煤岩单体及原生组合体变形损伤特性对比试验研究.pdf

蔡永博,王凯,徐超 . 煤岩单体及原生组合体变形损伤特性对比试验研究[J]. 矿业科学学报,2020,53278 -283. DOI10. 19606/ j. cnki. jmst. 2020. 03. 005 Cai Yongbo,Wang Kai,Xu Chao. Comparative experimental study on deation and damage characteristics of single coal rock and primary coal-rock combination[J]. Journal of Mining Science and Technology,2020,53278-283. DOI10. 19606/ j. cnki. jmst. 2020. 03. 005 煤岩单体及原生组合体变形损伤特性对比试验研究 蔡永博,王凯,徐超 1. 中国矿业大学北京应急管理与安全工程学院,北京 100083; 2. 共伴生能源精准开采北京市重点实验室,北京 100083 收稿日期2019-09-01 修回日期2019-11-22 基金项目国家自然科学基金 51974321,51874314,51904310 作者简介蔡永博1991 ,男,河北唐山人,博士研究生,主要从事矿井瓦斯灾害防治等方面的研究工作。 E-mailcaiyongbo0328 126. com 通信作者王凯1972 ,男,河南遂平人,博士生导师,主要从事安全工程与应急管理、矿井瓦斯及煤岩动力灾害防治、矿井通风 等方面的教学与研究工作。 Tel010-62339036,E-mailkaiwang cumtb. edu. cn 摘 要研究煤岩组合体在不同应力条件下的变形损伤规律,对揭示矿山动力灾害机制具有重要 意义。 在单轴加载条件下,分析原生煤岩组合体、人工煤岩组合体及煤岩单体应力-应变规律,通 过采集加载过程中试样声发射行为信息,初步探究原生煤岩组合体损伤破坏规律。 对比分析发 现① 煤岩组合体界面的差异对煤岩组合体力学性质、声发射特征具有较大影响;② 单轴加载条 件下 4 种试样抗压强度依次为岩样人工煤岩组合体试样原生煤岩组合体试样煤样; ③ 组 合体受载变形和峰值强度受介质间界面条件、弹性模量及尺寸效应等多重因素影响;④ 原生煤 岩组合体在加载屈服破坏阶段内部裂隙发育贯通现象相对活跃,且早期损伤主要发生在原生煤 岩组合体界面或附近煤岩体。 关键词原生煤岩组合体;人工煤岩组合体;煤岩单体;变形损伤特性;声发射 中图分类号TD 82 文献标志码A文章编号2096-2193202003-0278-06 Comparative experimental study on deation and damage characteristics of single coal rock and primary coal-rock combination Cai Yongbo,Wang Kai,Xu Chao 1. School of Emergency Management and Safety Engineering,China University of Mining 2. Beijing Key Laboratory for Precise Mining of Intergrown Energy and Resources,Beijing 100083,China AbstractThe study of the deation and failure laws in the loading process of coal-rock combination samples are very important to reveal the dynamic mechanism of mine disaster. In this study,the mechan- ical deation characteristics of primary coal-rock combination,artificial coal-rock combination,single coal and single rock were analyzed and obtained under uniaxial loading conditions. Meanwhile,the dam- age and