不同围压下松软煤体力学特性与能量演化规律.pdf

第卷 第期 年 月沈 阳 理 工 大 学 学 报 收稿日期:基金项目:华能集团总部科技项目()南方煤矿瓦斯与顶板灾害预防控制安全生产重点实验室开放基金项目()中国煤炭科工集团有限公司科技创新创业资金专项重点项目()作者简介:孙福龙()男高级工程师研究方向为矿井灾害防治通信作者:杨杰()男工程师研究方向为煤矿瓦斯灾害治理材料与化工文章编号:()不同围压下松软煤体力学特性与能量演化规律孙福龙杨 杰陈 勇吴教锟李永元赵清全张倍宁周文斌付树平(.华能煤炭技术研究有限公司北京 .中煤科工集团重庆研究院有限公司重庆.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室重庆 .云南滇东雨汪能源有限公司雨汪煤矿一井云南 曲靖)摘 要:为揭示滇东矿区松软煤体在加载破坏过程中的力学特性和能量演化规律基于.岩石力学实验系统对原煤试样进行不同围压条件下的三轴压缩实验 结果表明:煤样的峰值应力、弹性模量与围压存在指数函数关系峰值应变、泊松比随围压呈线性增加围压效应使煤样的破坏从延塑性向脆性转变破坏模式由局部剪切形态向整体劈裂形态发展围压对煤样变形破坏过程中能量演化影响显著 随着围压的增大极限弹性能与峰值总能量均呈近似线性增加积聚的极限弹性能对煤样的破坏起重要作用宏观表现为高围压条件下煤样破坏较低围压剧烈关 键 词:围压三轴压缩力学特性弹性能中图分类号:文献标志码:./.(.):.:地下煤体开挖过程面临十分复杂的应力环境煤体在变形破坏过程中产生损伤其内部伴随着能量的吸收、积聚及耗散 煤体内部能量的突然释放是煤与瓦斯突出的主要原因 随着资源开采深度的不断推进煤与瓦斯突出发生的可能性及灾害发生的危险程度越来越大 因此研究突出煤体特别是松软煤体在破坏过程中的力学特性与能量演化规律对科学指导煤矿预防瓦斯动力灾害的发生、合理制定瓦斯治理措施具有重要意义国内外学者对煤岩力学特性开展了大量研究其中能量对煤岩力学及煤岩体破坏的影响受到很多关注从能量角度对煤体的变形破坏进行研究有助于了解其破坏本质对研究复合动力灾害机理等问题具有重要作用 能量理论认为处于力学平衡状态的煤体 围岩系统在多重应力作用下达到极限破坏时若系统中积聚的弹性能大于破坏时消耗的能量多余的弹性能就会释放给外界形成动力灾害的发生源 左建平等从煤岩组合结构入手对煤岩组合体破坏力学行为与能量耗散规律进行了研究得出了组合结构力学参数与组合模式、煤岩各部分力学参数等有关的结论 许江等利用含瓦斯煤热流固耦合三轴压缩装置对含瓦斯煤体的力学特性进行了研究认为煤体的变形特性和强度特征与围压呈正相关关系 杨永杰等认为煤样的非均质特性使得其沿随机裂隙破裂偏离的可能性增大 这些研究成果对我国煤炭资源的安全高效开发起到了重要作用现有研究大多集中于普通煤体针对突出煤层的松软煤体研究较少而松软煤体在强度、变形等方面与其他普通煤体有着显著差异 本文通过开展不同围压下煤体常规三轴压缩实验对滇东矿区某突出煤层松软煤体的力学性质与损伤破坏过程中的能量演化规律进行分析探明不同围压下松软煤体在损伤破坏过程中的能量演化过程探索其能量演化过程与力学破坏机制之间的关系揭示松软煤体在复杂环境下发生破坏时的能量演化规律为制定瓦斯治理措施和选取工程煤体力学参数等提供理论依据 实验部分.