文摘

岩爆发生经常随着煤矿开采深度更深,严重影响地下煤矿的安全生产。煤层注水技术通常用于预防和控制这类事故的发生。水分含量是一个关键因素紧密相关的岩石破裂;然而,需要深入的洞察力来发现他们的关系。在这项研究中,水分含量对煤的力学性质和岩石破裂的趋势是探索通过多种测量技术:单轴压缩试验,循环加载/卸载测试、声发射(AE)测试。这些测试进行煤样品使用mts - 816岩石力学伺服试验机和AE系统。测试结果显示,随着水分含量的增加,煤样的峰值强度和弹性模量降低,而峰值应变增加。弹性变形阶段的持续时间完整的煤炭样品的应力-应变曲线缩短。随着含水率的增加,滞回圈的面积和弹性能量指数煤样的减少,能源指数的影响与水分含量负相关,而动态失效时间与含水率呈正相关,但这种变化趋势逐渐减轻与水分含量的不断增加。煤样的失败伴随着AE联结数急剧增加,其峰值滞后于峰值应力,联结数仍然是煤样达到峰值应力后生成的。随着含水率的增加,煤样的失效模式逐渐倾向于拉伸断裂。上面的测试结果显示,煤炭样品的强度削弱在某种程度上能保持水分后,累计弹性能量减少煤炭的失败,因此,煤炭和岩爆倾向可以缓解。研究结果可以为研究提供一个理论参考moisture-bearing煤和预防骨折不稳定注水煤和岩石破裂的技术。

1。介绍

随着地下煤炭开采逐渐深入,岩爆已经成为一个动态的灾害严重威胁着煤矿安全生产(1- - - - - -3]。作为一个重要指标用来衡量岩爆发生的可能性,煤炭的破裂趋势是受到各种因素的影响,其中水分含量是一个非常重要的影响因素(4]。煤层注水防治岩爆是一种常见的技术(5]。因此,研究含水量的影响规律对煤的力学性能及其破裂趋势将是重大的理论和实践意义。

许多研究人员研究了水分对煤的力学性质的影响身体,主要集中在抗压强度(6- - - - - -10),抗拉强度(10- - - - - -14),和三轴下的物理性能测试15- - - - - -18]。基于一个被广泛接受的观点,一块煤炭,如果包含水,将通过蠕变损伤,也损害煤强度(19,20.]。辅助监控意味着许多学者一般采用间接反映煤的强度损失关系(21,22]。

声发射(AE),一个成熟的技术来监控样品失败的过程,可以反映煤的前兆信息compression-induced骨折不稳定的AE信号的基础上(23],AE联结数的峰值附近出现峰值应力,使其适用于岩土工程,如煤矿、边坡、隧道和大桥(24,25]。AE信号有良好的对应关系完整的煤(应力-应变曲线26- - - - - -29日]。煤的水分含量的增加会抑制AE事件的发生30.- - - - - -32),与此同时,负载引起的失败moisture-containing煤岩质量通常是伴随着其内部结构和物化性能的变化,以及释放的能量形式的AE,恢复弹性能量,等等33,34]。

大部分的上述研究已经集中在煤炭含水量的影响规律对其机械性能,它已经在很大程度上加深了理解moisture-containing煤炭样品的骨折不稳定的特点,但高含水率的影响煤的力学性能和破裂趋势已经很少涉及。因此,研究高含水率的影响下煤的力学性能和破裂倾向涝效果会伟大的针对性和重要的研究价值。

2。介绍的测试

2.1。测试设备和样品制备

本研究中使用的测试系统主要由两个设置。mts - 816岩石力学伺服试验机用于单轴压缩和循环加载/卸载和DS5 AE系统来监测AE数据负载过程中煤炭样本。AE系统配备一个探测器获取的信号,这是保税煤柱的表面上使用偶联剂和强大的胶带。基于过去的测试经验,放大器的采样频率设置为40 dB,阈值的50分贝。mts - 816岩石力学伺服试验机的加载/卸载子系统和自动数据采集子系统,可以方便地通过计算机操作。同时,测试过程可以手动干预,控制方式,测试参数和测试程序也可以改变。图1生动地展示了煤样的准备条件。