failure laws of primary coal-rock combination were preliminarily explored by collecting the a- coustic emission AEbehavior ination of samples during loading process. Through comparative a- nalysis,it is found that① The interface difference of coal-rock combination has great influence on the mechanical and AE characteristics of coal-rock combination;② The order of uniaxial peak strength of four samples isrock artificial coal-rock combination primary coal-rock combination coal;③ The loading deation and peak strength of the combination body are influenced by many factors,such as 第 5 卷 第 3 期 2020 年 6 月 矿 业 科 学 学 报 JOURNAL OF MINING SCIENCE AND TECHNOLOGY Vol. 5 No. 3 Jun. 2020 interface conditions,elastic modulus difference of different media and size effect of media;④ Under the influence of primary interface,the fracture development and penetration in the primary coal-rock combi- nation is relatively active during the loading yield failure stage,and the early damage mainly occurs in the primary coal-rock combination or the coal and rock near the interface of combination. Key words primary coal-rock combination; artificial coal-rock combination; single coal rock; deation and damage characteristics;acoustic emission 我国以煤炭为主体的能源消费结构长期未 变[1-4]。 煤田赋存地质条件复杂,在开采过程中易 发生瓦斯突出、冲击地压等矿井灾害,多数矿井灾 害不只是岩体和煤体的单体破坏,更多情况下是煤 岩层状组合系统的破坏[5-7]。 地层中煤岩层状组合系统是由不同厚度、不同 力学特性、不同渗透能力的多种组分结合而成的天 然层状复合结构。 在多组分岩性、尺寸和原生界面 的结构等因素的共同影响下,原生煤岩组合体系统 特性与单一煤体、单一岩体性质有很大区别,以原生 煤岩组合体为研究对象探究矿井灾害防治机制更加 贴近实际。 研究原生煤岩组合体损伤变形机制是由 地质煤岩单体研究到地质煤岩组合体系统研究的重 要过渡,对矿井灾害防治具有重要意义[8-9]。 目前,国内外学者在煤岩单体及人工组合体力 学特性方面的研究成果丰富。 杨磊等[10]对单轴条 件下煤岩组合体的能量演化规律与破坏机制进行 了研究,表明煤岩组合体的单轴抗压强度与弹性模 量介于纯煤和岩石试件之间,且更接近于纯煤试 件。 陈光波等[11]开展了不同煤岩高度比的煤岩组 合体加载试验,表明组合体破坏峰前总能量与煤岩 高度比有关。 聂百胜等[12]研究了煤岩组合体加载 过程中力学性质与电磁辐射特征之间的关系。 陈 岩等[13]运用单轴循环加卸载方式对煤岩组合体变 形及裂纹演化规律进行了研究,探讨了轴向裂纹应 变与应力之间的关系。 张泽天等[14]、刘杰等[15]通 过对不同组合方式煤岩组合体加载,分析了岩石强 度及组合方式对组合试样力学特性和破坏特征的 影响,发现煤岩组合体破坏主要发生在煤体中。 