含瓦斯煤樣的三軸抗壓力學(xué)性能試驗(yàn)研究

含瓦斯煤樣的三軸抗壓力學(xué)性能試驗(yàn)研究

煤炭和磚瓦的突出是對煤炭安全生產(chǎn)的重大威脅。目前對突出機(jī)理還存在一些不同的觀點(diǎn),但大都認(rèn)為突出是地應(yīng)力、瓦斯和煤體的物理力學(xué)性質(zhì)共同作用的結(jié)果。研究煤在地應(yīng)力和孔隙瓦斯作用下的力學(xué)性質(zhì)有助于進(jìn)一步理解突出機(jī)理。本文在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,研究了含瓦斯煤的力學(xué)性質(zhì)。含瓦斯煤的力學(xué)試驗(yàn)國內(nèi)有煤科院撫順研究所王佑安等在60年代用傾斜壓模剪切法測定了含瓦斯煤的抗剪強(qiáng)度,國外主要是日本的氏平增之用三軸試驗(yàn)裝置測定了含瓦斯煤的三軸抗壓強(qiáng)度與變形,我國煤科院的李中成在日本作為訪問學(xué)者期間也做了類似的試驗(yàn)。上述試驗(yàn),因受試驗(yàn)方法或試驗(yàn)裝置的限制,所做的試樣較少,試驗(yàn)所采用的側(cè)壓也小,難以分析煤的力學(xué)性質(zhì)在瓦斯介質(zhì)中的變化規(guī)律。本文通過大量的試驗(yàn)結(jié)果,并應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計理論,分析煤在瓦斯介質(zhì)中,強(qiáng)度與彈性模量的變化規(guī)律,使結(jié)果更為準(zhǔn)確可靠,以期對突出機(jī)理的了解和防突措施的制訂有所裨益。一、試驗(yàn)系統(tǒng)及試樣1.試驗(yàn)裝置由三軸壓力室、測量系統(tǒng)、側(cè)壓系統(tǒng)、瓦斯供給系統(tǒng)等幾部分組成。因現(xiàn)有的三軸試驗(yàn)儀體積大、價格貴,且不能做含瓦斯煤樣的試驗(yàn),故專門設(shè)計了一簡易的三軸壓力室,它的額定工作壓力是50MPa,結(jié)構(gòu)如圖1所示。測量系統(tǒng)包括位移傳感器和載荷傳感器、動態(tài)應(yīng)變儀、函數(shù)記錄儀。載荷傳感器輸出的訊號經(jīng)動態(tài)應(yīng)變儀放大后送至函數(shù)記錄儀,位移傳感器輸出的訊號可直接送至函數(shù)記錄儀。軸向壓力由普通材料試驗(yàn)機(jī)提供。試驗(yàn)時,載荷、位移均由函數(shù)記錄儀自動記錄,因此可以穩(wěn)定的速度連續(xù)施加軸向載荷。側(cè)壓由手動高壓泵產(chǎn)生。為保證試驗(yàn)時壓力室內(nèi)的壓力不發(fā)生波動,采用皮囊式蓄能器穩(wěn)壓,效果很好。小鋼瓶中的瓦斯經(jīng)四通接頭可同時對三個試樣進(jìn)行充氣吸附。整個試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。2.試驗(yàn)采用的煤樣有原煤樣、成型煤樣與熱壓型煤三種。原煤樣是在焦作礦務(wù)局的朱村、焦東兩礦用自制的取芯鉆制取的。所取得的試樣直徑為26mm,高度48～51mm不等。成型煤樣是將鶴壁六礦的瘦煤,破碎成粒度小于0.4mm的煤粉后,再在150MPa的壓力下直接壓制成型,它的規(guī)格是φ24.8×15mm。為提高成型煤樣的強(qiáng)度,嘗試了新的人工煤樣制作方法。將鶴壁瘦煤的煤粉(為提高煤粉的粘結(jié)力,加入了7.5%的煤焦油),在10MPa的壓力下加熱到300℃左右,制得了熱壓型煤。它的規(guī)格也是φ24.8×51mm。熱壓型煤顆粒間具有明顯的粘結(jié)力,雖然它的成型壓力只有成型煤樣的7%,但它的單軸抗壓強(qiáng)度卻比成型煤樣提高70%。它是一種較好的模擬煤體的材料。二、瓦斯壓力下的煤強(qiáng)度變化規(guī)律1.