多级围压变应力下限循环加卸载煤体冲击倾向性特征研究.pdf
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1、10754(10):107-116.confining pressure variable stress lower limit cyclic loading and unloadingJ.Safety in Coal Mines,2023,移动扫码阅读ZHANG Chuanjjiu,DUTaotao,RENJianhui,etal.Study onbump-pertyof coal under multi-stage-prone.煤矿107-116多级围压变应力下限循环加卸载煤体冲倾向性特征研究张传玖,杜涛涛,任建慧,等SafetyinCoalMinesOct.20232023年10 月煤防
2、发全Vo1.54No.10第10 期第54 卷DOI:10.13347/ki.mkaq.2023.10.015多级围压变应力下限循环加卸载煤体冲击倾向性特征研究张传玖,杜涛涛?,任建慧,李宣良1(1.国能神东煤炭集团有限责任公司布尔台煤矿,内蒙古鄂尔多斯0 17 2 0 9;2.中煤科工开采研究院有限公司,北京10 0 0 13)摘要:围压作用下煤体冲击倾向性研究对于探明地下深部矿井中煤体冲击地压形成机理起着关键作用。为了探究不同围压作用对煤体冲击倾向性的影响,对煤体进行了多级围压下不同应力下限循环加卸载。结果表明:在3、6、9 MPa围压环境下变应力下限循环加卸载作用后煤试件抗压强度分别增加
3、了3.1%、4.7%、6.2%,最后一级循环加卸载过程中轴向应变分别增加了0.6 1%、0.42%、0.2 8%,体积应变分别增长了0.32%、0.2 4%、0.17%,表明煤体受到的围压越大对煤体变形约束越强;随着围压的提高,声发射事件累积数量逐渐降低,峰后声发射累积数量不断降低,累积能量同样逐步降低,表明随着围压的升高,煤试件变得更加致密,破坏形式逐渐由脆性破坏过渡到韧性破坏;经过3、6、9 MPa围压作用,输入能U与弹性应变能U不断升高,较之常压条件下煤试件剩余弹性能指数CeF分别提高了2 1.7 6%、4 2.9 2%、7 1.6 9%,说明围压对煤体冲击倾向性具有增强作用,且剩余弹性
4、能指数Cer与围压3具有线性函数关系。关键词:煤体;围压;冲击倾向性;循环加卸载;剩余弹性能指数中图分类号:TD324+.1文献标志码:A文章编号:10 0 3-4 9 6 X(2023)10-0107-10Study on bump-prone property of coal under multi-stage confining pressurevariable stress lower limit cyclic loading and unloadingZHANG Chuanjiu,DU Taotao,REN Jianhui,LI Xuanliang(1.Buertai Coal Mi
5、ne,China Energy Shendong Coal Group Co.,Ltd.,Ordos 017209,China;2.China Coal Technology and Engineering Group Coal Mining Research Institute,Beijing 100013,China)Abstract:The study of coal bump-prone property under confining pressure plays a key role in exploring the formation mechanism ofcoal burst
6、 in deep underground mines.In order to explore the influence of different confining pressures on bump-prone property ofcoal,this paper carried out cyclic loading and unloading of coal with different stress lower limits under multistage confining pres-sures.The test results show that:under the confin
7、ing pressure environment of 3 MPa,6 MPa and 9 MPa,the compressive strength ofcoal specimens increased by 3.1%,4.7%and 6.2%respectively after cyclic loading and unloading,and the axial strain increased by0.61%,0.42%and 0.28%respectively in the last stage of cyclic loading and unloading.The volumetric
8、 strain increases by 0.32%,0.24%and 0.17%,respectively,indicating that the larger the confining pressure is,the stronger the deformation constraint is.Withthe increase of confining pressure,the cumulative number of AE events gradually decreases,the cumulative number of AE after peakcontinuously decr
