文摘
的岩爆倾向的煤煤炭质量结构密切相关。因此,初始裂纹分布的高破裂倾向煤,其裂缝的发展,破坏过程的加载条件下岩石破裂的预测具有重要意义。在这项研究中,高破裂倾向煤用于准备实验样本。样品的表面裂缝识别和记录。样品的内部裂纹检测到核磁共振(NMR)技术来确定每个样本的裂纹率。然后,3 d cad技术是用来恢复初始裂纹的样品。进行单轴压缩试验和AE属性记录在测试。应力-应变曲线,样品内的裂缝性点的分布在不同的应力状态,以及环数和压力之间的关系。结果表明,高破裂倾向煤的应力-应变曲线几乎是线性的,而stress-ring计数曲线是相似的。裂缝性分在不同的轴承状态的分布表明,断裂点出现后加载阶段,最后渗透形成宏观裂缝,导致样品失败。 This study reveals the initial crack distribution of coal with high burst proneness and the fracture development under bearing conditions, which provides a theoretical basis for the prediction technology of rock burst and technical support for the research of coal structure.
1。介绍
煤炭肿块,或煤破灭,是一种暴力地质灾害所描述的突然和迅速破坏煤巷道煤柱或质量,造成人员伤亡和重大经济损失。随着地下开采,煤炭撞对主要产煤国家已经成为一个主要的灾难。例如,作为世界上最大的煤炭生产国和消费国,中国目前有132破裂倾向煤矿平均开采深度653米(1]。
有许多因素相关岩石破裂。首先,地质条件,如埋深、断层和褶皱,岩爆(密切相关2,3]。水平构造应力被确定为岩爆的力量来源(4- - - - - -6]。岩石破裂也可能与天然气和水含量及其迁移(7- - - - - -9]。矿业相关干扰也是一个重要因素诱导岩爆(10- - - - - -13]。此外,煤岩体本身的性质,也就是说,所谓的倾向,是另一个重要的因素在岩爆的发生[14- - - - - -17]。
煤是由基体材料和关节。因此,煤的影响趋势与煤的结构(18- - - - - -20.]。关于研究煤炭宏观裂缝和岩石之间的关系破裂,阴et al。21)利用CT技术进行单轴压缩试验,分析煤的CT在每个变形从微裂纹起始阶段,分岔,发展,骨折,和失败。锅等。22]分析了煤炭的能源储存和消费从微观结构的角度和建造的岩性结构煤之间的定量关系及其影响趋势。赵et al。23]使用x射线衍射、扫描电镜和显微光度计分析煤炭破裂倾向的强度之间的关系,并获得煤内部mesostructural参数和破裂倾向。江et al。24]使用XRD、顺磁共振和SEM获取岩爆前后煤样的结构和探索过程中能量耗散的特点的岩石破裂。吴和刘25]研究孔隙之间的关系发展和破裂倾向煤的SEM图像通过分形方法和提出分形维数越大,破裂倾向越小。
这些研究表明,煤破裂倾向煤结构密切相关。然而,有一些方法来确定初始裂缝煤体内检查裂缝发展在加载条件下,导致岩爆研究的困难。在这项研究中,确定了煤的初始裂缝由核磁共振(NMR)技术和由3 d cad技术。声发射(AE)技术是用于监控的内部断裂点煤在单轴压缩下,用于分析的裂缝发展煤炭样本。这项研究提供了一个基础之间的关系研究煤结构和煤破裂倾向和煤炭破裂预测提供了技术支持。
2。材料和方法
2.1。样品制备
