文摘

支柱流变失败的重要原因之一是诱发地震,地面塌陷,地下采矿工程突水灾害。支柱一般呈现倾斜状态下,明显受结合压缩和剪切载荷的影响。然而,许多学者认为煤或岩石的长期强度质量纯单轴压缩载荷作用下的主要发展的支柱力量,指数不符合工程实践。在这篇文章中,一个新的斜单轴抗压强度(IUCS)测试系统开发,然后用来进行煤的IUCS试验和蠕变试验标本结合一个声发射(AE)技术在不同倾斜角度(0°,5°,10°15°,和20°)。变形的变化时间、峰值强度、长期强度(LTS)蠕变断裂模型,煤的AE行为倾向的天使被详细讨论。结果表明,煤的强度和峰值LTS倾角增加非线性降低。LTS的峰值强度的比例保持不变在58.5%和62.9%之间,这可以视为煤岩的固有属性。煤的蠕变破坏模型从tension-splitting失败在0°倾角和5°tension-shear失败10°倾角的-20°,显示,倾斜角度有利于剪切裂纹的萌生和扩展。无论任何倾斜角度,AE事件可分为平静期,低振幅上升时期,和高振幅上升时期与多级加载的周期性突变点。此外,累积AE能量与倾斜角度的增加逐渐减少,这表明,剪切应力引起的标本倾向会使裂纹萌生与更少的能量吸收和传播。 The research results will assist in the long-term strength design and time-dependent stability assessment of the coal pillar.

1。介绍

煤柱,地下采矿工程中常见的工程结构,做出了至关重要的贡献来控制地面沉降和水入侵预防(1,2]。此外,煤柱也可以用作支持系统,确保采矿巷道的稳定性和煤矿工人的安全。最近,地下水库的建设已经成为一个非常重要的方法,实现水资源保护在中国西北矿业,煤柱的地下水库的主要成分是水障碍(3- - - - - -5),如图1。因此,有必要全面调查的长期强度(LTS)和macroscopic-microscopic断裂行为优化的煤柱强度设计。在大多数以前的研究,纯粹的单轴抗压强度(UCS)是用来评估柱的承载力,这是不符合实际工程条件(6- - - - - -9]。众多地质调查表明,许多柱子一般有一定的倾角。因此,柱子的轴向方向不平行于最大主应力的方向和剪切应力组件将发生在这种情况下,使标本相结合的压缩和剪切应力。然而,陈、Pariseau和达斯等人指出,剪切应力组件有利于裂纹萌生和煤岩和传播可以削弱支柱的力量,这对设计应考虑柱子的强度(10- - - - - -12]。此外,一些研究人员也指出,柱的强度和断裂特征密切相关的蠕变行为13- - - - - -15),它不容忽视的力量支柱的设计。因此,全面了解煤岩的蠕变力学和失败行为在不同倾斜角度在矿业是极其重要的。

煤岩的蠕变现象反映了时间变形特性恒定载荷作用下低于峰值强度。许多研究人员已经做了大量的煤蠕变测试为了更好地理解煤柱的稳定性特征。这些单轴压缩蠕变测试主要集中在报告或在压缩加载条件下,无法反映蠕变力学响应的煤柱倾斜压缩试验条件下(16- - - - - -18]。然而,许多研究提出了一个重大影响倾角引起的剪切应力在柱的稳定性。通过考虑剪切效应,Pariseau [11),这位设计师和Vutukuri (19)提高安全评估的公式支柱和得出结论,剪切载荷可能会削弱柱子的稳定性。这项研究由Suorineni et al。20.]表明,柱强度随倾斜角度的增加,提出柱设计中传统经验公式的局限性。为研究煤的倾角和UCS之间的关系,他和陈et al。21- - - - - -23)开发了一种结合压缩和剪切试验(C-CAST)系统和执行一系列的单轴压缩试验对煤炭样本在不同倾斜角度。实验结果表明,与倾斜角度增大,强度下降,煤炭标本容易在大倾角剪切破坏。吴et al。24)也进行了煤的斜UCS测试标本使用C-CAST系统,发现煤的UCS标本可以达到其最大值5°倾角与倾角增加,然后逐渐减少。上述研究表明,倾角有着极其重要的影响煤柱强度,设计中应考虑的支柱力量。

