 642米和6米厚煤层,煤层稳定,和它的镜质体反射率是2.01∼2.94%属于主要精益和贫煤。这个矿的相对气体排放16.93∼19.55米³/t,这是一个高气我的。把N1206工作面矿为例,工作面采用放顶煤开采过程和机器的高度是3.3米,而煤厚度是3米。工作面倾向长度是300米,罢工的长度是1200米。每天高强度开采的煤炭产量是8800∼12000t,该地区煤层埋深480米。109米表土缝,包括18层的地层,在煤层为研究对象,选择和自顶向下的上覆岩层的岩性seam是紧随其后的是泥岩(2.4米),粉砂岩(5.3米),细粒度砂岩(2.2米),中等粒度砂岩(3.8米),砂质泥岩(2.3米),粉砂岩(5.19米),泥岩(3.5米),粉砂岩(2.5米),中等粒度的砂岩(2.5米),泥岩(1.4米),粉砂岩(4.1米)砂质泥岩(2.8米),粉砂岩(2.6米)的粗粒砂岩(2米),和沉积物层、交互(50米)。机械化放顶煤工作面的数值模型,利用FLAC软件成立与400长度(x宽度方向),400 (y方向)和200米的高度(z方向)。加载模型的上覆岩层压力为8.1 MPa,和煤的故障判据的身体是库仑摩尔。因此,煤体的应力分布图综采放顶煤超前,如图6。

由于这两个道路有卸压影响煤炭的身体在机械化放顶煤工作面附近,压力将卸货煤壁附近的道路,和水平应力时应力集中现象不会出现X设在应用在工作面前方煤体的大于初始应力;和工作面沿的一边Y设在方向是工作面煤壁的压力是完全卸载;另一边是初始应力区没有应力集中。然而,应力集中峰值小于垂直应力沿Z设在由于道路的压力释放。与圆柱形煤样本在该测试中,应力路径Y设在和Z设在可以用来指导围压和轴向压力的加载模式的测试,以反映现实水平应力。根据开采动态的水平应力表达式3种不同典型的矿业开采条件提出的卸载谢和平,3典型的矿业是精炼的共同特征。尽管支承压力峰值系数和影响范围的3典型的采矿方法是不同的,整个轴承压力曲线过渡区可以进一步分为缓慢增加压力区和大幅增加压力区。因此,根据图7、矿山压力在工作面前方煤体可分为三个地区:快速降压区(l₁),快速增压区(l₂),缓慢的增压区(l₃)。结果表明,应力集中峰值的垂直应力集中系数为2.23,和横向应力集中系数是0.65。缓慢的压力促进区域之间的边界和快速压力推动区,垂直应力集中系数为1.16,和横向应力集中系数是0.92。因此,机械化放顶煤工作面应力分布特点和轴向压力和围压值对应于每个临界点的模拟测试,如图7。

综采放顶煤根据实际情况工作面,煤炭的身体点的垂直压力在工作面前是煤炭的残余强度的身体R_C,水平应力是0,如图8。在不同开采速度的影响和煤层赋存条件,三个区域的长度将会改变在相应的机械化放顶煤工作面。根据(27)的实际应力分布曲线完全机械化屈服面可以简化为线性分段函数的压力和距离。综采放顶煤开采速度面设置为 ,和相应的时间获得的三个区域l₁/ ,l₂/ ,和l₃/ ,分别。考虑到直线的斜坡在相应的时间间隔的垂直压力K₁,K₂,K₃(2.23,相应的值γH−R_c)/l₁−1.07γH/l₂,−0.16γH/l₃,对应的轴向压缩载荷率(R_c−2.23γH) ,1.07γH ,和0.16γH 分别在不同阶段的三轴试验。确保测试更接近实际的真实应力状态完全机械化屈服的脸,围压加载速率−0.65γH ,−0.27γH ,和−0.08γH ,分别。

因此,垂直应力分布函数可以得到如下:

相应的水平应力分布函数

4.2。仿真测试结果的分析

测试煤样的直径是49.31毫米,高度是100.55毫米,质量是260.62克。样本包含的表面裂缝。据《每日N1206工作面(8800∼12000的输出t),每日提前将大约5米,计算和相应的开采速度为0.014米/分钟。相关系数(原岩应力10 MPa;煤的残余强度是4.7 MPa)被替换。在三轴仿真测试中,煤炭的轴向压缩载荷率身体综采放顶煤在0.023 MPa /分钟,0.149 MPa /分钟,和−0.246 MPa /分钟的缓慢增压区,快速增压,和快速卸载区域,在相应的阶段和围压卸载率是0.011 MPa /分钟,0.038 MPa /分钟,分别和0.091 MPa /分钟。在测试的过程中,轴向压力和围压煤样的首次加载原始压力,然后是三轴加载和卸载试验指导下上面的测试参数能真正反映煤体的变形特性的“三个区”前的机械化放顶煤工作面。stress-strain-Poisson的比值变化曲线获得测试如图9。部分I, II, III,分别对应于缓慢增压区,快速增压和快速卸货区。