煤炭样品研究了取自Xinzhouyao煤矿,大同,中国。煤炭样品的平均抗压强度高的近似30 MPa撞倾向。标准进行了岩石力学测试测量煤的物理力学参数,包括抗压,巴西拉伸变角剪切测试。样品的测试结果如表所示1。
样品制备,煤炭块被裁切机切割,然后采取岩心钻机的核心。煤炭样本最后加工成标准圆柱标本的维度 ,如图1。样品制备是依照国际岩石力学测试建议(IRTM)之间的并行性深度误差上下表面在0.02毫米。为了保证实验的准确性,9煤标本准备。
样品制备后,样品表面裂纹进行测量。每个样本的主要裂缝之前测试表中列出2。
2.2。实验设备
2.2.1。核磁共振
核磁共振设备如图2。应用磁场强度0.3 - -0.5 T,和主要仪器是12 MHz的频率。确保样品中间的磁场,磁场的线圈直径被选为60毫米。分析设备是一个核磁成像软件和一个梯度脉冲仪器。成像软件可以设置片宽度,切片,切片样本的差距。定位后,预扫描,正式的扫描和成像的样本,样本内的裂纹结构的形式显示片。
2.2.2。装料机和AE设备
帕- 600 c计算机辅助电液伺服万能试验机是用来进行抗压测试。AE监测设备同时检测观察试样单轴载荷作用下结构的动力响应。最大负载能力是600 kN,测量振幅范围从2%到100%的最大负载,最大的活塞上升速度是70毫米/分钟,承载板的提升速度是150毫米/分钟,最大活塞行程是250毫米,最大压缩板之间的距离是500毫米。
AE技术是一种有效的方法来检测材料的动态变化结构外部荷载的作用下通过仪表。每个通道的数据采集系统由测量仪、数字信号处理器、计算程序,最终和其他外围设备连接到一台电脑。每个通道的组件包括一个AE传感器、前置放大器、数据采集卡,如图3。
2.3。实验的程序
2.3.1。初始裂纹识别使用核磁共振
样品的内部裂纹分布可以通过处理3 d切片地图使用核磁共振三维重建软件。典型的核磁共振三维重建地图样本如图4,白色区域表明裂缝。
(一)
(b)
(c)
2.3.2。单轴抗压试验
单轴压缩试验系统和AE监测系统用于动态监测实验数据。单轴压缩试验机是由位移控制加载速率为0.5毫米/分钟。AE参数的仪器,AE监测的阈值设置为45分贝周围噪音的影响降到最低。峰值时间(PDT)定义,定义时间(热变形),以及锁定时间(停止)被选为300年,600年和1000年μ年代,分别。声速设置为1.8公里/秒。
参数设置完成后,融合进行了测试样本来验证每个传感器的灵敏度,保证实验的可靠性。偶联剂均匀地贴在传感器之间的接口需求和高质量的测试样本采集数据。一张纸被试验机和试样消除摩擦。参数设置和融合测试完成后,进行单轴压缩试验。压力加载系统和AE监测系统同时打开。在图所示的实验安排5。
3所示。结果与讨论
3.1。初始裂纹率
根据核磁共振数据,可以计算出初始裂纹的比例。作为样本的内部裂纹是一个不规则的身体,为了简化计算,样品的内部裂纹被认为是一种常规的长方体,参数指标是长度,宽度和高度。每个煤试样的裂纹率如表所示3。
3.2。3 d cad重建初始裂缝
通过样品的3 d切片图导入CAD软件,3 d CAD重建图可以获得的初始裂缝。它提供了一个数字描述裂纹和断裂参数,可用于裂缝性机制研究和mesa-data分析。煤样的典型裂纹重建3 d cad图之前测试如图6。
3.3。单轴压缩测试的结果
图7显示了测试样品的应力-应变曲线。无烟煤的形变行为显示了一个脆弱的财产。压实阶段后,煤的抗压刚度几乎是统一的,直到样品失败。
3.4。AE压裂点分布
AE监测设备识别煤试样的断裂点的位置通过声波释放失败过程中标本。图8显示波的分布源压力水平的15%,70%,和80%的峰值应力的三个测试样本。