更有效地揭示LTS和蠕变断裂机理的煤柱倾斜压缩载荷作用下,本文进行的一组斜单轴抗压强度(IUCS)测试和蠕变测试煤标本不同倾斜角度下使用IUCS测试系统,然后分析了倾斜角度对蠕变的影响曲线,LTS和蠕变破坏模型。还介绍了声发射(AE)技术探讨AE能量释放标本蠕变破坏的特征在不同倾斜角度和支持机制的讨论对蠕变裂纹倾角的影响。本文的结果将提供理论参考LTS设计和倾斜煤柱的稳定性评估发生在复杂的地质条件。

2。材料和方法

2.1。材料

从长治市煤矿标本采样,山西省,中国,然后空心圆柱体的直径100毫米高度和50毫米,与两端抛光到一个更好的平整度。取样位置和测试样本数据所示2和3,分别。在图4XRD结果表明,方解石和非晶的主要矿物组成样本进行测试。执行蠕变测试之前,质量、直径、高度和波速的标本进行了检测。最后,标本和1050 m / s波速度和1.27克/厘米³蠕变试验平均密度的选择。图3 (b)显示了扫描电子显微镜(SEM)的结果,表明所选样本具有良好的压实和均匀性,可以减少测试误差造成的样本结构。

2.2。IUCS测试系统

图5显示了IUCS测试系统的配置。这个系统是由两个相同的适配器在顶部和底部,分别。可旋转的标定装置,固定连接装置和固定螺钉设备适配器是主要的组成部分。的角度范围可旋转标定装置可以解决每个标本的倾向程度而设计的。在测试之前,将试样放置在顶部和底部适配器,然后,IUCS测试系统是固定在材料测试系统(MTS)。AE系统用于监控信号的能量释放的标本,有四个类型RS-54A探针和300 kHz的共振频率。相关参数设置为前置放大器40 dB和阈值40 dB,分别。时间(PDT)定义,定义创下的峰值时间(热变形),点击锁定时间(停止)也设置为50μ100年代,μ500年代,μ年代,分别10]。此外,四探针测试标本的表面是粘到使用耦合剂(热熔胶),它可以帮助更好地采集声发射信号。安装位置如图5(一个)。

2.3。UCS和IUCS比较分析

图6显示了前后试样的应力和变形状态下的测试不同的加载方法。如图6,外部加载力平行试样轴在传统UCS测试。然而,有一个角度之间的外部加载力和标本的轴倾斜UCS测试。因此,剪切应力组件将发生在IUCS测试系统,不存在传统UCS测试。这个结果将使标本相结合的压缩和剪切应力。在这种情况下,轴向应力分量,剪切应力分量,轴向应变的标本可以表示为(13]

在哪里和指的是轴向应力分量和轴向应变,剪切应力分量,MTS构成的垂直力的目的,和横截面积和初始高度的标本,分别。压板位移。应该注意的是,IUCS测试系统存在一定的端效应由于槽内可旋转标定装置的存在,但不影响实验结果,验证了文献[21- - - - - -23]。