煤样制备实验煤样取自滇东矿区雨汪煤矿一井 煤层该煤层为煤与瓦斯突出煤层煤质松软 为减小实验结果的离散性所有煤样均取自井下同一地点的原煤块将原煤块运至实验室后根据国际岩石力学学会标准通过切割、打磨等工艺将其制成直径为 、高度为 的标准圆柱形煤样 且煤样上下两端面平行误差控制小于.竖直方向角度偏差小于.实验方案对标准圆柱形煤样进行常规三轴压缩实验先以静水压力状态加载煤样到预定的围压值然后通过位移加载方式以./的恒定速率加载至煤样完全破坏 因煤体较软围压梯度设置为、每种围压下进行 次实验共 次实验每组围压梯度取 个典型煤样进行分析第 期 孙福龙等:不同围压下松软煤体力学特性与能量演化规律加载装置采用.岩石力学实验系统如图 所示 该系统可施加最大轴向载荷为 、最大孔隙水压为 图 .实验系统.不同围压下煤样力学特性实验结果及分析.不同围压下煤样的应力 应变曲线 组典型煤样分别在、的围压水平下加载直至破坏通过测定不同围压下煤样破坏过程中的径向和轴向应变、峰值应力可计算出煤样的弹性力学参数 本次煤样在不同围压下的应力 应变曲线如图 所示图 不同围压下煤样的应力 应变曲线.由图 可知不同围压下煤样的应力 应变曲线特征大致相同均可分为初始压密阶段、线弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段 在加载初期煤样内部的原生孔隙、裂隙随着轴向荷载的增大不断被压密、闭合 在线弹性阶段煤样应力 应变曲线近似呈直线关系表现出较好的弹性特征服从胡克定律当荷载达到煤样屈服强度时进入屈服阶段煤样内部开始出现损伤其承载能力开始下降 当轴向荷载大于煤样的极限强度时出现应力跌落现象应力随应变的增大而减小直至煤样发生破坏随着围压的增大曲线变陡应力 应变曲线峰前阶段表征的弹性模量增加但变化幅度不大说明煤样的弹性性质受围压影响有限煤样具有一定的压硬性 煤样的峰值应变随围压的增大而增加说明在低围压条件下煤样在较小应力下即发生变形增大围压会使煤样峰值应变增大 煤样的变形受到所处应力状态的影响:在低围压条件下煤样表现出明显的延塑性破坏处于峰值阶段的煤样仍具有一定的承载能力随着变形不断增加煤样内部损伤不断积聚从而导致其承载能力逐渐降低最终煤样发生屈服破坏该过程应力跌落缓慢衰减速率低在高围压条件下煤样表现出脆性破坏的特征煤样承载能力大幅增加峰值应力增大导致其能够在较高的荷载水平下发生破坏相对于承载能力较低的低围压条件煤样高围压环境能使煤样在破坏前积聚更多的弹性应变能能量的作用使得其屈服阶段极短破坏时表现出明显的脆性特征应力急剧跌落衰减速率快.不同围压下煤样的应力 应变特征煤样三轴压缩力学参数实验结果见表 表 煤样三轴压缩实验结果 围压/峰值应力/峰值应变/弹性模量/泊松比.由表 可知随着围压的增大各煤样的峰值应力、峰值应变、弹性模量、泊松比均增加 本文分别研究了峰值应力、弹性模量、峰值应变、泊松比与围压的关系如图 图 所示由图 和图 可知在一定围压变化范围内煤样峰值应力、弹性模量与围压呈指数函数关系随着围压的增大煤样峰值应力增大的速率越来沈 阳 理 工 大 学 学 报 第 卷图 峰值应力与围压的关系.图 弹性模量与围压的关系.图 峰值应变与围压的关系.