实验名称组合煤岩单轴压缩循环加卸载实验.doc

文章编号： 1，(1. 中煤平朔集团有限公司 井工三矿，；2. ，) 摘 要：为了准确评价煤矿开采的冲击矿压危险性，对组合煤岩进行了不同加卸载速率的单轴压缩试验，分析了加卸载的速率和路径对组合煤岩力学性能的影响。组合煤岩的整体弹性模量、峰值强度、残余强度介于顶底板与煤之间，其应力应变特征取决于该系统中刚度较小的部分，峰后破坏阶段应力应变曲线整体比单一岩样光滑，刚度差显著影响组合煤岩的破坏形态和冲击倾向性。随加载速率增加，组合煤岩弹性阶段、塑性阶段、破坏阶段对应的应变增量逐渐增大，应力应变曲线整体向应变增大的方向平移，峰值点处的应变呈线性增加，较快的应变速率则使曲线趋向于光滑平缓。组合煤岩不同加载速率下的声发射具有明显的Kaiser效应。与单调加载相比，组合煤岩循环加载的弹性阶段、塑性阶段和峰值强度点对应的应变增量均较小，弹性模量和峰值强度均较大。随着卸载点从压密阶段向残余强度阶段移动，组合煤岩循环加卸载滞回环形成的塑性变形逐渐增大，再加载曲线与卸载曲线交点的应力与卸载点应力的比值逐渐减小，卸载与再加载曲线直线段的斜率（弹性模量）逐渐减小。加载速率越小，组合煤岩内初始损伤和增生的裂纹演化和扩展的越充分，积聚的弹性能越少，弹性能量指数越小；快速加载使组合煤岩将外界能量转化为自身弹性能的能力增强。随加载速率的增加，动态破坏时间呈双曲线形态逐渐降低，脆性度增强，煤岩的失稳破坏越容易。 关键词：组合煤岩；加载速率；力学效应；冲击矿压 0 引 言 平朔井工三矿煤层直接顶砂质泥岩粉砂岩直接底板主要为砂质泥岩、粉砂岩，岩石致密。顶、底板抗压强度细粒砂岩以上的一般为46.8～130.2MPa，砂质泥岩、粉砂岩15.87～57.3MPa、泥岩12.4～46.27PMa；顶、底板抗拉强度细粒砂岩以上的一般1.1～5.77PMa、砂质泥岩、粉砂岩0.50～4.8 MPa、泥岩0.57～2.1MPa。2 实验方案 2.1 取样加工 从9煤层0 cm×30 cm×30 cm。根据组合煤岩模型中直接顶、煤、直接底的高度比例应与现场实际的煤岩层平均厚度比例相一致的原则，采用密集取钻法将直接顶（粉砂岩）、煤、直接底（砂质泥岩）加工成φ50 mm×44mm直接顶试件、φ50 mm×15 mm煤试件和φ50 mm×41 mm直接底试件，然后将直接顶、煤与直接底试件依次用强力胶粘合成φ50 mm×100 mm的标准组合煤岩试件（图1（a））。采用游标卡尺(精度0.02 mm)、直角尺、水平检测台、百分表及百分表架等检测组合煤岩试件的尺寸和平行度，并要求：(1)试件两端面的平行度偏差不得大于0.005 cm；(2)试件两端的尺寸偏差不得大于0.02 cm；(3)试件的两端应垂直于试件轴线。每个加卸载速率点的有效测试试件数量不少于3个。加工好的部分组合煤岩试样如图1。 （a）组合煤岩样的组成 （b）部分组合煤岩样 图 组合煤岩样 2.2 实验方法 实验采用电液伺服岩石力学试验系统 （a）安装好的组合煤岩样 （b）实验设备全貌 图 MTS815试验系统 参照中国煤炭行业标准 MT/T174-2000《煤样冲击倾向性分类及指标的测定方法》中的规定单轴加卸载实验。当加载至时，以相同的速卸载至平均破坏载荷的1%5%，然后继续加载直至破坏。N/s、1 kN/s、3.25 kN/s、5.5 kN/s、7.75 kN/s、10 kN/s和12.25 kN/s。 3 实验结果分析 3.1 组合煤岩全应力应变与声发射曲线形态 煤、顶板、底板及组合煤岩单轴单调压缩（加载速率为1kN/s）的全应力应变曲线形态对比如图3。组合煤岩单轴压缩全应力-应变曲线形态与纯岩石试块类似，一般分为压密、弹性变形、塑性变形、破坏和残余应力阶段。加载初期，轴向应力随轴向应变的增加而增大，由于煤岩中的裂隙和煤岩接触面逐渐被压闭合，曲线呈上凹状，且压密阶段对应的应变明显大于纯煤或岩样。在线弹性阶段，组合煤岩的整体弹性模量介于顶底板与煤之间。组合煤岩存在明显的应力屈服点，且塑性阶段对应的应变也明显大于纯煤或岩样。顶底板在峰后出现明显的台阶状应力跌落，而组合煤岩的峰后破坏阶段应力应变曲线整体较光滑。组合煤岩存在残余强度，且残余强度介于顶板、煤与底板之间。 图3 煤、顶板、底板及组合煤岩的全应力应变曲线 标准加载速率下组合煤岩单轴压缩全过程的声发射如图4，组合煤岩的声发射活动具有阶段性。在压密阶段，声发射活动的产生主要由煤岩裂隙及界面的闭合引起，声发射的事件数较多，且能量率较大。线弹性阶段，声发射活动持续处于较低水平。在过屈服应力点后，声发射活动逐渐加剧，声发射的事件数明显增大，并在完全进入塑性阶段后达到峰值；同时，声发射的能量率也明显整体增大，并在峰值应力时达到最大值。 （a） （b） 图4 组合煤岩