2.4。蠕变测试方法和程序

蠕变测试的方法和步骤如下:(我)IUCS测试系统安装和加载程序:第一步:旋转的旋转标定装置倾角设计,使用螺丝并修复它。然后,将标本放在中央沟的标定装置(适配器)底部,通过配件并修复它。最后,移动IUCS测试系统在MTS。第二步:运行MTS加载缓慢,直到试样即将触摸顶部适配器,然后启动预加载。当预应力达到0.1 kN,加载过程中自动停止。重复这个过程,直到试样完全固定。然后,执行后续测试(2)UCS测试在不同倾斜角度:在安装IUCS测试系统,煤炭UCS测试标本在不同倾斜角度进行量化标本UCS和蠕变试验设计提供参数的引用。五个不同的倾斜角度设计,从0°20°,间隔为5°;每个角度都是测试五次,标志着从1 # - 5 #。只有三个UCS通过删除选择的最大和最小值分析在每个角度。处理测试,标本是由增量加载的外部压力,加载速率设置为0.5 MPa / s。由于测试系统的局限性,很难排除大型水平滑移位错引起的实验误差的底部适配器当倾角超过25°(24]。因此,为了实验结果的准确性,倾角的变化范围设置为0°-20°(3)单轴蠕变试验和不同倾斜角度:基于UCS测试的结果,单轴峰值强度煤的标本在不同倾斜角度。根据这些结果,我们设计六个加载蠕变试验的阶段,每个阶段持续12 h。多级加载方法选为五岁以下测试过程的应力路径倾斜角度。与前面的UCS测试,蠕变测试进行五个不同的倾斜角度下,和每个角是执行了5次。测试计划如下。步骤1:安装IUCS测试系统和AE信号采集系统。探头连接到标本的表面使用耦合剂(热熔胶)。第二步:开始预压3毫米/分钟的速度。加载预应力达到0.1 kN自动停止。重复这个过程,直到试样完全固定。 Step 3: perform creep tests and AE signal acquisition tests simultaneously under a loading rate of 0.1 MPa/s. After reaching a stress loading level of 17%σ_马克斯这个值是大约12小时,其次是加载应力水平的33%σ_马克斯。第四步:重复步骤3完成加载应力水平33%σ_马克斯到95%σ_马克斯直到试样蠕变发生故障,在此期间,每个测试系统的数据应记录和存储。蠕变试验后,LTS,蠕变断裂模型,AE煤炭样本日期将系统地分析和讨论在不同倾斜角度

3所示。结果和分析

3.1。倾角对峰值强度的影响

表1给出了详细的UCS煤炭标本在不同倾斜角度。这表明UCS的标准差0.002 MPa和0.288 MPa之间变化,而相对偏差在0.04%到1.85%之间变化,这意味着实验数据是理性的2]。因此,一个典型的应力-应变曲线的每个选择倾角和绘制在图7。它表明任何倾角的应力-应变曲线由四个阶段组成:孔隙压实阶段,近似线弹性阶段、非线性断裂阶段,和postpeak下降阶段。除此之外,每个曲线显示在第四阶段快速下降,表明脆性破坏行为是明显的在每一个倾角。此外,单轴峰值强度随倾斜角的增加下降。具体来说,UCS 9.73 MPa, 7.46 MPa, 5.82 MPa,和4.71 MPa下角5°,10°15°,和20°,分别下降37.4%,52%,62.6%,和69.7%相比的场景0°倾角。产生的原因是剪切应力倾向于标本加剧内部裂纹的萌生和扩展,导致标本忙失败甚至低抗压载荷作用下(25- - - - - -29日]。

3.2。倾斜角度对蠕变曲线和变形的影响

图8给出了轴向蠕变曲线在不同倾斜角度。它可以发现,轴向蠕变应变增加而增加加载水平。此外,时间与增加外部压力变形更为明显。然而,轴向蠕变应变特征在任何倾斜角度是相同的。(即在低蠕变应力水平。,压力水平低于83%σ_马克斯),时间变形曲线只有两种蠕变阶段:初级阶段与应变率下降和恒应变速率稳定蠕变阶段。(即在最后蠕变应力水平。,水平是95%σ_马克斯),不同倾斜角度下的蠕变曲线显示蠕变三个阶段:初级阶段,稳定蠕变阶段,和加速蠕变阶段,之后标本就失败了。

图9(一个)表明,蠕变曲线在最后蠕变应力水平(95%)σ_马克斯)不同于不同的倾斜角度。它可以发现关键加速蠕变应变线性增长倾斜角度的增加,而蠕变时标本失败线性降低。此外,在最后加载蠕变应变率如图9 (b)。它表明,倾斜角度显著影响时的蠕变应变率加载水平是95%σ_马克斯。实际上,蠕变应变率下增加尤其明显更多的倾斜角度,即。下15°角和20°。这意味着传播和渗透下的裂缝往往是更快更高的倾斜角度。

3.3。倾斜角度对煤炭LTS标本

先前的研究表明,岩体的LTS低于其UCS。另外,岩石结构的不稳定性,如煤柱与时间是相对的。因此,LTS是一个重要的机械参数反映岩体的时间特征(30.,31日]。目前,有三种主要的方法来确定煤岩的LTS:等时应力-应变曲线方法,过渡蠕变方法,拐点的稳态蠕变速率的方法32,33]。在这些方法中,等时应力-应变曲线是应用最广泛的方法,它将被用于这项研究获得煤的LTS标本在不同倾斜角度。

