文摘
煤柱在煤矿经常受到地下水和化学解决方案和长期浸没容易恶化甚至扰动损伤动态负荷扰动。为了调查的影响,酸性环境对动态力学性能和煤的孔隙度演化特征,一个分离式霍普金森杆(SHPB)被用来试验的动态抗压强度和抗拉强度的煤样在不同酸性环境。结果表明,样品密度逐渐减少的数量的增加湿和干燥周期,但降低pH值显著相关。纵波速度的煤样的增加逐渐减少干燥和湿润周期,减少速度是第一快,然后慢。解决方案的酸性越强,干湿循环次数越多,样品的吸水率越高。在干湿循环的早期阶段,煤是显著影响,平均恶化程度很大。之后,循环作用的影响降低,平均退化程度很小。煤的孔隙度增加干湿循环的作用下不断。酸度越强越大,初始孔隙度的变化。在20周期,酸性环境的孔隙度增加明显,然后不断减少。
1。介绍
中国西部矿业地区干旱和半干旱生态脆弱地区,降水的蒸发的四倍以上。它的土地面积是327.2万平方公里,占全国土地面积的34%,但水资源总量不到7%的国家,与典型的煤炭资源丰富,缺水的特点。煤矿在中国主要是轴开采,煤层通常位于含水层下,所以煤炭开采过程中会产生大量的矿井水(1]。煤炭生产需要大量的水资源,而采矿活动经常破坏引起上覆岩层含水层的水损失,加速表面亲水植物退化和荒漠化,削弱表面含有水的能力,无法提供足够的水资源,并形成一个恶性循环。水资源严重限制煤炭生产、人民生活和生态环境在西部矿业领域,迫切需要和相应的节水措施缓解这种情况(2- - - - - -4]。为了应对这种情况,一些学者提出了利用采空区的技术思想建设地下水库来储存水资源(3,5,6]。
目前,中国的地下水库技术被应用在多个煤矿现场,包括Daliuta煤矿,Tsakhasu煤矿,Ulanmulun煤矿。地形条件和人工措施向矿区矿井水下沉用于存储和最初的净化,提供生产用水、生活和生态供给,缓解供水紧张的问题在西方生态脆弱矿区。煤柱的坝体地下储层的重要组成部分,是地下水库的安全运行所必需的。重复兴衰的地下水库的水位在注水和放电引起反复侵蚀煤柱大坝的身体,这对力学性能有重要影响的煤柱坝体从长远来看。有相关的研究相对较少的机械损伤煤柱大坝下重复沉浸在地下水库,和类似的重复浸研究相对更频繁地表水库银行斜坡。同时,矿井水在不同地区有不同的酸度,化学与矿物成分的煤柱内坝体和煤柱的承载能力变化坝体(7,8]。在中国的大多数酸性矿井水分布在西南。煤炭开采铁矿石到硫酸氧化相关的硫通过复杂的化学反应和微生物作用,使酸性矿井水和更容易溶解重金属离子和其他有害元素。
作为一个不连续、非齐次多相复杂地质材料,矿物成分的煤炭质量,和许多的存在内部不规则的原生孔隙,裂缝和其他缺陷产生不可忽视的影响物理,机械,煤岩体的化学性质。水岩的物理作用表现为润滑,软化,矿物颗粒之间和冲刷,水泥、和结构表面造成的水,降低材料的力学参数的饱和煤岩体(9- - - - - -14]。特别是当煤岩体包含许多细粘土矿物颗粒,颗粒有较高的吸水。渗流导致粒子软化和吸附水膜增厚引起不均匀的体积膨胀,和物理力学特征明显受到水的影响。指的煮法,姚明等人开发了一个更简洁无损水浸装置,利用水雾来创建一个饱和饱和湿度环境样品(8]。崔et al。15]发现煤沉积岩容易通过实验室实验研究水敏感性,和煤粉在低矿化液更容易膨胀,促进断裂空间填充,降低渗透率,是不可逆转的。丁等。16]发现加载路径改变了能源的方式加快发布,有更多的塑性应变比这一代煤在循环荷载下加载等级,前者更有可能造成更大的伤害和失败,然后煤在循环荷载下的强度一般低于年级载荷作用下,和一个能量转换机械模型的压力,伤害,和变形是发达国家和加载路径的影响解释道。王等人。17)显示,围岩的压裂在水下爆破是由于冲击和压力波的联合行动最初的岩石破碎和后续水扩张。