9、eases,and the cumulative energy also gradually decreases,indicating that with the increase of confining pressure,收稿日期:2 0 2 2-10-2 1基金项目:山西省科学技术厅青年科技研究基金资助项目(2 0 19 0 1D211004);山西省应用基础研究计划资助项目(2 0 2 10 30 2 12 4 4 4 0)作者简介:张传玖(19 8 3一),男,四川达州人,工程师,硕士,主要从事矿山压力与岩层控制以及煤矿安全生产现场管理工作。E-mail:108Safety in C
10、oal Mines2023年10 月Oct.2023No.10Vol.54煤防岁全第54 卷第10 期the coal specimen becomes more compact,and the failure mode gradually transitions from brittle failure to ductile failure.In addi-tion,after the confining pressures of 3 MPa,6 MPa and 9 MPa,the input energy U and elastic strain energy Ug increase co
11、ntinu-ously.Compared with the normal pressure condition,the residual elastic energy index(Cer)of coal specimens is increased by21.76%,42.92%and 71.69%,respectively,indicating that confining pressure has an enhanced effect on the bursting tendency ofcoal,and the residual elastic energy index(Cer)has
12、a linear function relationship with confining pressure o3.Key words:coal;confining pressure;bump-prone property;cyclic loading and unloading;index of residual elastic energy冲击地压作为影响最为严重的煤岩动力灾害之一,是地下煤炭开采过程中,由于巷道与采场周围煤岩体内积聚的变形能突然得到释放而产生急剧、猛烈破坏的动力现象。随着我国地下煤炭资源开采工艺、设备、专业人才队伍等方面的稳步提升,大中型矿井智能工作面、快速掘进体系持续推
13、进发展,同时现阶段国内对于煤炭需求量的有增无减,这都将促使煤炭资源的开发逐步朝着地下深部迈进,深部地下环境与浅部相比呈现出“三高一扰动”这一新的围岩地质特征 2 ;随着采掘深度的增加,矿井冲击地压发生概率、强度以及影响范围将不断增加 3。而其中采场或巷道周围煤体是否具有冲击倾向性是该矿井能否发生冲击地压显现的前提 4 ,煤体的冲击倾向性是指煤体受到外界多物理场综合作用下(主要为应力场储存在其内部的能量,达到某一条件时得以释放而产生冲击破坏的能力与固有属性,煤体冲击倾向性越大,冲击地压的破坏强度及影响范围越大。GB/T25217.22010已初步给出了评价煤体冲击倾向性大小的4 种冲击倾向性指数
14、,包含:单轴抗压强度 5、冲击能量指数K,6、弹性能量指数We7、动态破坏时间D.8;在此基础上,诸多学者后续进一步引入多种影响因素,又提出了十几种煤体冲击倾向性评价指标,例如:剩余弹性能指数Ce9、冲击能速度指数WsT10、模量指数K,等。以上各冲击倾向性指标一般仅是通过常温常压条件下单轴压缩试验确定的,然而在深部地质环境中,同时受采动影响条件下煤体将表现出新的力学特性。郝宪杰等 12 研究了围压条件下煤体剪切破坏特征;程春晖等 13 对煤体开展了不同三轴围压下的动态压缩实验研究;王向宇等14 通过实验探究了三轴循环加卸载条件下煤体损伤的能量演化规律;YANG等 15 对煤体开展了不同围压条
15、件下断裂行为特性实验研究;而关于深部应力环境循环加卸载作用下煤体冲击倾向性研究相关报道较为少见。为此,对不同围压条件下煤试件进行了不同应力下限循环加卸载试验,辅以声发射系统以监测不同条件试验过程中煤试件损伤破坏特征,对不同条件作用下煤样的冲击倾向性进行分析比较;旨在探明多次采动条件下深部煤体冲击倾向特性。1试验概况1.1样本制备研究所用煤体样本取自内蒙古鄂尔多斯南部地区布尔台煤矿约4 2 0 m埋深位置,在井下取得原始新鲜煤体样本的同时,用保鲜膜将其紧紧包裹以减少外界环境的影响,并立即送往实验室对其进行加工处理以进行后续试验。根据国际岩石力学学会的标准,将煤体样本制成直径50 mm、高10 0
16、 mm的圆柱体试件。所有样品的长度误差均小于2 mm,抛光后两端面的不平整度在0.0 5mm以内;端面与轴线垂直,最大偏差0.2 5。为尽可能减少样品不均匀性对实验结果的影响,所有样品均取自同一岩块,取心方向相同。该煤样为不黏煤,经过工业分析该煤样成分如下:镜质组反射率0.8 7%,灰分8.8 9%,平均含水率0.8 3%,挥发分30.37%1.2试验设备采用SAS-2000型岩石静态扰动三轴压力试验系统进行相关实验。该试验系统由控制模块、加卸载模块和数据采集模块组成,可对试样施加最大轴向载荷2 0 0 0 kN,最大围压16 0 MPa。其压力传感器的精度为0.0 1MPa,分辨率为0.0
17、0 1MPa;加载速率可调控为0.0 0 0 1 1.0 0 0 0 mm/s和0.0051.000kN/s;此外,压力釜腔体内试件轴向应变装置主要由2 个同心和平行等位盘带有2 个测量杆,末端连接到线性可变差动变压器(LVDT)传感器,岩石的轴向变形相当于2 对钢筋的平均变形,变形值实时传回计算机程序进行相应的参数计算;径向应变装置包括测量链和测量杆,测量链通过拉簧直接固定在岩石表面,测量原理与轴向应变测量仪相同;轴向和径向测量装置的精度为0.0 0 1mm,分辨率为0.0 0 0 1mm。轴向和径109Safety in Coal MinesOct.20232023年10 月No.10Vo