等时应力-应变曲线给蠕变应力和应变之间的关系在同一时间,如图10。实际上,每个倾角下的曲线有一个分叉点相应的压力被定义为LTS煤的岩石。表2显示了煤炭质量的LTS值在不同倾斜角度。如表所示2的标准偏差,LTS 0.02 MPa和0.08 MPa之间变化,相对偏差在0.1%到2.52%之间变化,这意味着实验数据是合理的。此外,还有一个明显的二次LTS和倾角之间的负相关。的下降率也能减少患LTS增加倾斜角度。例如,当倾角变化从0°10°,从9.58 MPa LTS变弱到4.65 MPa 4.93 MPa。然而,当从15°20°倾角的变化,从3.66 MPa LTS变弱到2.96 MPa 0.70 MPa。因此,倾角是不利的LTS煤柱,可以考虑在LTS煤柱设计。此外,根据表1和2的平均比例LTS煤试样的峰值强度保持不变在58.5%和62.9%之间,这可以视为煤岩的固有属性。

3.4。煤蠕变失效模式标本

图11显示了煤炭标本蠕变测试后的照片。为了进一步分析失效模式,人物11也给传播裂缝和分离块的草图失败的标本在不同倾斜角度。倾角为0°时,破碎的标本大约有几个拉伸裂纹平行于加载方向和一些剪切裂缝,如图(11日)。这个倾角下的失效模式主要是拉裂局部剪切滑动,和破碎的标本相对完整。5°倾角时,失败的标本有几个拉伸和剪切裂缝裂缝试件轴角,如图11 (b)。这个倾角下的失效模式仍与局部剪切滑动拉裂,而破碎的标本存在一些浮煤碎片。当倾角之间10°20°,主裂纹扩展角,这是比在5°场景下,从数据的加载方向,如图所示11 (c)- - - - - -11 (e)。这个倾角下的失效模式主要是剪切滑动和劈裂抗拉断裂和破碎的标本。测试结果表明,倾斜角度显著影响蠕变失效模式和分散程度的标本。总之,失效模式逐渐从纯拉裂模式变换相结合的分割和剪切滑动随着倾斜角度。

3.5。AE反应煤的标本在蠕变过程中不同的倾斜角度

在启动、传播和渗透的裂缝,煤岩可以释放大量能量的压力波,可收集的AE技术。因此,微裂缝的发展过程可以有效地检测到监测AE信号发出的煤炭标本在爬行。图12比较的时间变异AE能量,能量累积AE,蠕变变形煤的标本在不同倾斜角度。图13显示累计AE能量和时间之间的关系或倾角,分别。以下可以从数据中找到12和13:(我)无论任何倾斜角度,AE事件可分为平静期,低振幅上升时期,和高振幅上升时期与多级加载的周期性突变点(2)AE静默期占弹性应变能积累在蠕变试验的过程,在此期间压力加载水平是17%σ_马克斯和33%σ_马克斯。在这个阶段,内部自然裂缝逐渐接近,而外部加载水平没有达到裂纹萌生的门槛。因此,标本只能释放少量能量应用瞬时载荷(3)AE低振幅上升时期占裂纹萌生和扩展,在这之间的应力水平是50%σ_马克斯和83%σ_马克斯如果从0°倾角变化5°。此外,加载水平是50%σ_马克斯和67%σ_马克斯如果从10°20°倾角的变化。在这个阶段,累计AE能量增加速度相对较低,表明裂缝开始发起的标本在恒外部加载每一层(iv)AE高振幅上升时期占裂纹的传播和渗透,在应力水平是95%σ_马克斯如果从0°倾角变化5°。除此之外,装运水平是83%σ_马克斯和95%σ_马克斯如果从10°20°倾角的变化。在这个阶段,累计AE能量曲线,增加率相对较高,显示了一个明显的拐点改变高振幅低振幅上升时期上升的时期。这意味着标本释放大量的变形能,表明裂缝迅速传播并开始合并(v)总累计AE能量减少非线性与倾斜角度的增加,表明倾角引起的剪切应力会导致裂纹萌生与更少的能量吸收和传播