结果表明,随着轴向载荷的增加,标本AE活动增加,AE事件分布几乎沿中轴线对称的标本。无烟煤标本的AE事件主要集中在中心轴附近的标本,表明有一种强烈的能量积累在中心轴。软煤标本的AE事件更稀疏地分布在附近的煤炭标本和稍微集中中间部分的标本。
3.5。AE数在不同加载条件
AE数,也称为环数或铃流数,指的次数,波形成的AE信号超出阈值。在这个实验中,每一波信号记录作为一个AE数超过阈值,它被视为一个裂纹损伤标本。越是AE数显示损伤标本在那一刻。AE数变化的数量随着时间的推移,如图9。
结果表明,试样的AE数出现在早期阶段,而最大数量 来 平均约 。它表明煤炭标本与高强度有一个缓慢增长的AE事件加载过程的早期阶段。在中间的弹性阶段,断裂源逐渐增加,最后的线性阶段,AE断裂点大幅增加。
4所示。讨论
传统上,煤在单轴压缩下的变形分为以下五个阶段:压实,弹性、弹塑性,降低,残余26,27]。在压实阶段,主要微裂隙和孔隙空间被压缩随着压力增加。弹性和弹塑性阶段,应力和应变之间的线性关系。标本被压缩得更紧,微裂隙试样中开始发展。在应变软化阶段,裂纹传播迅速形成宏观裂缝。的峰值应力是一个点表示失败煤炭样本主要沿断裂。峰值后,样品进入残余的变形阶段,应力的残余强度的煤炭。
煤炭高凹凸倾向,本研究的测试结果表明,压实的应变软化阶段,应力-应变曲线几乎是线性的,和残余强度的无烟煤正在迅速接近于零。这表明,形变行为特征对煤炭质量高破裂倾向。
AE事件经常出现在集群模型(28]。通过比较断裂源位置在不同的压力水平,测试结果表明,对无烟煤,AE事件和加载应力时少10%到20%的范围内的峰值应力。当应力峰值的-80%增加到70%,AE事件变得更加活跃,这表明快速裂纹扩展煤炭标本。后压力达到逾80%的峰值压力,宏观裂纹传播和扩大迅速,与彼此合并,领导突然失败的标本。它表明无烟煤的AE事件增加略有早期阶段的压缩。然后,它在线性弹性阶段稳步增加,线弹性阶段后大幅增加。因此,试样经历主裂纹合并,扩张,稳定的传播,最终宏观失败。
结合AE事件和测试过程中的变形行为,它表明,无烟煤,裂缝是在后期开发的线性阶段;即AE数符合semiexponential函数的增长。峰值AE的煤试样破裂倾向发生prepeak高压力的失效模式标本是脆弱的;即。,几乎没有能量峰值应力后消散。
5。结论
研究高破裂倾向煤的结构,核磁共振,3 d cad, AE技术被用来确定初始裂缝和断裂煤样单轴压缩条件下的发展。可以得出以下结论。(1)初始裂纹的样品由核磁共振检测,并得到了每个样本的裂纹率,这是一个主导因素对轴承性能和煤样的变形特征。通过观察样品的表面裂缝,初始裂缝可以通过3 d cad恢复(2)单轴压缩试验结果表明,样品的应力-应变曲线有非常高的线性,表明煤炭破裂倾向高脆性的特点(3)在单轴压缩过程中,获得的环数和压力之间的关系是通过使用AE技术。结果表明,环数的增加与压力的变化是一致的。高倾向,因此,对于煤炭的监测环应力分析的计数是一种有效的手段(4)通过分析断裂点分布在不同的加载阶段,认为断裂发展煤炭高破裂倾向主要是集中在后来加载阶段
本研究揭示了初始裂缝分布的煤高破裂倾向和裂缝发展在轴承的情况下,它提供了一种理论依据岩爆的预测技术和技术对煤结构的研究的支持。
数据可用性
本文的所有数据已经包含在这个手稿。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项工作是由中国国家自然科学基金资助(51774174)。