见图9煤样的应力-应变曲线是一致的常规三轴机械力学变形特性的测试。然而,照亮的是煤炭身体变化小的体积应变缓慢加压地区和快速加压。在减压区,体积应变显示突然增加,这是前两个阶段的6.7倍,表明煤炭机械化放顶煤的变形主要是体积膨胀。不同阶段的趋势分析如下:(1)缓慢的增压阶段。由于最初的岩石压力,存在一定的轴向和径向压力的煤炭。在这个阶段,轴向应变范围从0.12到0.37%,和体积应变略有减少从0.44%降至0.41%。泊松比的范围从0.23到0.035,这表明轴向压缩的主要变形煤在这个阶段,轴向应变和体积应变属于线性弹性变形。(2)快速增压阶段。在这个阶段,轴向应变是0.37∼0.51%,体积应变0.42∼0.24%,泊松比是0.035∼0.495。与前一个阶段相比,体积压缩应变在这个阶段逐渐减少,和轴向变形总是占主导地位,但径向应变从压缩变形膨胀变形。随着轴压的增加迅速,围压降低慢慢在这个阶段,轴向应变的增加速度大于径向应变,和体积应变仍然是一个压缩变形,逐渐改变从线性弹性变形到塑性屈服变形。(3)快速减压阶段。在这个阶段,轴向应变是0.51∼0.59%,体积应变为0.24%∼−0.037,泊松比是0.035∼0.495。在这个阶段,煤炭质量发生塑性屈服于宏观的失败。当体积应变−0.018,样品的体积急剧膨胀,和最大膨胀率是3.7%。体积应变和径向应变都是由扩张变形,和相应的扩张速度增加首先然后减少。由于快速卸载围压为0在这个阶段,煤的内部裂纹逐渐扩展,合并,直到失败,和煤的轴向压力迅速下降到4.7 MPa的残余强度。变化的斜率的绝对值小于1的泊松比变化大于1,表明煤炭样品的失效模式的变化从压缩剪切破坏肥大失败28]。此外,它可以得出结论,泊松比有很好的线性关系与轴向应变和径向应变在这个阶段,如图10。相应的表达式如下:ν=−1.7794,ε_径向+ 0.0044;ν= 12.505,ε_轴向−6.5166。它显示了轴向压力和径向应变在这个阶段也有一个线性关系,也间接证明了沿剪切面位移发生在煤的宏观破坏逐渐发生。

5。结论

(1)横向各向同性的等效pore-crack模型指出,煤炭塑性阶段主要由表面裂纹变形和煤炭矩阵变形,导致等效轴向应变、径向应变和体积应变方程,在加载条件下煤炭在塑性阶段。常规三轴试验证明了这一理论可以用来描述煤的变形特性。(2)的N1206工作面菜肴Yuwu煤矿为例,煤体的应力集中系数的机械化放顶煤工作面是2.23的考虑采矿强度通过数值模拟。综采放顶煤煤炭身体前面分为缓慢增压区,快速增压,和快速卸载区,垂直应力和水平应力的表达式推导相应的阶段。(3)的采矿扰动特征高度密集的机械化放顶煤工作面,从理论上分析,用于指导三轴加载和卸载模拟测试,并得出结论:轴向变形增压缓慢地区占主导地位。径向变形占主导地位的迅速加压地区和压缩变形在径向膨胀变形。快速卸载区,煤样的泊松比与轴向应变的线性关系和径向压力。体积迅速扩张,内部裂纹逐渐扩展和连接,直到发生故障。体积应变为0.018时,体积变形急剧增加,从压缩剪切破坏和失效模式的变化膨胀失败。(4)本文进一步的研究是必要的,因为这一事实的影响气体吸附和吸收的过程中没有考虑增压和卸载的推导煤变形。此外,考虑到大分散的原煤,不同的位置和更大数量的样本应该是为了使生产更一般的结果。

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

作者报告任何潜在的利益冲突。

确认

这项工作是由中国国家自然科学基金资助(52074120),项目河南省高校科技创新人才(19 hastit047),河南省和科技项目(182102310012)。这种支持。