煤岩轴向应力恒定卸围压条件下力学参数的研究

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矿业快报　Ｓｅｆｉａｌ　Ｎｏ．４５６　ＥⅪ）Ｉ　ＥＳＳ　ＩＮＦＤＲＭＡＴ１０Ｎ　总第４５６期　Ａｐｒａ．２００６　０Ｆ　ＭＩＮＩＮＧ　ＩＮＤＵＳＴＲＹ　２００７年４月第４期　煤岩轴向应力恒定卸围压条件下力学参数的研究　李永明　陈连城魏胜利　翟新献　（山西大同大学）　（河南理工大学能源工程学院）　摘要：分析了煤岩轴向应力恒定卸围压破坏时极限强度、峰值应变和破坏方式等力学参数，　运用卸载破坏围压差的概念，反应不同初始卸载围压煤岩破坏的难易程度。通过对不同初始卸荷　速率煤岩试件变形破坏力学参数的对比，研究开挖卸荷速率对地下工程的影响。　关键词：煤岩；极限强度；卸载速率；破坏方式　中图分类号：ＴＤ３２３　文献标识码：Ａ　文章编号：１００９．５６８３［２００７｝０４．００２３—０３　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｏｉｌ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　Ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｕｎｌｏａｄｉｎｇ　Ｃｏｎｆｉｎｉｎｇ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｉｎ　Ｃｏｎｓｔａｎｔ　Ａｘｉａｌ　Ｓｔｒｅｓｓ　ｏｆ　Ｃｏａｌ　Ｒｏｃｋ　Ｌｉ　Ｙｏｎｇｍｉｎｇ　（；ｈｅｎ　Ｌｉａｎｃｈｅｎｇ　Ｗｅｉ　Ｓｈｅｎｇｌｉ　Ｚｈａｉ　Ｘｉｎｘｉａｎ２　《　Ｓｈａｎｘｉ　Ｄａｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ；２Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｓｏｕｒｃｅｓ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｎａｎ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ　ａ　ｃｏａｌ　ｒｏｃｋ　ＷＥｔＳ　ｄｅｓｔｒｏｙｅｄ　ｕｎｄｅｒ　ｕｎｌｏａｄｉｎｇ　ｃｏｎｆｉｎｉｎｇ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔａｎｔ　ａｘｉａｌ　ｓｔｒｅｓｓ，ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｌｉｍｉｔ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｐｅａｋ　ｖａｌｕｅ　ｓｔｒａｉｎ　ａｎｄ　ｄｅｓｔｒｏｙｉｎｇ　ｌＴｌｏｄｅ　ｗｅｒｅ　ｎａａｌｙｚｅｄ．Ａ　ｏｃｎｃｅｐｔ　ｏｆ　ｕｎｌａｏｄｉｎｇ　ｄｅｓｔｒｏｙｉｇｎ　ｃｏｎｆｉｎｉｎｇ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　Ｗａｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｓｈｏｗ　ｄｅｓｔｒｏｙｉｎｇ　ｄｅｇｒｅ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｉｎｉｔｉｌａ　ｕｎｌａｏｄｉｎｇ　ｃｏｎｆｉｎｉｎｇ　ｐｒｅｓｓｕｒｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏａｌ　ｒｏｃｋ．Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｎａｄ　ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ａｃｑｕｉｒｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｔｅｓｔｓ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｉｎｉｔｉｌａ　ｕｎｌａｏｄｉｇｎ　ｖｅｌｏｃｉｔｉｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏａｌ　ｒｏｃｋ　Ｗａｓ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｅｘｃａｖａｔｉｎｇ　ｕｎｌａｏｄｉｇｎ　ｖｅｌｃｏｉｔｙ　ｏｎ　ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ｅｎｇｉ－　ｎｅｅｒｉｎｇ　Ｗａｓ　ｓｔｕｄｉｄｅ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｃｏａｌ　ｒｏｃｋ；Ｌｉｍｉｔ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ；Ｕｎｌａｏｄｉｎｇ　ｖｅｌｃｏｉｔｙ；Ｄｅｓｔｒｏｙｉｎｇ　ｍｏｄｅ　１引言　加载试验破坏轴压差的７５％左右，然后保持轴向应　煤矿开采实际上是在卸围压状态下进行的…１。　