围岩的破裂发展模式建立在水下钻孔爆破。定量研究是进行聚类的程度,和时空分布曲线。100公里的阈值下,47%的灾难参与集群系列和372年煤矿灾害伴随着地震。大多数集群系列持续1 - 2天对应地震附近,这是猜测与局部应力扰动(18]。黄等。19)发现泊松比小于0.5的水浸泡试验泥泞的白云石,含水量越高,较大的泊松比和泊松比当破裂发生在测试失败。雪等人发现体积弹性模量和内摩擦角有一个更敏感的影响比剪切模量的应力降和凝聚力20.]。贾et al。21]研究了室内在泥泞的沙泥岩吸水和脱水试验,发现饱和时破碎率最快的自然脱水期间从55%下降到40%。窦等人收集压裂前砂岩标本不同从一个煤矿的屋顶倾斜角度,进行单轴压缩试验。的影响压裂前倾角对其断裂机理研究了声发射(AE)和扫描电镜(SEM) (22]。
目前主要研究酸性矿水生态危害和预防措施,即。,the dissolution and adsorption of various ions and elements accompanying the flow of acid mine water, and less on its effects on the mechanical properties and characterized structures of coal rocks. During the long-term operation of underground reservoirs in coal mining areas, the coal pillar dams are in long-term contact with water, and their stability is affected by both water-physical and water-chemical effects. Therefore, it is of reference significance for the design and maintenance of coal pillar dams in underground reservoirs to study the strength weakening and deformation damage characteristics of coal samples under repeated water immersion and acidic solution water chemistry.
针对煤的降解机制的复杂性干湿循环作用下在酸性环境中,强度参数的退化规律和酸性环境作用下煤的孔隙特性(pH = 2、4、7)和干和湿周期(n= 5、10、15、20、25)的基础上,研究了微观测试,动态压缩和拉伸测试的煤炭。煤的降解机制是解释使用化学动力学理论和孔隙度演化规律。
2。测试准备
2.1。样品制备
煤炭样本取自12号煤层的赵Gezhuang我的。为了研究煤样的动态抗压和抗拉强度,圆柱形标本和巴西圆盘标本准备,分别。模拟自然水的实际情况的解决方案,在酸性条件下pH值的下限是2张参照et al。23),三种类型的水潴留解决方案:蒸馏水与pH = 7,酸性溶液pH = 4,酸性溶液pH = 2。煤炭样品的矿物组成是决定,然后煤炭样本沉浸在不同的pH值(pH = 7、4、2) 5、10、15、20、25干和湿周期。周期后,动态压缩和拉伸测试进行饱和样品干燥样品干燥24小时。最后,分析了孔隙度的变化模式。
2.2。实验系统
