文摘
研究煤的横向变形特征在不同围压下,煤压缩试验围压(0)MPa, 3 MPa, 5 MPa和7 MPa进行相同的加载速率下通过使用鞣制- 2000型电液伺服岩石力学实验机。研究结果表明:在加载的初始阶段,煤的横向应变约为12.22% - -46.9%的轴向应变在弹性变形阶段和41.18% -64.96%的轴向应变峰值应力的非弹性变形阶段。与0 MPa围压下的实验相比,增长率的横向应变下煤3 MPa, 5 MPa和7 MPa的压力远小于对应的轴向应变。不同围压下煤受损时,横向应变保持在约0.6×10−2。根据现场核查,我们提出在煤炭失败和横向应变的非线性区域横向轴比例随时间变化可以作为潜在的参数预测煤炭失败。
1。介绍
由于开挖的影响,煤壁煤巷道和工作面煤壁的变化从最初的三方力量的单向力这巷道煤壁和煤工作面煤壁附近的承载上方岩层开挖空间。重量原因增加的支持压煤煤壁附近的巷道和工作面,使煤在煤壁附近采空区的扩大,最终导致巷道煤壁的剥落和工作面煤壁。支持的压力下,煤炭的身体一侧的采空区煤壁将产生横向膨胀变形。在实际工程应用中,具有重要意义,研究煤的侧向变形和横向变形特性在不同围岩压力控制煤的膨胀变形肋,指导巷道支架,灌浆加固煤的肋骨。
在国内外学者进行了大量研究岩石的侧向变形特征。根据花岗岩在不同围压下的三轴试验结果,Jingxiang等人分析了花岗岩的横向变形特性和提出脆性特征,可以全面反映岩石样本的变化规律和脆性的大小1]。Guojun等人认为,循环加载和卸载的持续作用下,岩石的失败是一个累积的过程。轴向和横向累积的增长趋势不可逆转的压力循环荷载下是线性的,和围压的增加可以有效地限制岩石的侧向累积不可逆应变(2]。基于三轴卸载渗流测试结果在不同初始围压和卸荷速率,鲁宾等人得到了横向变形特性。在这些测试中,体积膨胀砂岩的特征变化明显与初始围压和卸荷速率的增加在卸载失败的砂岩3]。利用MTS815电液伺服机构刚性试验机,Memetyusup等人进行了卸载/减小围压试验在恒定的轴向变形。试验结果表明,围压的降低,岩石样本的横向扩张仍在继续,而轴向应力降低了(4]。东等人提出,可以确定岩石的轴向压力的轴向应变峰值之前,它是由横向变形控制高峰后,它逐渐减少残余强度的增加侧向变形(5]。
与岩石相比,煤炭在不同的方向有不同的特征。它还具有低强度和经历一个给定的载荷作用下的大变形过程。Zhenqian等人研究了煤在不同加载速率下的横向变形特点利用鞣制- 2000型电液伺服岩石力学试验系统。他们得出的结论是,横向应变时相同的第一轴向应力在不同加载率下降,横向应变是用作控制变量来预测煤的失败(6]。永平单轴和三轴压缩试验典型软、硬煤炭MTS815岩石样本的电液伺服岩石力学试验机。结果表明,强度,产生轴向应变和横向变形特性的软、硬煤岩是大大不同的由于不同内部结构的软、硬岩石和煤的不同发展程度的孔隙和裂缝。煤和岩石的内部损伤演化特征可以通过侧向塑性变形破坏特征(7]。明清观察到有一个典型的梯状下降无烟煤与峰值应力后的影响趋势,和横向轴比的显著增加是主要峰值应力后(8]。Tarasov和波特凡相信围岩的存在会影响岩石的脆性9]。郭等人研究了横向变形地带煤柱在汤口煤矿开采深度超过1000米。他们得出结论,在深部开采,积累和释放的能量异构煤炭质量,造成不连续伤害和煤柱的横向变形显示不连续和突变字符(10- - - - - -12]。
总之,外侧三轴压缩下的岩石变形特性和法律(13- - - - - -15)和煤在不同围压下的轴向变形特点和加载速度(16,17]在深度调查在中国和在国外,并取得了一些伟大的结果。然而,很少有研究的横向变形煤相同的加载速率和不同围压下。在这项研究中,石弹- 2000电液伺服岩石力学试验机是用来研究煤样的变形特性相同的加载速率和不同围压下。此外,横向上的围压的影响煤体的变形特征进行了分析。研究结果结合实际测量结果在地下矿山具有重要意义的变形特征的分析煤的身体在一定埋深和开挖后的选择合理的支持计划。与此同时,他们也可以被利用为基础评价煤的身体的损害(18- - - - - -21]。
2。样品制备和测试方法
鞣制- 2000电液伺服岩石力学试验机用于这项研究。的整体刚度测试框架是10 GN / m,最大轴向力是2000 kN,围压的最大值是100 MPa。动态应变监测和三轴试验压力室图所示1。
(一)
(b)