减少测量误差引起的样品制备,几个煤炭样本来自同一个地方,送往实验室,紧随其后的是取心、切割和磨削过程。最终,他们加工成圆柱样品直径50毫米和100毫米的高度。煤炭样本编号a1-a9和b1-b9 a1-a9被用于执行的力学性能试验和AE试验在单轴压缩下,和b1-b9被用来测试循环荷载下的能量演化特征。的照片准备煤样品如图2。

2.2。测试程序和过程

在测试开始之前,所有煤样品浸泡在水里学习他们的水吸收法。首先,每个样本的质量称重和计算,然后浸泡在水里,直到达到规定的质量,与此同时,由样本所需的时间达到规定的水分被记录。最后,这是保持在一个封闭的容器24 h,和测试终于开始。的含水率计算公式(1),表中列出的结果1。

单轴压缩试验和循环加载/卸载测试进行了按照中国煤炭工业协会的标准(GB / T 25217.2 - -2010)。在单轴压缩试验,应力加载应用使用mts - 816在每个煤示例0.5 MPa / s的速度。在循环加载/卸载试验,负载应用到每个样本0.5 MPa / s的速度,直到达到75%平均单轴强度的-85%,然后是卸载5%的单轴强度以同样的速度,和之后,煤炭样本周期性加载和卸载。每次循环荷载的最大强度值大于5%最大强度值在前面加载阶段直到煤炭失败。在测试过程中,mts - 816与AE系统同步运作,在mts - 816系统自动获取数据,记录了应力、应变,和时间,和拉应力-应变曲线,AE系统实现自动采集的事件数量。

3所示。分析测试结果

3.1。对力学性能影响的煤炭样本

完整的应力-应变曲线的几个煤炭样本如图3。每个曲线可以分为五个阶段:骨折压实,弹性,产量,失败,和postpeak阶段。一旦加载开始,完整的应力-应变曲线明显弯曲,随着含水率的增加,曲线的斜率明显减少,即弹性变形阶段的持续时间的缩短,塑性区在postpeak阶段延长,和整体曲线倾向于向右偏移,也就是说,整形失败的可能性增加。水分状态明显的机械损伤导致煤炭样本。

不同水分含量的影响煤炭样品的峰值强度、峰值应变图所示4。峰值应变,应变峰值应力的情况下,煤样的表示煤样的变形程度,当经历失败。如图,煤样的峰值强度与含水率负线性相关,与峰值应变显示了积极的与水分含量线性相关。随着含水率的增加从16%提高到25%,抗压强度从4.28 MPa下降到1.71 MPa,降幅接近60%。当峰值应变增加从0.01168到0.01736,增加幅度为32%左右。因此,水分含量高的煤样品显示更明显的塑料失败的特征。一个可能的原因是,含有水分子后,煤颗粒的增强塑料能力延长骨折压实阶段,削弱了内部煤颗粒之间的摩擦系数和凝聚力(35),进一步表明高含水率导致低峰值强度、峰值应变越高,越明显的煤炭“软化”。

弹性模量反映了煤岩变形阻力在弹性变形阶段。根据应力和应变之间的线性关系在弹性变形阶段,煤和岩石的弹性模量36可以计算) 在哪里是压力在一个点上完整的应力-应变曲线,MPa;是相应的完整的应力-应变曲线的应变。

图5和表2表明,煤的弹性模量与含水率的增加呈现出下降趋势,显示出一个总体负相关。大多数样品的弹性模约0.35的绩点,可能是因为煤炭样本的高含水率导致内部裂纹闭合和巨大的摩擦系数,这使得它难以断裂表面滑动时失败(37]。