动态力学测试加载装置的煤是一种分离式霍普金森压杆(SHPB)加载系统。SHPB岩石动态力学测试系统如图1。霍普金森杆由35 crmn钢密度为7800公斤/米3、200 GPa的弹性模量和泊松比为0.28。输入和输出杆的长度和直径的SHPB加载系统是2米和0.05米,分别。应变计安装在中间的输入和输出杆杆变形记录。SHPB的启动压力加载装置被设置为0.50 MPa。图2显示了一个典型的动态平衡验证煤炭样本。结果表明,试样加载期间满足力平衡需求和可以通过静态分析理论。
3所示。结果与讨论
3.1。酸性环境对煤的准静态力学性能的影响
煤样的微观结构是由x射线衍射分析,结果如图所示3和表1。在达到设置干燥和湿润的循环次数,样品的质量和大小,然后干燥后试样的密度和润湿周期。从图可以看出4,干湿交替的数量的增加,样品的密度逐渐降低,但降低的PH值范围有很大关系。干湿循环的样本的损害逐渐积累。溶液的酸性越强,减少样本的密度就越大。酸溶液的干湿循环下,样品的可溶性水泥将解散,和矿物粒子与溶液中H +反应。一些矿物离子反应后将沿着裂纹和孔的通道分离,这将导致样品的质量下降,但样品的外观大小干湿循环后没有改变。因此,样品的密度减少。溶液的酸性越强,干湿循环,溶解可溶性水泥的比例越大,程度越高的矿物颗粒参与反应,和更大的密度下降。
在实验中,岩石样本在不同周期的纵波速度被智能声学仪器测量。从图可以看出5煤样的纵波速度降低与干燥和湿润周期的增加,逐渐减少的速度是第一快,然后慢。共同作用下的复杂的干湿循环和水化学反应,岩石的孔隙结构发生了变化在某种程度上,这是一个重要的原因的变化纵波速度的煤炭样本。干燥和湿润周期的增加,微裂隙和微孔的样品继续萌芽和发展,导致纵波速度的逐渐减少。溶液酸度的增加有利于裂缝和孔洞的扩张和渗透。因此,溶液酸度越强,更大的纵波速度的降低。
吸水率是一个重要的指标来测量岩石的力学性能。吸水率的大小主要取决于孔隙的数量和规模,矿物粒子的排列,矿物颗粒之间的胶结强度和岩石的外力环境。吸水率越小,岩石的密实度越好,其工程性质越好。工程测试数据表明,坚硬的火成岩的吸水率一般小于1%,困难和密集的沉积岩大约是3%,和一些松散和亲水性沉积岩一般超过8% (19]。
水吸收后可以计算质量的变化周期的数量,计算公式如下: 在哪里水吸收,之前样品的平均质量侵蚀,然后呢润湿后样品的质量和干燥周期。
从图可以看出6,干湿交替的数量的增加,样品的吸水率显示逐步增加的趋势,并增加速度快,慢。在酸的作用下干湿循环,样品中的孔隙和裂缝不断开发,它提供了更多的渠道解决方案的渗透。解决方案的酸性越强,干湿循环次数越多,样品的吸水率越高。相反,吸水率增加的机会的增加水泥和矿物颗粒接触解决方案。因此,吸水率有密切关系,损害的程度。
煤炭在单轴压缩下的应力-应变曲线在图列出在不同组合条件下7。从图可以看出,曲线的形状在峰值之前基本上是相同的,可以大致分为三个阶段:初始压实阶段,弹性变形阶段和破坏阶段。当试样达到峰值强度时,它逐渐减少失败和曲线,样品很快失去承载力,显示一定的整形失败的特征。
3.2。酸性环境对煤的动态力学性能的影响
为了分析酸性环境的动态强度的影响煤炭、煤的动态压缩和拉伸试验进行了测试不同pH值对强度的影响。影响速度和应变速率之间的关系如图的动态影响8。可以看出,应变速率随着冲击速度的增加呈指数增长。煤的单轴应力-应变曲线在不同酸环境中被动态单轴压缩试验,得到如图9。应力-应变曲线可以分为三个阶段,第一阶段是弹性阶段,第二阶段是屈服变形阶段,第三个阶段是断裂阶段。
被定义为总降解程度的计算公式 在哪里煤的单轴抗压强度没有浸泡溶液,然后呢是煤的单轴抗压强度浸泡吗j周期阶段。
阶段被定义为平均恶化 在哪里Dj总恶化程度的煤吗j周期阶段,nj是周期的数量。