在同一試驗(yàn)水平下,重復(fù)試驗(yàn)三次,結(jié)果取其平均值,并計算表示結(jié)果離散程度的變異系數(shù)。成型煤樣結(jié)果的變異系數(shù)均小于4%,熱壓型煤的變異系數(shù)小于12%,原煤樣結(jié)果的離散性較大,最高為43%,大部分小于30%。三種煤樣均測定了不含瓦斯時與含有CO2時的三軸抗壓強(qiáng)度,成型煤樣還測定了吸附N2與CH4時的強(qiáng)度。試驗(yàn)的最高側(cè)壓是20MPa,孔隙瓦斯壓力最高是6MPa。圖3至圖5給出了部分煤樣的試驗(yàn)結(jié)果。從圖中可以看到,對成型煤樣和熱壓型煤來說,在第二個試驗(yàn)點(diǎn)后,強(qiáng)度與側(cè)壓呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系,因此采用分段線性回歸是合適的?；貧w方程的形式為σ1=mσ3+b,回歸系數(shù)m、b取決于煤的力學(xué)性質(zhì)、孔隙瓦斯種類和瓦斯壓力?；貧w值與實(shí)測值的偏差絕大部分小于3%,回歸方程的相關(guān)系數(shù)均大于0.99,是高度顯著的。原煤樣的強(qiáng)度隨側(cè)壓的變化波動較大,表面看線性關(guān)系并不好,但用F檢驗(yàn)可以證明,用線性回歸也是可以的,回歸方程也是顯著的。利用t檢驗(yàn),可進(jìn)一步證明,在第二個試驗(yàn)點(diǎn)后,成型煤樣與熱壓型煤在不同充氣壓力下得到的σ1-σ3回歸直線均可認(rèn)為是平行的,原煤樣的兩條σ1-σ3回歸直線也可認(rèn)為是平行的。即對同一煤樣來說,回歸方程中的m值可看作相等。煤中的孔隙壓力越高,側(cè)壓越小,它的強(qiáng)度就越低。如果煤樣在不同瓦斯壓力下分別有σ1=mσ3+b1,σ1=mσ3+b2,則由瓦斯壓力不同所引起的煤強(qiáng)度變化量為b1-b2,這是一個定值。即只要瓦斯壓力一定,在一定的側(cè)壓區(qū)間內(nèi),煤強(qiáng)度變化量的絕對值不變。令,式中表示充瓦斯后煤強(qiáng)度下降的相對值,下角標(biāo)表示孔隙氣體是N2,上角標(biāo)表示N2的壓力是6MPa,σ1與分別表示在相同的側(cè)壓下,煤樣吸附N2前后的強(qiáng)度。從圖6中可以看到,當(dāng)瓦斯壓力一定時,K值隨側(cè)壓的增加而減少,即隨著側(cè)壓與瓦斯壓力之差的增加,瓦斯對煤強(qiáng)度的影響變小。若側(cè)壓保持不變,則瓦斯壓力越高,K值越大,煤強(qiáng)度下降得越多。當(dāng)瓦斯壓力和側(cè)壓相等時,K達(dá)最大值。試驗(yàn)結(jié)果表明,在同樣的瓦斯壓力和側(cè)壓下,,這反映了吸附瓦斯的作用。成型煤樣的最大為0.78,熱壓型煤的最大為0.72,原煤樣的最大為0.5。2.孔隙瓦斯壓力為0時,煤強(qiáng)度與側(cè)壓的關(guān)系符合σ1=A+Bσ3,當(dāng)瓦斯壓力為P時,根據(jù)有效應(yīng)力理論,如果孔隙瓦斯的作用僅僅是力學(xué)的,應(yīng)有σ1-P=A+B(σ3-P)。即若僅僅只有游離瓦斯的作用,煤強(qiáng)度與側(cè)壓和瓦斯壓力的關(guān)系應(yīng)符合上式。利用二元線性回歸,可得到表示煤強(qiáng)度與側(cè)壓和瓦斯壓力關(guān)系的方程式σ1-P=A0+A1(σ1-ηP)。表1給出了三種煤樣的回歸系數(shù),熱壓型煤與成型煤樣其強(qiáng)度實(shí)測值與回歸值的偏差約小于4%,F檢驗(yàn)表明各回歸方程式均是顯著的。從表1中可以看到,同一煤樣吸附不同的氣體時,η值是不同的,最大。成型煤樣的略大于1。考慮到N2也有一定的吸附作用,可以認(rèn)為如果只有游離瓦斯的作用,則η為1。η為1表明游離瓦斯確實(shí)是抵消了一部分主應(yīng)力,抵消的應(yīng)力值就等于瓦斯壓力。