文摘

深层煤矿、煤工作面之前受到采动压力和气体压力耦合的高。这样的状况可能促进煤层裂缝的形成和传播,导致严重的煤与瓦斯灾害。在这项研究中,机械性能(即。,uniaxial compressive strength, tensile strength, and fracture toughness) of gas-containing coal with four levels of initial gas pressure (i.e., 0.0, 0.5, 1.0, and 1.5 MPa) were investigated by uniaxial compression, Brazilian disc, and notched semicircular bending loading test. A newly developed gas-sealing device and an RMT-150 rock mechanics testing machine were used. Fracture modes under different initial gas pressures were also determined. A theoretical method of fracture mechanics was used to analyze crack initiation characteristics under gas adsorption state. Results show that the uniaxial compressive strength, tensile strength, and fracture toughness of gas-containing coal decreased with increasing initial gas pressure. The tensional fracture occurred in gas-containing coal under uniaxial compressive loading with high gas pressure. Cracks in gas-containing coal propagated under small external loads due to the increase in effective stress of crack tip and decrease in cracking strength. This study provided evidence for modifications of the support design of working face in deep coal mines. Furthermore, the correlations between fracture toughness, compressive strength, and tensile strength of gas-containing coal were investigated.

1。介绍

随着煤矿开采深度的增加在中国东部,深矿井的地质和力学环境不同于那些肤浅的矿山。最典型的变化是high-gas-pressure煤层的比例增加(大多数气体甲烷)和重力应力和采动应力也明显增加。大量的现场调查和数值模拟表明,主裂缝在煤层工作面将高采动应力下的生长和产生新的裂缝,和煤层吸附气的状态也会改变;直接后果是工作面是容易发生煤与瓦斯突出事故1- - - - - -3]。这样的动态意外强劲,突然,这可能是破坏性的,严重威胁煤矿的生产。事件机制复杂耦合的高气压和采动应力[4,5]。先前的研究煤与瓦斯动力灾害的爆发在浅煤层表明煤与瓦斯动力灾害的爆发主要是由高气压的扩张引起的煤层。理论模型(即。,instability and energy models) are established on the basis of the traditional analysis of disaster mechanism on shallow seams [6,7]。然而,外部负载的影响对煤炭和天然气爆发并不在这些理论模型。因此,煤与瓦斯动力灾害机理的爆发深陷煤矿解释不准确。在深部开采,汽油煤层采动压力是显而易见的。因此,耦合气体压力的影响和外部负载在深部煤矿动力灾害必须全面考虑。煤层气体状态下的力学性能已成为煤矿的热门话题。

煤的机械和吸附性能实验和理论上研究了在过去的二十年。一方面,相当大的气封设备开发和实验研究含煤进行的压缩加载属性(8- - - - - -11]。含煤的强度和破坏进行了研究使用气固耦合实验设备由谢et al。12]。他们的研究结果表明,高初始气体压力可以减少样品强度和损伤程度增加。含煤的声发射特性进行了研究使用声发射设备,和实验结果表明,声发射能量减少裂缝分割过程中由于气体的发生显著影响裂纹扩展(13,14]。宏观裂纹扩展(15和断裂韧性16的含煤进行了增加初始气体压力和裂缝速度和减少断裂韧性。这些研究主要集中在原始煤样,气度的宏观力学性能,结果表明,煤的力学性能明显削弱了吸附气体的状态。另一方面,煤孔隙形态和渗透性实验和理论上研究[17- - - - - -19]。外部压力和温度条件改变时,有效应力和温度和气体解吸的程度增加20.]。在天然气生产和注入,煤孔隙的形态演化的综合效应有效应力和sorption-induced矩阵膨胀/收缩(21]。在天然气开采,有效应力增加,导致夹关闭(22]。同时,气体解吸内煤表面的吸附结果矩阵收缩,从而扩大夹板孔径。因此,煤孔隙的整体形态进化是由这两个效果之间的平衡。大多数实验研究专注于气体的吸附特性进行了在煤的吸附膨胀应力和变形。气体压力在孔隙或裂缝很小而吸附膨胀应力。然而,在裂纹萌生的研究特点,气体压力的孔隙或裂缝不是可以忽略不计。详细研究裂纹萌生和外部压力条件下吸附气体的状态是有限的。煤是一种典型的沉积岩multipore媒介。不同初始微裂隙在煤炭不可避免地存在。煤炭的过程中失败的过程本质上是起始,扩张,分叉,穿孔在外部负载下的初始微裂隙。 Crack propagation and failure in gas-containing coal are closely related to external loads and gas occurrence due to the high gas pressure in deep coal seams. Therefore, the mechanics and failure characteristics of gas-containing coal are necessary to study on the basis of crack initiation characteristics.