在水压下,煤炭样品的弹性模量也会减少,和的关系如下38]: 在哪里和系数和是静水压力。

从公式(3)和图5,它可以知道弹性模量将下降更明显在高水压的情况下。因此,煤是容易变形甚至破坏在高含水量和高水压。

3.2。能源煤炭样品的演化特征

一个动态的灾难的主要原因是能量释放(39]。岩石加载/卸载过程的能量积累,耗散,并释放,环形加载曲线包围的区域的煤样和卸载曲线段形成在前一个周期是一个滞后环(40,41]。

基于热力学能量守恒定律和机械能的mts - 816岩石力学伺服试验机主要可以分为两个部分:内部弹性应变能量暂时储存和塑性应变能量。这两个之间的关系可以表示通过公式(4)如下: 在哪里是所做的功所产生的总能量外部负载的岩石样本,被下的面积th加载曲线;是塑性应变能量,在滞后回路的面积th周期;和弹性应变能,被下的面积卸载曲线。和相应的应力、应变值应力-应变曲线上的每一点。

煤的循环加载/卸载图片和样品水分含量为18%,21%,25%的人选择为例演示。如图6和表3煤样的卸载曲线略低于加载曲线和总应变能呈现出下降趋势。为每个煤样在该测试中,滞回圈的面积与水分含量的增加逐渐增大,表明消散的能量逐渐增加。峰值压力失败三煤样品3.112 MPa, 2.663 MPa,和2.315 MPa, 13-stage之后,9-stage,分别和6阶段循环加载。峰值应力导致的失败下的煤样循环加载/卸载并没有太大的区别的峰值应力相同的煤样水分含量在单轴压缩下。一个可能的原因是,高水分煤样品内容的整体实力部分低,因此,峰值强度的变化规律在不同加载方式下可以几乎没有区别。

根据《中华人民共和国国家标准(GB / T -2010 - 25217.2),动态故障时间意味着从峰值强度持续时间完成样品单轴压缩试验的失败。冲击能量指数指的是峰值前的累积变形能导致样品失败,和变形能量消耗达到峰值后的单轴压缩试验。弹性能量,指数用于衡量煤岩破裂趋势的质量,是弹性能量的比值在循环塑性应变能装载/卸载测试:越大值时,较小的试样加载过程中损耗的能量,即释放动能将会越强。 在哪里是塑性应变能量,在滞后回路的面积th周期;和弹性应变能,被下的面积卸载曲线。

根据《中华人民共和国国家标准(GB / T -2010 - 25217.2),煤样在这个测试显示弱破裂的趋势。煤的破裂趋势分为三种类型的基础上,相关指标,如表中列出4。四个指标矛盾时,使用模糊综合评价方法可以实现分类。随着含水率的增加,弹性能量指数减少从6.52256(强烈的影响),2.69984(弱影响),冲击能量指数吗从6.36(强烈的影响),2.06(弱影响),单轴抗压强度从3.94(弱影响)到1.71(没有影响),和动态故障时间从64.3 ms(弱影响)到193.34 ms(弱影响)。从根本上说,煤炭样品的破裂趋势是减少后含有水分。高含水率导致更为明显的减少幅度,进一步表明煤样水分含量高的经历失败由于吸收更少的能量,从而减轻其破裂的趋势。有鉴于此,煤层注水的可行性和理论合理性在岩爆的预防和控制是通过试验来验证。

图7和表5显示,随着含水率的增加,动态故障时间逐渐延长,和他们有正相关,而冲击能量指数与水分含量负相关,可能是因为水分子改变粒子的结构和连接类型内的煤样。卸载无法及时意识到在失败的情况下煤样的水分含量高,势能积累在里面无法及时消散,因此,卸货时间长是必要的。峰值应力诱导样品失败和弹性能量与水分含量的增加逐渐降低,表明水的存在可以减少煤炭样品的弹性极限,软化岩石,并且容易导致煤的变形和破坏样品。然而,随着水分含量不断增加,水煤强度的弱化效应逐渐缓解,而水分含量高的煤将保持一定的强度。

基于获得的数据DS5 AE系统,AE能量计数和联结数的煤炭在本研究样本选择。累计能量的数学meaning-reflects AE信号的相对能量的强度,并计算下的面积检测AE信号的包络线;联结数反映了AE事件的数量,和它有一定的对应关系,岩石材料的内部损伤程度(42,43]。