斯塔尔(34)之间的平均相对剪切位移公式推导出两个裂缝剪切应力下,表示为

在哪里和指的是剪切模量和泊松比,分别;和指裂缝的长度和剪切应力,分别。然后,斯塔尔描述之间的关系减少弹性应变能和剪切应力在裂纹扩展过程中基于方程(2),表示为

方程(3)表明,减少弹性应变能量正比于剪切应力的平方,这意味着更高的剪切应力释放出较小的AE能量。陈(10]IUCS测试执行黄色砂岩在不同倾斜角度使用IUCS测试系统。标本的结果表明,剪切应力逐渐增加而倾斜角度,而AE能量释放的标本在大倾角角度减少。这一现象基本上是符合本研究的实验结果。

4所示。讨论

以上分析表明,煤柱的蠕变特性不仅受各种因素的影响,如压力,温度,水分也是外部载荷的模式。Suorineni et al。20.]支柱强度之间呈负相关,倾斜角度,相信倾角引起的剪切应力分量是支柱强度衰减的主要原因,由马同意et al。35]。如果煤柱垂直、煤炭标本是纯粹的单轴压缩下,在外部荷载的方向平行于样品轴。煤炭标本主要受到压应力和剪切应力。因此,只有更高的压力会导致裂纹开始传播,暗示一个健壮的LTS的标本。在这种情况下,蠕变破坏往往表现出拉裂模式。随着倾角的增加,外部加载方向之间的角度和试样轴相应增加。因此导致剪切应力分量的增强。合成、内部裂纹可以启动和传播在较低的应力水平,导致标本的LTS逐渐下降。前面的拉裂破坏模式(0°到5°)发展到由模式(10°20°),将剪切破坏为主和分裂失败作为辅助。因此,它表明倾向影响煤柱LTS设计应考虑。

累计AE能量之间存在显著的相关性,LTS:能量变弱的强度下降。较低的倾斜角度,标本失败拉裂模式由LTS较高的压应力。蠕变试验中裂纹的萌生和扩展必须克服在煤颗粒之间的粘性效应在更高的压力水平。因此,释放的能量后,失败是更值得注意。随着倾角的增加,更多的剪切应力发生在标本,进一步削弱的LTS煤,使其更容易达到阈值即使在较低的应力水平。因此,失败后的标本较小的能量释放在高倾向度。

5。结论

本研究基于自主研发的IUCS测试系统,执行一系列的单轴压缩试验和单轴蠕变测试煤标本在不同倾斜角度。它旨在调查倾角的影响在蠕变破坏行为和宏观开裂特征。此外,我们还研究了多级蠕变过程中能量释放规律利用AE技术。主要结论如下:(我)时轴向蠕变应变特性是相同的倾斜角度是不同的。当压力低于83%σ_马克斯只有两种蠕变阶段的蠕变曲线:主和稳定阶段。当水平是95%σ_马克斯蠕变曲线显示,三个蠕变阶段:primary-steady-accelerated蠕变阶段。关键的加速蠕变应变线性增长倾斜角度的增加,而蠕变时标本失败线性降低(2)煤的LTS标本变弱非线性与倾角的增加,这表明LTS煤柱可以削弱由于他们的倾向。因此,应该考虑倾角设计煤柱的LTS。LTS的峰值强度的比例保持不变在58.5%和62.9%之间,这可以视为煤岩的固有属性(3)倾斜角度显著影响蠕变失效模式和分散程度的标本。失效模式逐渐从纯拉裂模式变换(0°和5°)的组合模型分割和剪切滑动(10°-20°)随着倾斜角度(iv)在任何倾斜角度,AE事件在蠕变试验可分为平静期,低振幅上升时期,和高振幅上升时期。总累计AE能量减少非线性与倾斜角度的增加,表明剪切应力会导致裂纹萌生与更少的能量吸收和传播。煤的总累计AE能量标本LTS也高度相关;长期强度越低,较小的AE能量释放

数据可用性

所有的数据用于支持本研究的结果都包含在这篇文章。

的利益冲突

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(51874277)。