越大这是因为煤样三轴压缩过程中的围压效应明显围压的增加增大了煤体内部各个裂隙面上的正应力从而增强了其在轴向受压过程中抵抗滑移的摩擦能力使煤样的承载能力得到大幅提图 泊松比与围压的关系.高并且围压越大效果越明显 当围压较小时煤样在较低应力状态下发生破坏此时对应的峰值应力、峰值应变均较小弹性阶段较短随着围压的增大煤样的弹性能力得到增强 从能量角度来说高围压使煤样弹性模量变大由于材料积聚了更多的弹性应变能破坏会表现得愈发剧烈与明显表现为应力 应变曲线破坏阶段应力跌落情况的差异宏观则是煤样由延塑性破坏向脆性破坏转变 由图 和图 可知峰值应变、泊松比与围压近似呈线性关系这在一定程度上表明该种煤体在实验围压范围内的变形能力与围压呈正比关系随着围压的增大煤样的变形能力越来越强.不同围压下煤样的破坏形态分析不同围压下煤样的破坏形态如图 所示 低围压条件下煤样承载能力较低抵抗滑移的摩擦力较小煤样在较低峰值应力下发生破坏破坏强度较低体现为局部的剪切滑移如图()所示图 不同围压下煤样破坏后形态.第 期 孙福龙等:不同围压下松软煤体力学特性与能量演化规律随着围压增大煤样承载能力变强破坏强度变大体现为贯通整体的 状剪切破坏如图()所示继续增大围压煤样内部微颗粒相互黏结嵌合紧密高围压带来的摩擦力使得煤样承载能力大大增强其破坏形式表现为近似劈裂的剪切破坏如图()所示 不同围压下煤样的能量演化规律煤样的三轴压缩破坏过程是一个原生裂隙闭合、消失新裂隙产生、发育、贯通的过程其过程伴随能量的吸收、存储、耗散以及释放 不考虑外界温度变化产生热能的情况下实验机对煤样所做的功一部分以可逆弹性变形能的形式储存在系统内部另一部分以不可逆塑性变形能、煤样损伤能等形式耗散 当煤样从外界吸收的弹性能量达到其所能储存的最大值时煤样发生破坏并将所储存的弹性应变能向外界释放一部分能量作用于煤样本身使之产生损伤破裂形成宏观上的破坏形态剩余部分能量则以动能、热能、辐射能等形式向外界释放 本文从弹性能积聚、释放的角度研究煤样在三轴条件下发生变形破坏的能量演化规律揭示不同围压下松软煤体的力学特性.能量计算原理假设煤体在三轴条件下发生变形破坏的过程与外界无热交换则煤体总输入应变能、可释放弹性应变能、耗散能 三者的转化平衡关系为 ()式中:表示弹性应变能与煤样的弹性模量和泊松比有关表示耗散能主要用于煤样内部的损伤和塑性变形煤体的能量计算方法如下()()()由胡克定律可知 ()/()则有 ()()式中:、()是三个方向上的主应力()是三个方向上的应变 是泊松比 是初始弹性模量可代替卸载弹性模量进行计算.不同围压下能量演化过程将三轴压缩实验数据(见表)代入.中的计算公式可得不同围压下煤样在破坏过程中的能量值图 为煤样在不同围压下的能量变化曲线由图 可见不同围压下总能量、弹性能 具有相似的变化趋势 从能量角度来说煤样的变形破坏过程大致分为 个阶段:初始压密段曲线斜率偏小煤样从外界吸收的能量大部分转化为使煤样内部微裂隙闭合和摩擦滑移的耗散能同时缓慢储存小部分弹性能弹性阶段曲线近似直线此时煤样的原生裂隙已被压密以稳定的速率吸收弹性能屈服阶段总能量与弹性能积累速率曲线变平缓且在峰值应力处达到最大值峰后破坏段随着煤样内部微小裂纹汇合、贯通形成宏观断裂面弹性能迅速转化为耗散能然后以表面能、动能等形式向外界释放伴随着应力的下降煤样整体强度丧失而导致破坏沈 阳 理 工 大 学 学 报 第 卷图 不同围压下煤样能量变化曲线.