从衰荡计数和应力-应变曲线如图8AE联结数的峰值附近出现峰值应力。在初始压实阶段,煤样的早期阶段AE信号显然弱水的软化和润滑效果,而且几乎没有AE信号生成;在弹性和屈服阶段,每个样本的AE信号明显增强;煤的失败,可以直观地观察到微裂隙,伴随着AE联结数的大幅增加。AE联结数的峰值滞后于峰值应力,并联结数仍然是煤样达到峰值应力后生成的。然而,过高的含水量下,滞后时间缩短,表明,再一次,在一个非常高水分煤样品,AE事件样本的生成是削弱,即水分子的能力改变煤炭样品的内部结构是有限的。

通过分析累积能量和应力-应变曲线在图8煤样,每经历一个缓慢增长的能源在初始阶段,急剧增加的能量可以明显观察到煤前失败。采用自然浸泡治疗煤样品,煤颗粒之间的粘结能力退化由于水分的作用,和所需的能源煤样品到达峰值应力降低。累计能源的煤炭失败呈现逐渐下降趋势,表明煤水分含量较高的样品吸收更少的能量,当经历一场失败。如图8 (b),累计能量峰值应力后仍在增长,因为煤样达到峰值应力后,周围的AE探针无法固定样本。随着测试的进行,一个轻微的碰撞发生在探针和煤柱的墙面。曲线在图8 (c)不是不断改变了这个测试的实现,因为煤炭样本已经完全损坏在加载过程中,AE探头脱落,因此不能获得完整的数据。

水分含量有影响煤的形式失败除了它的力量。如图9煤炭样品的失效模式进行了分析。煤炭样品主要经历拉伸断裂的失败,与此同时,一小部分剪切裂缝产生。通过比较图的裂缝发展10,红线代表宏观裂纹。随着含水率的增加,煤故障形式逐渐趋向于拉伸断裂,至于他们的形态特征、运行通过拉伸裂缝。这些裂缝发育完全,碎片脱落现象发生一些煤样在失败的情况下。拉伸裂缝并不明显的煤样的水分含量16%,可能是因为煤炭样本经历失败下拉伸断裂故障的发展不足。

4所示。结论

机械性能、能源存储特性和失效模式的moisture-containing煤样单轴压缩试验,分析了加载/卸载测试和AE测试。最终得出了以下的结论:(1)随着含水率的增加,弹性阶段的持续时间loading-induced煤炭失败是缩短,而塑性区在postpeak阶段持续时间延长。高含水率导致较低的峰值强度和弹性模量的煤炭,和煤炭“软化”越明显(2)峰值应力导致煤炭失败,滞回圈的面积,弹性能量指数与含水率的增加下降。冲击能量指数与含水率呈负相关,和动态故障时间吗积极与水分含量,但随着水分含量继续增加,这种变化趋势是逐渐降低,表明当煤样品经过失败后含有水分,累计弹性能量降低,破裂的趋势。然而,当含水率接近饱和状态,水煤强度的弱化效应逐渐减轻,与煤样水分保持一定强度高(3)AE事件的数量显示了一个优秀的对应关系与完整的应力-应变规律煤炭样本。煤炭失败是伴随着AE联结数的大幅增长,滞后于峰值应力,仍然是煤样达到峰值应力后生成的。拉伸断裂是煤炭的主要失效模式样本,以及少量的剪切破坏。随着含水率的增加,故障模式正逐渐倾向于拉伸断裂,和碎片脱落现象发生一些煤样在失败的情况下

数据可用性

本研究中所有生成的数据或分析包括在发表的这篇文章。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

作者的贡献

Chuanming李和南刘设计实验;南刘,鑫夏,香高进行实验;李奶奶刘和Chuanming分析实验结果;南刘冯和Ruimin写的手稿。

确认

这项研究得到了安徽省自然科学基金(2008085 me147)和开放的重点实验室的基础煤矿安全高效地屈服的教育部(JYBSYS2018102)。