左 建平等[7,16]分别对岩样单体、煤样单体及不同人工 煤岩组合体进行单轴力学试验及声发射信号测试 分析,获得了不同人工煤岩组合体的变形及强度特 征,初步揭示了岩石、煤、人工煤岩组合体的声发射 行为及时空演化机制。 赵毅鑫等[17]通过单轴加载 试验总结了煤岩组合体变形破坏前兆信息变化规 律。 Liu 等[18]通过单轴加载试验发现,煤岩组合体 中煤的强度与煤岩高度比和岩石强度有关。 学者们采用数值模拟方法对不同界面形式组合 体的力学特性做了一些研究。 郭东明等[19-20]运用 扩展有限元计算方法针对不同倾角煤岩组合体单轴 条件下压缩变形情况进行了模拟,分析了单轴荷载 下不同倾角煤岩组合体的破坏特征。 Zhao 等[21]针 对不同界面效应下的煤岩组合体的损伤演化机制进 行了模拟分析。 曹吉胜等[22]运用 RFPA 软件对不 同分形维数及不同倾角煤岩组合体力学特征和破坏 机制进行数值试验研究,发现界面倾角及分形维数 对组合体的破坏强度、破裂形式、弹性模量及损伤有 明显的影响。 付斌等[23-24]模拟研究了不同围压条 件下煤岩组合体力学特性及声发射特征。 赵善坤 等[25]运用 RFPA2D对不同高度比和不同岩石强度、 厚度、均质性及接触面角度下煤岩组合体的冲击倾 向性进行数值模拟试验,得到了煤岩组合体冲击倾 向性高于纯煤层或岩层测定结果的结论。 目前,国内外学者取得的研究成果主要体现在 以煤、岩单体及人工煤岩组合体为研究对象的力学 特性、变形破坏特征等方面,对地层中煤和岩石天然 结合的原生组合体的力学特性、变形破坏特征及前 兆信息规律等方面的研究成果鲜有报道。 本文拟通 过单轴压缩试验手段,以原生煤岩组合体、人工煤岩 组合体及煤岩单体为研究对象,对比分析试样损伤 变形特征,探究原生煤岩组合体力学特性及声发射 行为规律,为进一步揭示煤岩动力灾害提供依据。 1 试验方案 1. 1 试验设备 试验加载设备为 RLW-500G 煤岩三轴蠕变- 渗流试验系统[26],该设备最大轴向加载压力为 500 kN,可实现荷载控制和变形控制等加载方式,加 载控制精度为1 。 变形控制范围为轴向0 15 MPa、径向0 7 MPa,控制精度为0.5 。 试验中声发射测试设备为美国物理声学公司生 产的 PCI -2 型声发射测试分析系统,采样频率 为5 000 kHz,阈值为46 Db。 系统采用PCI- Ⅱ板卡,具 有处理速度快、噪声低、阈值低、稳定性可靠等特点。 1. 2 试样制备 本文试验样品采自山西某矿,取样地点为该矿8 279第 3 期蔡永博等煤岩单体及原生组合体变形损伤特性对比试验研究 号煤层掘进工作面,由于组合体界面易损坏,为保证 样品的完整性,在现场取得大块煤岩组合体样品,运 至地面后分割为小块再加工成所需实验试样。 试样 加工按照国际岩石力学学会建议的试验方法进行,对 试样两端及侧面进行打磨,保证不平行度和不垂直度 均小于0.02 mm。 分别制备尺寸为 ϕ50 mm100 mm 的煤样和岩样、ϕ50 mm50 mm 的煤样和岩样、 ϕ50 mm100 mm 的天然组合体本文称原生煤岩组 合体试样。 其中原生煤岩组合体样品煤体部分和岩 体部分高度均为50 mm,并将 ϕ50 mm50 mm 的煤样 和岩样自然拼接成 ϕ50 mm100 mm 的组合体本文 称人工煤岩组合体试样备用。 图1 为加工好的部分 试样,表1 为试样的基本物理参数。 图 1 样品图片 表 1 试样编号及参数 Tab. 1 Number and parameters of samples 试样编号质量/ g尺寸ϕh / mmmm 煤样C248. 249. 58100. 34 岩样R523. 249. 74100 原生煤岩组合体CSR390. 450100 人工煤岩组合体CR384. 649. 56煤100 组合体剖面的界面放大如图 2 所示,人工煤岩 组合体界面相对光滑,而原生煤岩组合体界面表现 出不规则形状,存在较多不规则裂隙并有矿物质填 充图 1 中亮纹部分。 图 2 组合体剖面的界面放大图 Fig. 2 Interface magnification diagram of combination profiles 1. 3 试验方案 对原煤煤样、岩石试样、原生煤岩组合体试样 及人工组合体试样分别进行单轴加载,试验采用载 荷加载控制方式,速率为 100 N/ s,采用引伸计测 量试样的轴向应变和径向应变,试验过程中同步采 集试样损伤破坏产生的声发射信号。 