不同围压下峰值能量特征由于突出煤层处于复杂应力状态下井下割煤、掘进等扰动会导致系统能量的变化总能量和弹性能的积聚会使煤体发生损伤破坏从而有可能导致煤层突出灾害的发生 弹性能作为系统前期积聚、后期释放的能量对灾害是否发生及发生的剧烈程度起重要作用 本文针对取自突出煤层的松软煤样研究其在变形破坏过程中弹性能的参与作用和作用效果以不同围压下极限弹性能、峰值总能量为参数得到极限弹性能、峰值总能量与围压的关系如图 和图 所示 由图 和图 可见不同围压下极限弹性能、总能量的演化规律具有相似性 在整个煤样变形破坏过程中随着围压从、逐渐增加其极限弹性能从.、.、./成倍增加峰值总能量从.、.、./成倍增大 随着围压的增大煤样临界破坏点总能量线性增大围压效应使煤样峰值应力显著增图 极限弹性能与围压的关系.图 峰值总能量与围压的关系.大提高了其能量吸收能力 极限弹性能具有与总能量相似的演化规律围压越大煤样积聚的弹性能越大并且随着围压的增大近似线性增大 不同围压下极限弹性能、总能量整体增长速率相近说明实验条件下围压对能量的增加速率影响较小从宏观上来说高围压使煤样积聚较多的弹性能这些能量对破坏过程起加剧作用所以处于高围压环境下的煤样破坏程度较低围压剧烈 在实际条件下高应力区域施工更容易产生剧烈的动力现象比如煤层突出、顶板垮落等因此必须提前采取措施释放应力从而降低灾害发生的风险 结论基于取自滇东矿区雨汪煤矿一井突出煤层煤样的三轴压缩实验结果研究了不同围压下煤样的力学性质和能量演化规律得到以下结论第 期 孙福龙等:不同围压下松软煤体力学特性与能量演化规律)常规三轴条件下的围压效应明显峰值应力、弹性模量与围压呈指数函数关系峰值应变、泊松比与围压呈线性正相关关系)煤样的破坏模式与围压相关性较强随着围压的增大系统的极限弹性能增加煤样由延塑性破坏向脆性破坏转化破坏形式由局部的剪切滑移发展到贯通整体的劈裂破坏且破坏剧烈程度变高)不同围压下煤样弹性能演化规律相似与应力 应变曲线高度吻合均可分为初始压密、弹性、屈服和破坏 个阶段并且随着围压的增加极限弹性能与峰值总能量近似呈线性增加参考文献():袁亮.我国深部煤与瓦斯共采战略思考.煤炭学报():.():.().():.():.左建平宋洪强.煤岩组合体的能量演化规律及差能失稳模型.煤炭学报():.():.()许江李波波周婷等.循环荷载作用下煤变形及渗透特性的试验研究.岩石力学与工程学报():.():.()杨永杰宋扬陈绍杰.三轴压缩煤岩强度及变形特征的试验研究.煤炭学报():.():.()伍法权乔磊管圣功等.小尺寸岩样单轴压缩试验尺寸效应研究.岩石力学与工程学报():.():.()张志镇高峰.受载岩石能量演化的围压效应研究.岩石力学与工程学报():.():.()刘鹏飞范俊奇郭佳奇等.三轴应力下花岗岩加载破坏的能量演化和损伤特征.高压物理学报():.():.()秦涛段燕伟孙洪茹等.砂岩三轴加载过程中力学特征与能量耗散特征.煤炭学报():.():.()吴平武磊.瓦斯隧道穿越突出煤层安全技术研究.沈阳理工大学学报():.():.()(责任编辑:徐淑姣)沈 阳 理 工 大 学 学 报 第 卷