煤炭样本选择标准样品由煤炭块中国的山西煤矿。从地下获得煤炭块加工成标准圆柱形煤样品直径50毫米和100毫米的高度使用钻孔,切割,研磨22- - - - - -24]。实验煤样图所示2。实验数据被一个高精度伸长计监测。自伸长计不能抵抗大变形,采用轴向变形控制的实验。加载速度设置为0.05毫米/分钟,和测试的压力0 MPa, 3 MPa, 5 MPa,分别和7 MPa。时间的数据,载荷、位移、压力、轴向应变、径向应变,围压变化在整个生产过程中得到测试(25- - - - - -27]。
减少热收缩管对实验结果的影响,相同的热收缩管是用来包中的所有煤样的实验。后的煤样实验展示在图3。
3所示。分析测试结果
3.1。实验数据处理
(1)峰值强度(σc):在应力-应变曲线,最大应力(即。峰值应力)(28,29日是通过以下公式: 在哪里最大轴向载荷(N)在测试过程和吗一个是压缩区(m2)的样本。(2)线弹性阶段:在这个阶段,应力-应变曲线上的应力和应变(即有一个线性关系。,他们的关系遵循胡克定律)。(3)非线性弹性阶段:应力-应变曲线,它是后的部分线性弹性阶段,煤样的失败。(4)塑性变形阶段:在这个阶段,弱者煤体内表面被摧毁了,结束和舞台继续测试。(5)横向轴比例:横向应变的比值的轴向应变煤样品在实验中被称为侧轴比(30.]。3.2。分析的结果
煤的物理力学参数样本在不同围压下显示在表中1。完整的煤样在不同围压下的应力-应变曲线如图所示4。
(一)
(b)
(c)
(d)
根据煤样在不同围压下的应力-应变曲线,煤炭样本从一开始就经历了四个阶段的加载失败的煤炭样本(图4):(1)煤的内部裂缝的压实阶段,(2)弹性变形阶段(线弹性阶段、非线性弹性阶段),(3)塑性变形阶段,和(4)postpeak衰竭阶段。
在裂缝的压力整合和压实阶段,煤体内的微裂隙被压实,和煤炭负径向应变,这是作为径向收缩为特征。实验结果表明,径向应变发展向前当压力超过0.83 MPa在0 MPa围压,1.36 MPa 3 MPa围压,1.78 MPa 5 MPa围压和1.95 MPa在7 MPa围压。
煤炭的身体进入了线弹性阶段后整合和压实阶段的压力。在这个阶段,轴向应变和径向应变的煤炭主体根据一定的斜率增加,两者的变化趋势是一致的。在这个阶段,轴向和径向应力-应变曲线都是直线(即。,煤体的弹性模量是一个固定值)。随着压力的增加,煤炭进入非线性弹性阶段。与线弹性阶段相比,煤的弹性降低,压力的增加,应力和应变增加而增加,这与围压的增加更明显。
随着压力的不断增加,弱面煤体内爆发,和煤炭的身体进入塑性变形阶段。从大量的实验测试结果,我们发现,有两种类型的失败在加载过程中煤炭身体:(1)煤的身体经历了一个过程的破坏造成的destruction-stabilization-redestruction-restabilization-redestruction疲软的表面。压力逐渐达到最大,最后,煤炭的主要表面弱的身体被毁,这样煤炭的身体失去承载力。(2)当煤样的结构很好,没有restabilization-redestruction阶段,煤的破坏承载力直接从主弱面减少。它可以看到从图4第一类型的失败是更明显的围压时0 MPa,当围压是零,煤炭主体主要是显示第二种类型的失败。
峰失败后,煤样进入postpeak衰竭阶段,轴向压力和径向应变急剧增加。
4所示。煤在不同围压下的横向变形特征
4.1。横向变形特性
清晰地描述煤的横向变形特性相同的加载速度和不同围压下,总煤在不同围压下的应力-应变曲线绘制。它可以看到从图4轴向stress-lateral应变曲线和轴向stress-axial煤样在不同围压下的应变曲线在所有四个阶段保持相同的变化趋势。横向轴比煤的样品在相同的加载速度和不同围压(31日)如图5。后四个阶段观察期间执行测试:(1)整合的压力和内部裂缝的压实阶段煤身体:煤的身体在所有四个径向收缩情况。横向变形的最小值在这个阶段出现在单轴压缩状态,主要是径向收缩。这表明,不管是否有围压,有一个径向固结压力和压实过程的内部裂缝在轴向载荷下的煤炭。这个阶段的持续时间很短,持续3秒。(2)弹性阶段:根据图4,煤炭的横向应变范围在0 MPa围压为0.091×10−3-3.44×10−3,对应的轴向应变范围是0.377×10−3-4.01×10−3。因此,横向应变为24.1% -85.8%的轴向应变。非零围压时,横向应变与轴向应变的范围的身体增加,煤和煤的横向应变范围的尸体被同一围压无关,和横向应变范围是0.045×10−3-5.06×10−3。非零围压下的轴向应变的范围是0.368×10−3-12.44×10−3。