在这项研究中,一个实验室调查原煤样品的力学性能在不同气体压力。岩层采动压力和气体压力增加的场景在煤层工作面模拟的基础上,分析采动压力和气体压力。含煤的力学参数,如单轴抗压强度( ),抗拉强度( ),和断裂韧性( ),由单轴压缩下不同初始气体压力测试(加州大学),巴西圆盘(BD),切口半圆弯(NSCB)加载测试,分别。力学参数之间的相关性进行了分析。气体压力削弱了法律的力学性能由裂纹萌生气度模型,分析了模型的基于断裂力学和气体吸附特征。研究结果具有重要的现实意义和应用价值的稳定性分析工作面煤层瓦斯压力高。

2。实验程序

2.1。样品制备

本研究中使用的煤炭标本准备从淮南谢桥煤矿矿区。工作面煤层,这是一个典型的低渗透性和high-gas-pressure煤层,大约是780米的地下。微观研究执行给洞察孔隙结构和大小使用计算机断层扫描(v多美x L300),如图1。煤中存在许多小孔隙结构。的初始渗透率煤的标本大约是0.031 md,孔隙率大约是4.32%,平均干密度是1.395公斤/米³。煤的吸附常数35.428米³/ t和1.163 MPa⁻¹在室温(26°C)。

2.2。实验装置

构建一种新型实验系统,可以测试静态载荷作用下含煤标本,如图2。实验系统由安徽科技大学;它主要包括一个rmt - 150岩石力学试验机,气封装置和天然气供应设备。气封装置放在一块岩石刚度试验机的加载平台。试验机压头的连接到压力棒的气封装置,确保样本加载。安排玻璃组成的一个观察窗的一侧密封装置,可用于安装示例,观察在加载过程中试件的变形。天然气供应装置连接到气封装置通过一个天然气管道。静压应用之前,样品放置在气封装置。然后抽出气封装置的空气通过一个气泵,确保气封装置内的空气压力是0.1酒吧,和气体(CH₄99%)填充到气封装置。气封装置中的气体压力补偿用煤气罐,确保气体压力是恒定的,如果气体压力的变化超过1.5%在静载荷测试的过程。两个内联孔钻的气封装置,连接数据采集装置的钢丝绳。

2.3。气封装置

在测试之前,有必要保持一个恒定的气压下的样品24小时以确保样品在饱和吸附气体的状态。机械试验测试含煤是困难和强烈依赖于气体密封的设备。为了达到气封装置的气密性,插入一个o形密封圈之间的玻璃窗户,气封装置和环盖板和螺丝固定在盖板上均匀分布,如图3。应力加载过程中,压力酒吧需要不断滑落,所以动态密封部件组成一个o形密封圈和两个YX-type密封圈采用压杆和气封装置,如图2(一个)。在这项研究中,气体压力传感器是用来测量气封装置内的气体压力,以确保所需的稳定的气体条件在室温下24小时之前进行测试。检查气密性在不同气体压力。如图4开始时,气体压力降低和密封,这是由于甲烷气体吸收的部分孔隙表面。大约5个小时后,气体压力达到一个稳定值(即。,0.5 MPa, 1.0 MPa, and 1.5 MPa, respectively), which indicates that the gas-sealing device can provide a good gas sealing for tests.

2.4。实验方法

加州大学、BD和NCSB加载测试广泛执行测量单轴抗压强度、抗拉强度、断裂韧性,分别为(23,24]。三组标本准备。三种测试方法的形状和尺寸的含煤标本图所示5。含煤的详细测试方法介绍如下。

加州大学棱镜测试标本50毫米高(H), 25毫米宽(W),和25毫米厚度(T) BD-tested圆柱形标本50毫米直径(D)和厚度(T) NSCB-tested标本是25毫米半径(R),在裂纹长度5毫米(a), 20毫米厚度(B),跨度30毫米(2 s)。NSCB处理的标本,半圆的标本被削减从使用扶轮镶金刚石岩心直径厚度为0.3毫米。切口加工盘中心垂直于使用镶金刚石锯正好相反的方向。裂纹尖端的金刚石绳锯切口磨使用厚度为0.1毫米。加州大学的标本、BD和NSCB测试从同一块原煤准备。最初的安静的煤是钻垂直于层理面减少大面对试样强度的影响。在这项研究中,标本没有吸附气体用于控制测试,和至少5个样品准备的力学参数确定每组的原煤。五个副本选择为每个条件和不同气体压力(即。,0.5, 1.0, and 1.5 MPa) controlled by the gas-sealing device at room temperature for 24 h.