這意味著孔隙瓦斯是作用在煤的整個斷面上的,而不僅僅是空隙率涉及到的那部分面積。因此在暴露的煤壁上,由瓦斯壓力梯度所造成的指向巷道空間方向的推力,應(yīng)該是瓦斯壓力和巷道斷面的乘積,而不需考慮孔隙率的影響。這個力無疑會給突出起到推波助瀾甚至決定性的作用。不同煤樣即使吸附的是同一種氣體,其η值也是不同的,這反映了煤的吸附能力。η大于1的那部分反映了吸附瓦斯的作用。η越大,吸附瓦斯對煤強(qiáng)度的影響就越大。如對熱壓型煤來說,吸附瓦斯對煤強(qiáng)度的影響甚至超過了游離瓦斯。因此在考慮瓦斯對煤的強(qiáng)度影響時,不僅要考慮游離瓦斯的作用,吸附瓦斯也是一個不可忽略的因素。二元線性回歸方程在三維空間中是一個平面,它反映了試樣的極限應(yīng)力條件,若試樣內(nèi)某點(diǎn)的應(yīng)力落在這個平面上,就滿足破壞條件。圖7是含瓦斯煤樣的極限應(yīng)力平面的圖形。平面ABCD即是含瓦斯煤樣的極限應(yīng)力平面。3.根據(jù)已經(jīng)得到的σ1-σ3關(guān)系曲線的回歸方程,可得到煤樣極限應(yīng)力圓莫爾包絡(luò)線的回歸方程,也就可得到相應(yīng)的內(nèi)摩擦角與粘聚力。因?yàn)橥N試樣在不同試驗(yàn)條件下的σ1-σ3回歸直線可認(rèn)為是相互平行的,所以同種試樣的莫爾圓包絡(luò)線也可認(rèn)為是相互平行的,圖8是部分成型煤樣的強(qiáng)度包絡(luò)線。從圖8中可以看到,煤吸附瓦斯后,莫爾圓包絡(luò)線發(fā)生平移,平移的距離取決于孔隙壓力和孔隙氣體。孔隙壓力越大,平移的距離就越大,越易使煤進(jìn)入破壞狀態(tài)。在同樣的孔隙壓力下,吸附CO2煤樣包絡(luò)線平移的距離要大些。平移的結(jié)果使包絡(luò)線在τ軸上截距變小,但斜率不變。所以煤吸附瓦斯后粘聚力變小,內(nèi)摩擦角可看作不變。4.煤是具有巨大比表面積的多孔介質(zhì),因此表面張力的改變對煤的力學(xué)性質(zhì)會有重要的影響。據(jù)伯克海姆等人試驗(yàn),多孔介質(zhì)吸附氣體后產(chǎn)生的膨脹變形與其表面張力的減小量成正比,ε=λ·π。式中ε是多孔介質(zhì)的應(yīng)變,π是表面張力減小量,λ據(jù)伯克海姆假設(shè)λ=∑·ρ/E,∑是介質(zhì)的比表面積,ρ是介質(zhì)的密度,E是介質(zhì)的彈模。因此對于給定的煤樣,充氣壓力越高,吸附的氣體就越多,由此造成煤表面張力的下降也就越多,煤的變形也越大。若煤的表面張力減小量不變,則比表面積大、彈模小的煤具有較大的變形量。如果煤在吸附瓦斯時限制其變形,則由此產(chǎn)生附加應(yīng)力σ附=∑·ρ·π÷(1-2μ),μ是煤的泊松比。煤的比表面積越大,吸附的瓦斯越多,產(chǎn)生的附加應(yīng)力也越大。在煤層中抽放瓦斯,一是減小了突出的能源;二是減小了由游離瓦斯引起的孔隙壓力和由吸附瓦斯引起的附加應(yīng)力;三是提高了煤的強(qiáng)度。這些對防治突出都是非常有利的。綜上所述,煤吸附瓦斯后強(qiáng)度下降是由游離瓦斯和吸附瓦斯共同作用造成的。游離瓦斯抵消了一部分主應(yīng)力,使得剪切面兩側(cè)固體接觸部分的正壓力減小,因而煤的抗剪強(qiáng)度下降。在σ-τ圖上,表現(xiàn)為莫爾圓平移,更接近破壞極限。吸附瓦斯使煤的表面張力減小,煤粒子間的作用力減弱,破壞時所需要的表面能減小,同樣削弱了煤的強(qiáng)度。三、殘余變形與殘余變形相聯(lián)系1.煤樣承載后發(fā)生的變形及破壞形態(tài)與其所承受的有效側(cè)壓的大小有關(guān)。試驗(yàn)結(jié)果表明,在相同的有效側(cè)壓下,同種煤樣有類似的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。成型煤樣在單軸壓縮時為張性裂縫所破壞。