对于组合体 试样,轴向应变测量值为煤体和岩体的轴向应变之 和,径向应变均为测量煤体部分的应变值。 2 试验结果分析 2. 1 试样变形和强度特征 图3 为4 种试样在单轴加载条件下应力-应变 曲线。 由图可知,单轴条件下岩石试样的抗压强度 达到 134 MPa,远高于其他试样抗压强度,人工煤 岩组合体试样、原生煤岩组合体试样和煤样抗压强 度依次降低,分别为 35 MPa、22. 6 MPa、19 MPa。 图 3 应力-应变曲线 Fig. 3 Stress-strain curves of specimens 280矿 业 科 学 学 报第 5 卷 相比于其他试样,在达到峰值荷载之前,煤样的 轴向应变最大,岩石的轴向应变最小,这与二者的弹 性模量差异有关。 岩样在弹性阶段表现出较好的线 弹性特征,在破坏阶段峰后应力跌落较快,表现出明 显的脆性特征。 2 个组合体轴向应变值介于煤样和岩样之间,这 可能是因为在相同应力条件下,组合体中岩体部分的 应变小于煤体部分,同时组合体中煤体部分尺寸小于 全煤试样煤体尺寸。 受不同介质弹性模量差异与介 质尺寸效应双重影响,使相同应力条件下组合体试样 轴向应变值小于煤样而大于岩样。 对比原生煤岩组合体试样和人工煤岩组合体试 样二者应力-应变关系,发现相同应力条件下人工组 合体试样轴向应变大于原生煤岩组合体试样。 原生 组合体界面与人工组合体界面结构上的差异是出现 应力应变差异的主要原因,这可能与不同界面间的摩 擦效应等因素相关。 2. 2 试样声发射AE特征 在加载过程中,同一试样 AE 计数曲线与能 量值曲线规律均能反映在加载过程中试样的损 伤情况,二者规律基本一致。 4 种试样加载过程 中应力及 AE 计数随时间的变化曲线如图 4 所 示,由图发现,4 个试样加载过程中声发射振铃计 数曲线发展规律均表现出一定的阶段性特征,具 有相似性。 在加载初期,试样内部原生裂隙闭合及少量裂 隙扩展,试样未发生大的破坏,试样处于压密阶段, 总体 AE 计数较低。 随后试样进入弹性阶段,AE 计数基本稳定。 由于试样所受应力不足以形成新的微裂纹,声发射 事件主要由事件内部闭合裂纹发生滑移产生。 随着荷载的继续增加,当应力达到峰值荷载的 70 80 时,试样内部产生大量新生裂纹,有一 定的塑性破坏,声发射事件活跃,AE 计数升高。 在达到峰值荷载时,试样内部微裂纹贯通并逐 渐形成宏观破裂面,试样发生大的损伤破坏,AE 计数最大。 从 AE 计数值角度对比,试样的声发射规律具 有一定的差异性。 在加载初期,岩样内部声发射信 号相对较弱,这是因为一般情况下岩石内部原生裂 隙数量远小于煤体内部原生裂隙,且岩样抗压强度 远大于煤样,加载初期岩石内部裂隙闭合和滑移活 动较少,因此岩样 AE 计数较低。 煤体原生裂隙 多、抗压强度低,在较低的荷载作用下,3 个含煤试 样内部裂隙出现较多的闭合和滑移活动,AE 计 数值也相对较高。 图 4 应力和声发射测试结果 Fig. 4 Results of stress and acoustic emission 281第 3 期蔡永博等煤岩单体及原生组合体变形损伤特性对比试验研究 对比原生煤岩组合体试样及人工煤岩组合体试 样AE 计数随时间变化关系,原生煤岩组合体试样AE 计数峰值略高于人工煤岩组合体。 在达到峰值应力 之前,原生煤岩组合体更早地出现了较大的 AE 计数 值,且持续时间更长。 通过对比 2 种组合体系统变 量,原生界面的存在使原生煤岩组合体试样在加载屈 服破坏阶段内部裂隙发育贯通现象活跃,且早期损伤 破坏主要发生在组合体界面或附近煤岩体。 3 结 论 本文对原生煤岩组合体、人工煤岩组合体及煤 岩单体分别进行了单轴加载试验及声发射行为研 究,得到以下结论 1 单轴加载条件下,4 种试样单轴抗压强度 从大到小依次为岩样、人工煤岩组合体试样、原生 煤岩组合体试样和煤样。 组合体受载变形和抗压 强度受介质间界面条件、不同介质弹性模量差异与 介质尺寸效应等多重因素影响。 2 原生界面影响下原生煤岩组合体在加载 屈服破坏阶段内部裂隙发育贯通现象相对活跃,且 早期损伤主要发生在原生煤岩组合体界面或附近 煤岩体。 3 煤岩组合体界面的差异对煤岩组合体力 学性质、声发射特征具有较大影响。 参考文献 [1] 中华人民共和国国土资源部 . 中国矿产资源报告 [R]. 北京地质出版社,2017. 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