单轴抗压强度( ),抗拉强度( ),和断裂韧性( )(24煤的岩石样本不同的气体压力计算通过使用方程(1),(2)和(3),分别。 在哪里是破坏载荷, 是样品的断裂几何因子I型裂纹。

在这项研究中, , ,和样本I型裂纹的断裂几何因子可以通过使用下面的方程计算(25]:

3所示。实验结果

3.1。含煤的断裂模式

断裂模式是重要的特征来表示失效机理。前一个实验的结果表明,剪切破坏的主要形式是样品在加州大学测试失败,和拉伸断裂是主要的形式在BD和NCSB加载测试。图6显示了煤的宏观断裂模式标本UC, BD和NSCB测试在不同气体压力。加州大学的测试结果没有气体条件下,失败的“V”锥形式表面保留在块的上下两端,主要显示剪切破坏;坚硬的岩石的破坏形态类似于测试(26(如图)6(一))。然而,明显的层状断裂破坏是保留在标本(红色箭头)层状断裂的位置显示气体压力为1.5 MPa,主要显示了张力的骨折(图6 (b))。BD和NSCB测试,张力的断裂是主要的断裂模式不同气压条件下。裂纹扩展的形式在单轴抗压测试是由国家显著改变气体在煤标本。随着气体压力增加,裂纹扩展的模式从传统的拉伸断裂的剪切破坏。在气体压力高、单轴抗压的拉伸断裂是显而易见的,BD, NCSB加载测试。

领域的地下煤炭开采,煤层采动应力在工作面前增加;煤层处于明显的压应力,和气体压力也增加了1]。这项研究的结果表明,含煤的裂纹扩展方式逐渐改变拉伸断裂为气体压力增加。拉伸断裂的力学参数小于其他形式的失败,和拉伸断裂可能发生在同样的外部条件下(27]。因此,在安全稳定的含煤的分析基于裂纹扩展,机械参数,如断裂韧性和抗拉强度,可以直接反映材料的拉伸性能,应强调。

3.2。含煤的强度特征

单轴抗压强度等力学参数,( ),抗拉强度( ),和断裂韧性( ),的标本在加州大学,BD和NSCB加载测试计算使用方程(1),(2)和(3),分别。所有的测试样本在不同初始气体压力在这个研究总结在表1。初始气体压力影响煤的力学参数样本。随着气压的增加从气体压力为1.5 MPa,平均水平减少从23.54到13.75,平均值从1.99下降到0.60,从0.44下降到0.17。气体衰减系数被定义为力学参数的变化值之间的比例在不同气体压力和气体力学参数没有比较的价值变化程度的力学参数是影响气体。在《王等人的研究。28- - - - - -31日),研究了煤的力学性能和包含免费的水属性的影响进行了讨论。煤的材料强度和断裂阻力增加的含水量增加,这不同于性能的含煤增加气体压力。应该注意的是,水的粘度影响微裂隙的演化和微孔隙,气体粘度对材料性能的影响。还应该指出的是,破坏试样在加载引起气体解吸导致含煤内气体压力的增加。因此,含煤经历更严重的损伤条件下的高气压下外部负载。含煤的力学性能的衰减规律在不同气体压力如图7。

图7表明随着气体压力增加,力学性能的衰减系数在加州大学,BD,和NSCB加载测试与不同气体压力可以表示为线性函数关系,和衰减系数不同的加载测试含煤显然是不同的。单轴抗压强度的衰减系数是大约41.59%从没有气体与气体压力增加到1.5 MPa,抗拉强度的显著低于(69.85%)和断裂韧性(61.19%)。气体状态的衰减的影响强度相应的失败是显而易见的。作为汽油的深部开采煤层的影响,工作面附近的拉应力是由采矿卸载过程在高压力的情况下(32]。气体状态显著降低抗拉强度。因此,煤的拉伸断裂的身体造成强烈的卸荷在矿业应避免。