因此,横向应变范围大约是12.22% - -46.9%的非零围压下的轴向应变范围。在这个阶段,横向应变在一个低水平,标本主要是受到轴向压缩。(3)非弹性阶段:在这个阶段,随着轴向载荷的增加,增加煤炭样品的轴向应变率大于横向应变。煤的横向应变下0 MPa围压为3.413×10−3-4.33×10−3,对应的轴向应变为3.991×10−3-4.494×10−3。因此,试样的横向应变为85.5% -96.35%的轴向应变。非零围压下,横向应变范围的煤为4.107×10−3-10.398×10−3煤炭,轴向应变的范围是9.972×10−3-17.811×10−3。因此,试样的横向应变为41.18% -64.96%的非零围压下轴向应变。侧向变形是略小于轴向应变在0 MPa;然而,它明显小于轴向变形,当围压是零。(4)Postpeak扩张阶段:煤炭样本在这个阶段的损伤主要表现为弱的发展造成的破坏煤体内表面破坏面。在这个阶段,煤体的强度迅速降低,和横向应变迅速增加。这个阶段的横向应变占总横向应变的50%以上。
(一)
(b)
4.2。横向轴比的特点
数据5(一个)和5 (b)表明,在第一压力下降,横向轴比0 MPa的压力迅速增加随着时间的推移,和第一压力下降发生在很短的时间内。此外,横向轴比最初的围压力下慢慢地随着时间的增加3 MPa, 5 MPa, 7 MPa,横轴比率显示相同的变化率。过了一些时候,横轴比率随时间增加的应力降。的约束力,围压对维护的稳定性有很大的影响煤的身体。
4.3。Time-Strain特点
图6显示轴向应变的变化趋势,横向应变和横向轴比的时候四个不同围压下的煤样品失败。从图可以观察到,横向轴比值曲线变化提前前外侧失败。同时,线性区域横向轴比随时间变化可以作为一个稳定的区域的变形巷道和工作面煤壁,并可以利用线性区域以外的区域作为一个潜在的参数评估的变形和破坏煤壁和作为一个参数预测煤的失败的身体。
(一)
(b)
(c)
(d)
4.4。峰值应变特征
从数据7(一)和7 (b)和图8,它可以观察到,当煤炭的身体被毁在不同围压下,横向应变保持在约0.6×10−2。
(一)
(b)
5。工程应用
验证实验结果的可靠性,工作面煤壁的5号煤层的矿井被选中进行验证。巷道煤壁的变形在垂直和水平方向上被钻孔窥视和离层监测仪器。实验位置如图9。测试分为两组:第一组,锚网是用于特定围压+钢带和u型支持,分别在煤壁的横向应变成为等于41.18%的轴向应变。在第二组,在煤壁的横向应变等于64.96%的轴向应变,锚网+钢带和u型支持被用来观察煤壁的变形和破坏(32- - - - - -34]。煤的破坏墙如图10和监测结果显示在图中11。
(一)
(b)
现场测试结果显示如下:(1)支持在到达横轴线比之前失败的实验研究有效地减少了煤壁的变形和破坏,增加了煤壁的稳定性。(2)围压存在的有限变形的煤壁和煤壁稳定性的提高。
6。结论
(1)不同围压下煤的身体经历了整个加载过程,最终导致煤体的破坏。煤的径向变形的身体经历了内部裂纹合并和压实阶段,弹性变形阶段,非线性弹性变形阶段,postpeak塑料阶段。这意味着煤炭侧向变形的身体经历了四个阶段,从收缩变形线性增长,然后postpeak扩张。(2)横向轴的比率在不同围压下煤不同,可分为两类:0 MPa围压下,煤炭的横向应变约为85.5% - -96.35%的轴向应变时销毁。非零的围压时,横向应变的煤炭质量约41.18% -64.96%的轴向应变。煤的身体被毁时,横向应变的煤是维持在约0.6×10−2。(3)现场试验结果表明,横向轴比例可以作为一个潜在的参数评估煤壁的变形和破坏,为基础设计参数的支持。(4)不同围压下煤的横向变形特点解释了为什么当相同的由浅到深的煤层开采,气体在煤体内爆发的风险和风险的煤壁切事故增加,和及时的支持的必要性时挖掘地下煤矿变得更加突出。数据可用性
使用的数据来支持这个研究的发现文章中是可用的。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项工作是财务支持的科技部门联合基金项目的贵州省,中国(批准号LH(2017) 7036),第一批煤炭工业转型升级专项资金和气体控制2020年贵州能源局:关键技术研究和应用的准确和高效的爆发消除高气体和低渗透率煤层区域,和青年科技人才成长的项目贵州省级教育部门(批准号肯塔基州(2018)414)。作者承认EditSprings (https://www.editsprings.cn/为专家提供语言服务)。