18、1.54煤砺发全第10 期第54 卷向有效变形的测量范围均在6 mm以内。试验系统中同时配以PCI-2声发射监测系统,对不同围压条件下煤试件损伤过程进行实时监测1.3试验步骤研究试验分为2 种类型:第1类为不同围压条件下常规煤体压缩试验破坏,第2 类为以上多级围压条件下对煤体进行变应力下限循环加卸载试验。具体试验步骤如下:将围压分别设定为实验室常压、3、6、9 MPa,采用位移控制模式,对以上多级围压条件下煤试件进行加载速率为0.002mm/s的压缩试验,每种条件下煤样进行2组试验,得到了近似静载荷条件下的煤体多级围压下抗压强度;采用加载控制模式,对煤样进行多级围压条件下变应力下限循环加卸载试
19、验,加载速率设定为0.0 8 kN/s,约0.0 4 MPa/s;将初始围压环境同样分别设定为常压、3、6、9 MPa,将4 种围压条件下第1阶段循环加卸载轴向压力与围压差值,即偏应力下限设置为1MPa,应力上下限每增加1级均增加4 MPa,每级进行30 个循环,直至煤试件发生破坏,同时将PCI-2声发射系统前置放大器(声发射探头)布置于试件空间预定位置,以待对以上多级围压环境变应力下限循环加卸载试验过程中煤试件内部损伤过程进行实时监测;对每种条件下煤试件各进行上述2 组循环加卸载试验1.4试验结果不同围压条件下煤试件常规压缩试验结果见表1。表1煤试件不同围压条件下压缩试验结果Table1(C
20、ompression test results of coal specimens underdifferent confining pressures试件抗压强度/平均抗压弹性模量/平均弹性围压/MPa编号MPa强度/MPaGPa模量/GPaC-0-112.011.12常压11.441.02C-0-210.870.92C-3-117.681.64316.521.51C-3-215.361.38C-6-123.242.21621.852.06C-6-220.461.91C-9-128.192.51926.742.42C-9-225.292.33煤试样在实验室常压环境下平均抗压强度为11.44M
21、Pa、平均弹性模量1.0 2 GPa。当围压分别提升至3、6、9 MPa,煤试件平均抗压强度分别为16.52、2 1.8 5、2 6.7 4 MPa,较之常压条件下煤体单轴抗压强度分别提高了4 4.5%、9 1.0%、133.7%;平均弹性模量分别提升至1.51、2.0 6、2.42GPa,较之常压条件下煤体弹性模量分别提高了4 8.0%、10 1.9%、137.3%。2试验结果2.1煤样变应力下限循环加卸载偏应力-应变特征多级围压条件下煤试件偏应力p-轴向应变8 1曲线如图1。21C-0-1试件C-3-1试件18C-6-1 试件C-9-1试件151296300.30.60.91.21.5轴向
22、应变/10-2图1多级围压条件下煤试件偏应力-轴向应变曲线Fig.1 Deviatoric stress-axial strain curves of coalspecimens under multistage confining pressure由图1可知:随着围压不断增加,煤试件抗压强度显著提高。可以观察到在受到初期较应力时,4 种p-8i曲线均呈现出了下凹形式,该过程中轴向应变增量随着偏应力的增加而减小,这是由于煤体中的微裂缝在轴向载荷作用下发生闭合 16-17 ,对应于煤试件的压实阶段;同时随着围压的提高,该压实阶段范围不断缩小,表明煤体原生微裂缝在初始围压作用下发生了前期闭合。随着
23、对煤试件进一步地施加轴向载荷,偏应力随轴向应变呈线性变化,表明该阶段煤试件发生弹性变形。轴向荷载上升到一定阶段时,偏应力随着轴向应变的增加而减小,在此期间煤试件发生屈服后进入塑性阶段,很快达到峰值应力,煤试件发生破坏。由于围压的作用影响,煤试件破坏后进人峰后应力软化阶段。煤试件试样的偏应力-侧应变曲线的变化趋势与偏应力-轴向应变曲线的变化趋势一致。多级围压条件下变应力下限煤试件循环加卸载偏应力-轴向应变曲线如图2。由图2 可以看出:在三轴变应力下限循环加110Safety in Coal Mines2023年10 月Oct.2023第54 卷第10 期No.10煤砺发全Vol.541414C-
24、0-3试件一C-3-3试件121210108866442200.30.60.91.21.500.30.60.91.21.5轴向应变/10-2轴向应变/10-2(a)常压(b)3MPa围压17.521.015.0C-6-3 试件18.0C-9-3试件12.515.010.012.07.59.05.06.02.53.000.30.60.91.21.500.30.60.91.21.5轴向应变/10-2轴向应变/10-2(c)6 MPa围压(d)6MPa围压图2 多多级围压条件下变应力下煤试件限循环加卸载偏应力-轴向应变曲线Fig.2The Op-&curves of coal specimens u
25、nder multi-stage confining pressure variable stress lower limitcyclic loading and unloading卸载条件下得到的偏应力-应变曲线的整体变化趋势与常规三轴压缩试验得到的曲线在相同围压下的变化趋势基本一致。在第1阶段循环加卸载(较低应力水平),由于偏应力的反复增减,煤样中的原生孔隙和裂缝逐渐压实,因此4 种偏应力-应变曲线在第1阶段循环加卸载中均呈下凹形,随着循环次数的增加,第1阶段滞回曲线的面积逐渐缩小。完成第1阶段循环加卸载后,随着应力水平下限的提高,多级围压下煤试件开始进入弹性阶段,在该阶段中,偏应力-应变
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