3.3。断裂韧性和强度参数的相关分析天然气煤在不同气体压力

断裂的裂纹扩展是一个关键因素如磐石般坚韧的材料,线弹性断裂力学是广泛用于断裂分析,断裂韧性的一个重要参数(33]。在这项研究中,三个实验方案采用测量机械参数(例如, , ,和 )。一些问题出现的断裂韧性测量NSCB测试,如难以与预制裂缝和捕获过程标本断裂韧性临界点由早期故障引起的。因此,对于工程领域,需要一种简单而有效的方法测量断裂韧性。之前的研究表明,如磐石般坚韧的材料的断裂韧性与抗拉强度和抗压强度34,35];的主要原因之一,岩石材料的破坏裂纹的扩张,和微裂隙的扩张的主要原因是拉应力,而不是压缩和剪切应力。

断裂韧性之间的关系,抗压强度和抗拉强度得到不同气压条件下含煤在这项研究通过实验数据的统计,如图8和9。断裂韧性有很好的线性关系与含煤的抗拉强度和抗压强度与不同初始气体压力。表所示的线性关系2。断裂韧性与抗压强度和抗拉强度呈正相关,和正相关系数随气体压力的增加。断裂韧度和抗拉强度之间的线性关系是比这更好的断裂韧性和抗压强度之间的关系。从没有气体随着气压的增加到1.5 MPa,系数测定断裂韧性之间的线性关系和单轴抗压强度是0.84,0.78,0.56,和0.89,以及确定的系数之间的线性关系断裂韧性和单轴抗压强度是0.94,0.90,0.91和0.82。与气体压力的增加从0 MPa为1.5 MPa,以防 ,的计算值使用拟合公式从0.408降低到0.068。断裂韧度和抗拉强度之间的线性关系的含煤和增加气体压力接近理论值。因此,含煤的断裂韧性可以准确预测的BD测试,这将简化断裂韧性的测试。

4所示。讨论

4.1。气体在煤的作用的基本模型

煤是一种复杂的多孔介质固体骨架和孔隙组成,及其孔隙气体存储站点和流动通道。气体吸附在煤表面的毛孔没有采动压力导致地应力的相对平衡下联合行动和自由气体压力。随着煤炭开采的影响,毛孔被采动应力的变化,变形和部分吸附气体变成自由的形式。对低渗透性煤炭、毛孔中的游离气不能流动,导致毛孔中的气体压力增加。因此,周边地区的应力平衡毛孔的改变。毛孔的几何特征(即,occurring elements, density, gap width, and connection degree) in real coal are complex. Two assumptions are established to analyze the crack propagation characteristics of gas-containing coal under gas desorption and external loads. First, the permeability of coal pores is low, and the pore surface is flat. Second, the effective gas desorption rate定义,气体解吸量与初始气体压力,有正相关,相关系数是什么 。含煤的应力模型图所示10。

4.2。气体压力对应力强度因子的影响

测试结果和理论计算表明,开裂角是垂直于最大拉应力,当我裂纹扩展模式。的开裂角是受地层压力的影响 。气体压力的增加在毛孔( ),有效正应力( ),侧向压应力( ),和剪切应力( )派生的裂缝平面上如下: 在哪里是裂纹倾角。

权力的数量之间的相关性研究初始解吸气体的气体压力和魏et al。36),测量了突出煤层的瓦斯解吸指标Gaocheng我在中国。气体压力增量( )计算初始气体压力和解吸率根据理想气体状态方程如下: 在哪里和是常数。

一个新的关系模式我裂纹尖端的应力强度因子(K_我)和II裂纹尖端(K_二世断裂力学理论提出的)如下: 在哪里和应力强度因子诱导的有效正应力( )和侧向压应力( ), 裂纹长度,是裂纹尖端的曲率半径。

表明,拟议中的关系成正比和 ,但没有相关和 。图11显示的灵敏度和乘法因子在同样的外部加载。随着气压的增加,应力强度因子增加在同一气体解吸率。这个数字表明,增加的速度随着气体解吸率高。在同样的外部加载和气体压力为1.5 MPa,裂纹尖端的应力强度因子100%的气体解吸率大约是10倍高于气体解吸率10%。

4.3。气体压力对裂纹的影响角度

机翼从初始裂纹的尖端开裂方向 ,在转换后的I型应力强度因子所产生的环向应力最大和大于断裂韧性岩石材料的临界应力强度因子模式即转换后的应力强度因子由(37)表示为

裂纹扩展的标准定义如下:

气体解吸率为10%为例,与初始裂纹角的影响规律获得气体保留根据方程(7),(8),(9)和(10),如图12。裂纹开裂角产生最小影响初始开裂角,但随着气压的增加,减少。没有气体状态,初始开裂角大约是70°。这种现象是一致的结果报告的李et al。38),测量了岩石渗流压力下的开裂角和远场的压力。裂纹的初始角度40°和50°为例。随着气压的增加从0 MPa为1.5 MPa,开裂角降低66.5°,66.9°到48.3°和48.6°,分别。开裂角减少近30%。的最大周向裂纹尖端的气体压力可以改变在裂纹扩展。随着气体压力增加,翼裂纹的扩展角变得接近裂纹倾角,从而导致的失效模式为张性断裂与本研究的实验结果是一致的。

4.4。气体压力对断裂强度的影响

震支座与震支座系数断裂准则介绍了针对摩尔-库仑强度理论的基础上,通过周(39),以下方程: 在哪里II型裂纹的断裂韧性,样品可以被计算(40] 。

方程(7)和(8)代入方程(11),裂纹震支座断裂强度下煤的瓦斯解吸压力可以得到如下:

裂纹的初始开裂强度在不同气体压力可以根据实验结果计算在这项研究中,如图13。随着气压的增加,断裂强度降低。理论分析结果的应力强度因子,开裂角,和开裂强度表明,随着气压的增加,裂纹尖端的应力强度因子的增加,而开裂角和强度降低。这些结果表明初始气体压力的重大影响煤试样的裂纹扩展,和张性断裂可能发生。1 MPa的气体压力和外部负载1.5 MPa。正常有效应力(西文)和开裂强度(CS)计算解吸率为0,20%,40%,和60%,如图14。在气体解吸率为0(没有气体状态)和一个外部负载1.5 MPa,裂纹尖端的正常有效应力明显低于开裂强度;因此,裂缝无法扩大。随着气体解吸率增加,裂纹尖端有效压力增加,但开裂应力却降低了。在气体解吸率为0.6,一些裂缝的有效应力大于开裂强度、裂角的30°、80°。因此,在同样的外部负载(如1.5 MPa),裂纹扩展的可能性增加,气体解吸率增加。

数据13和14显示初始气体压力和气体解吸率影响过程的有效应力和开裂强度煤标本。作为初始气体压力和气体解吸率的增加,裂纹应力强度因子和含煤的有效应力增加,而开裂强度降低。煤炭开采过程中深刻的汽油煤矿含煤的裂缝传播在小型外部负载的情况下(如采动应力)。不稳定和煤的失败发生,失败可能会导致严重的后果,如煤与瓦斯突出事故。先前的研究已经表明,在高和低渗透性煤层深部煤矿气度,外部负载的增加会引起气体解吸率和气体压力的增加。因此,在深低渗透性煤层的开采过程,不仅气体压力必须保证满足安全需求的挖掘,而且采动压力的扰动的影响必须考虑吸附气体的解吸程度。煤与瓦斯突出事故可以避免通过减少干扰的自由气体的压力和积累程度和确保煤层开采的安全。

5。结论

力学性能(即。,uniaxial compressive strength, tensile strength, and fracture toughness) of gas-containing coal with four levels of initial gas pressure (i.e., 0.0, 0.5, 1.0, and 1.5 MPa) are investigated in this study by using a newly developed gas-sealing device and an RMT-150 rock mechanics testing machine. The fracture modes and the correlation among fracture toughness, compressive strength, and tensile strength are examined. The experimental results are verified by the theoretical analysis of crack initiation characteristics based on fracture mechanics.

理论和实验分析表明,单轴抗压强度、抗拉强度和断裂韧性的含煤减少随着初始气体压力的增加。含煤的断裂模式主要是拉伸断裂。一个明显的抗拉强度和断裂韧性之间存在线性相关性高的初始气体压力。这项研究是有意义的设计和施工的汽油和低渗透性煤层深部开采。当工作面是一个伟大的深度和较高的气体压力,煤稳定可能容易受到高采动压力。

在进一步的研究中,应特别重视采动应力的积累和游离气在汽油深度矿山的开采煤层,防止诱发动力灾害事故耦合下采动压力和气体压力。合理减少采动压力的模式需要进一步研究,鉴于在煤矿采动压力是不可避免的。进一步测试分析气体状态和采动应力影响的含煤的渗透率建议进行减少游离气体的积累通过提高煤层的渗透率。

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这篇文章的出版。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(71874006,71874006),安徽省自然科学基金(1808085 me159, 1808085 qe149, 1808085 me134),安徽省科技计划项目(1604 a0802107)和项目创新研究团队在安徽大学(煤岩动力灾害的预防和控制煤矿深处)。