當(dāng)有效側(cè)壓大于3MPa后,試樣便進(jìn)入剪切破壞階段。有效側(cè)壓大于9MPa后,試樣進(jìn)入塑性狀態(tài),軸向應(yīng)變可達(dá)到18%,試樣呈鼓狀而承載能力仍不下降。熱壓型煤的破壞形態(tài)與成型煤樣類似。焦作無煙煤在試驗(yàn)的側(cè)壓范圍內(nèi)均為脆性破壞,破壞時發(fā)出較大的聲響和震動。2.煤承載后發(fā)生的變形包括彈性變形和殘余變形。與彈性變形相聯(lián)系的是彈性變形能,它對突出的發(fā)生有促進(jìn)作用。與殘余變形相聯(lián)系的是非恢復(fù)變形能,它消耗于巖石中形成新裂隙所需的表面能及顆粒間摩擦引起的熱能、聲能等。圖13、14、15是試樣在重復(fù)加載時得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,它的包絡(luò)線的形狀與試樣在單調(diào)加載時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線相類似。從圖13中可以看到,成型煤樣的殘余變形是很大的。在軸向應(yīng)力很小時,試樣就已產(chǎn)生了殘余變形。在試樣的不同變形階段,殘余變形占總變形的50%以上,當(dāng)試樣進(jìn)入塑性狀態(tài)后,殘余變形甚至可占總變形的90%以上。熱壓型煤在加載過程中,殘余變形占總變形的40%左右,試樣進(jìn)入塑狀狀態(tài)后,殘余變形也可占80%以上。焦作無煙煤具有硬而脆的特點(diǎn),從圖15中可以看到,它只在加載的初期產(chǎn)生較小的殘余變形直到試樣進(jìn)入屈服階段以前不再產(chǎn)生新的殘余變形。若在試樣進(jìn)入屈服階段后,立即卸載測量它的殘余變形,可發(fā)現(xiàn)其值最大也達(dá)58%。煤樣吸附瓦斯與否對殘余變形無明顯影響。由此看來,決定煤殘余變形量大小的主要因素是煤本身的力學(xué)性質(zhì)。若煤強(qiáng)度大,質(zhì)硬而脆,則在進(jìn)入屈服階段前,殘余變形是較小的,近似把它看成線彈性體也是可以的。但當(dāng)它進(jìn)入屈服階段后,就必須考慮到殘余變形的影響。揉皺松軟的煤,無論它處于怎樣的應(yīng)變階段,殘余變形都占有很大的比例,因此也必須考慮由此帶來的影響。軟煤分層的煤,彈模小,若認(rèn)為是彈性體,則在同樣的應(yīng)力條件下,它可積聚較大的彈性能。但考慮到它一是強(qiáng)度小,易于破壞,難以承受較高的應(yīng)力,二是殘余變形大,因此它能否積聚較大的彈性潛能是有疑問的。松軟煤層易導(dǎo)致突出的主要原因可能在于它抵抗突出的阻力小,且易于釋放瓦斯?jié)撃苤?。四、煤體抗剪性能1.三向應(yīng)力狀態(tài)下,煤的破壞形態(tài)既決定于本身的力學(xué)性質(zhì),也受到有效側(cè)壓的控制。松軟煤體在不很高的有效側(cè)壓下,即可進(jìn)入塑性變形狀態(tài)。2.在瓦斯介質(zhì)中、煤樣強(qiáng)度基本服從σ1-P=A0+A1(σ3-ηP)。在吸附瓦斯后,煤的粘聚力變小,內(nèi)摩擦角基本不變,在σ-τ圖上,表現(xiàn)為莫爾圓平移,使之更接近破壞極限。3.煤吸附瓦斯后強(qiáng)度降低,這是游離瓦斯和吸附瓦斯共同作用的結(jié)果。游離瓦斯使剪切面兩側(cè)固體接觸部分的正應(yīng)力減小,吸附瓦斯使煤粒子間的作用力減弱,破壞時所需的表面能減小。4.煤樣在破壞前的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系基本符合,其彈模是有效側(cè)壓的函數(shù)。5.煤的殘余變形取決于煤本身的力學(xué)性質(zhì)。松軟煤體有較大的殘余變形,在計算其彈性潛能時,應(yīng)考慮到殘余變形的影響。6.熱壓型煤具有較高的強(qiáng)度與彈模,是一種有發(fā)