动态单轴抗压强度和变质程度的煤在不同酸环境(pH = 7、4、2)和不同的周期(n= 5、10、15、20、25)如表所示2。从图可以看出10总恶化程度Dj逐渐增加,这表明煤的破坏引起的干湿循环渐进的。在干湿循环的早期阶段,煤是显著影响,平均恶化程度很大。之后,循环作用的影响降低,平均退化程度很小。酸性越强,越煤的动态强度减少,和总恶化程度是最大的。
(一)
(b)
(c)
共有80名巴西分割测试标本被分为16组,共有5每组标本。从表可以看出3和图11煤的抗拉强度随干湿交替的增加而减小。恶化程度更快在早期和后期慢。在酸性环境下,抗拉强度的降低幅度煤炭显然比在中性溶液,这表明,酸溶液浸泡的作用下,容易可溶性矿物质煤炭与在溶液中氢离子和氢氧根离子反应很明显,导致孔隙和微裂隙,导致裂缝的快速形成煤炭和全熔透。
(一)
(b)
(c)
3.3。酸性环境对煤的孔隙度演化的影响
煤岩石压力的损伤的机理和物理和化学作用尚不清楚,由于复杂结构表面和不同的矿物成分。目前还没有做过任何研究的影响下结合水岩作用和动态干扰。然而,煤岩石的内部微结构变化作用下的水化学解决方案,恶化其物理和机械性能的长期稳定并威胁煤柱水坝或煤柱离开地下煤矿。孔隙度的变化对煤岩强度有重要影响。煤的矿物化学溶液经过一系列复杂的物理化学与活性粒子相互作用的解决方案(例如,H +)。它会导致解散的煤,煤的孔隙结构和孔隙度变化。由于物理化学反应过程,如迁移水侵蚀后,一些活跃的矿产煤进行溶解,吸附等过程。溶解反应溶解矿物质和由此产生的离子物质迁移的煤形成气孔。吸附导致许多粒子覆盖煤炭的矿物表面,阻止煤的孔隙通道。结果reaction-migration-adsorption表现为煤的孔隙结构的变化。
煤的孔隙度的变化样本在水溶液的作用主要是由于煤的成分矿物的溶解和迁移;因此,煤的孔隙度样品的变化可以由以下公式计算: 在哪里孔隙度,初始孔隙度,我是指各种矿物质。
煤的孔隙度增量在每个阶段可以通过公式计算(4),如图12。煤的孔隙度增加干湿循环的作用下不断。此外,酸性越强,初始孔隙度的变化就越大。20周期,在酸性环境下的孔隙度增加明显一次然后不断减少。
4所示。结论
(一)用干湿交替的数量的增加,样品的密度逐渐降低,但降低的PH值范围有很大关系。纵波速度的煤样的增加逐渐减少干燥和湿润周期,减少速度是第一快,然后慢。(b)在酸的作用下干湿循环,样品中的孔隙和裂缝不断开发,它提供了更多的渠道解决方案的渗透。解决方案的酸性越强,干湿循环次数越多,样品的吸水率越高。(c)总恶化程度Dj逐渐增加,这表明煤的破坏引起的干湿循环渐进的。在干湿循环的早期阶段,煤是显著影响,平均恶化程度很大。之后,循环作用的影响降低,平均退化程度很小。酸性越强,越煤的动态强度减少,和总恶化程度是最大的。(d)煤的孔隙度增加干湿循环的作用下不断。此外,酸性越强,初始孔隙度的变化就越大。20周期,在酸性环境下的孔隙度增加明显一次然后不断减少。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
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项工作是财务支持的河南大学的基础研究基金(批准号NSFRF200332)、中国博士后科学基金会(没有。2021 m701100),主要研究和开发和促进河南省的特殊项目(科技)(没有。212102310379),研究河南省重点实验室基金绿色高效开采和综合利用矿产资源(河南理工大学)(没有。KCF201804),重点科研项目基金河南省(没有的学院和大学。21 a610005也没有。20 b440001),博士河南理工大学(没有的基础。B2019-22)。所有的支持都是极大的赞赏。