力不变，降低围压至煤样破坏。图１和图２分别为　由于开挖卸载而导致的岩体破坏现象普遍存在，如　煤岩卸载试验的应力途径和变形破坏的全应力应变　水平层状岩石的裂开，沿已有结构面的错动，地下硐　曲线，表１为煤岩卸载试验相应的力学参数。　室的岩爆等现象。近年来，一些学者针对加载条件　下的岩石试验无法满足卸载条件时岩石工程的需　要，进行了许多侧向卸围压条件的岩石试样的破坏　试验［２２。由于煤岩试件难于加工等原因，目前对煤　］岩在卸荷状态下力学参数的研究相对较少。文中利　用ＲＭＴ－１５０Ｂ大型岩石力学伺服控制系统，进行了　煤岩轴向应力恒定卸围压条件下的试验，分析煤岩　在卸围压状态下的力学参数。　２卸载试验应力途径和力学参数　２．１煤样卸载试验途径　图１煤岩卸载试验应力途径　煤岩轴向应力恒定卸围压试验采用力法控制加　２．２卸载破坏围压差的定义　载过程，试验过程为：将煤样试件加载到同一围压下　初始卸载围压不同，煤样破坏的难易程度也不　同。定义卸载破坏围压差，反应卸载试验不同初始　李永明（１９７９一），男，山西应县人，硕士，讲师，０３７００３河南省焦　围压煤样破坏的难易程度，其值为：　作市。　维普资讯 http://www.cqvip.com 总第４５６期　矿业快报　２００７年４月第４期　／ｘａ３　０＂３０—０＂３１．　厂　—、　＼２ｓ　１５　Ｉ　　＿／　～、、　Ｌ　图２煤岩卸载试验全应力应变曲线　（曲线上的数字为围压，ＭＰａ）　表１煤样轴向应力恒定时卸围压试验力学参数　骥试件　直径倩度　初始　破坏　编号　ｍ直径／倩度　ｍ　围压　／ＭＰ∞围压　ａ　鹱筢嚣　蛩　／（Ｍ臻　埋Ｐ孕ａ　／ＭＰａ　…　】…“　ａ／ｓ）４９．６０／９９．２Ｏ　５．０　０　２１．２２　２６．２２　０．１　＾２　４９．６２／１０２．１　１０．０　３．３５　３７．１０　４７．１０　０．１　Ａ３　４９．５２／９５．２６　１５．０　４．２８　４１．８０　５６．８０　０．１　凡４９．５０／８６．９２　２Ｏ．０　１６．７８　４１．８８　６１．８８　０．１　４９．５４／１０１．２　２５．０　２１．２０　５４．６０　７９．６ｏ　０．１　Ｂ　４９．６ｏ／９８．４０　５．０　４．５０　１８．２４　２３．２４　０．５　４９．５０／９９．１４　１５．０　７．２３　４３．５２　５８．５２　０．５　显然，／Ｘ０＂　越大，表明煤样相对越难破坏。卸　载破坏围压差Ａ０＂　与初始卸载围压０＂３０之间的关系　见图３。从图３中可知，当围压低于１５ＭＰａ时，随着　围压的增加，卸载破坏围压差逐渐增加，１０ＭＰａ和　１５ＭＰａ卸载破坏围压差比５　ａ时分别增加了　３３％和１１４．４％；当初始卸荷围压为２０ＭＰａ和　２５ＭＰａ时，卸载破坏围压差分别低于５ＭＰａ时　３５．６％和２４％ＭＰａ，这表明煤岩高围压下卸荷更容　易发生破坏。对深部工程而言，由于巷道初始围压　较大，因此适当增加支护，减小轴压差，可以减轻巷　道围岩变形破坏的程度，从而保证巷道在回采期间　的正常使用。　ｏ３１／ＭＰａ　图３卸载围压差与初始卸载围压之间关系　２．３卸荷速率对煤岩破坏的影响　为研究开挖卸荷速率对地下工程的影响，进行　了不同初始卸荷速率煤岩试件破坏的试验。由图３　可知，初始卸荷围压为５ＭＰａ时，较小和较大速率卸　荷时的卸载破坏围压差分别为５ＭＰａ和０．５ＭＰａ；初　２４　始围压１５ＭＰａ时，卸载破坏围压差分别为１０．７ＭＰａ　和７．８ＭＰａ。因此可以表明以较大速率卸载时煤岩　更容易发生破坏。对工程实际而言，开挖卸荷速率　及开挖量对岩体的稳定性有较大的影响，减小或减　缓对围岩的扰动，可以减小巷道围岩的变形破坏程　度。　３卸载试验应力参数分析　３．１卸载试验煤样极限强度和强度准则　从表１中可以得出，随着卸载初始围压的增加，　煤岩卸载试验的极限强度也不断增加。将煤岩卸载　试验破坏时的力学参数绘制成莫尔应力圆，并与同　一围压下煤岩加载试验的强度准则进行对比，煤样　卸载破坏时的内摩擦角　较小，内聚力Ｃ较大，说　明卸载试验过程中，煤样更容易发生破坏，见图４。　图４加、卸载试验煤样破坏的库仑一莫尔准则对比　３．２轴压差与峰值应变的关系　卸荷应力状态实质上相当于在原来应力状态下　叠加了一个侧向的拉应力，试样表面极易产生平行　于　．方向的张裂纹。这种张裂纹的出现，使试样表　面的应力有所释放，并向内部调整转移。同时，裂纹　也随之向内部发展。但这一过程的发生并未导致试　样的整体破坏，在宏观上即表现为试样明显的侧向　扩容　５。分析煤岩卸围压试验轴压差与破坏应变　之间的关系，见图５。　￡／ｌ０　图５卸载试验轴压差与峰值应之间的关系　（曲线上的数字为初始卸载围压。ＭＰａ）　从图５中可知，随着轴压差的增加，煤岩卸围压　试验破坏时的应变也在不断增加。在初始围压　５ＭＰａ时，卸载试验煤岩的破坏应变最低。１０ＭＰａ　和１５ＭＰａ卸载试验煤岩破坏的应变仅相差５．４％；　当初始围压为２０ＭＰａ和２５ＭＰａ时，煤岩卸荷破坏　维普资讯 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李永明　陈连城等：煤岩轴向应力恒定卸围压条件下力学参数的研究　的应变相差不大，由于煤岩试件的不均匀性，２０ＭＰａ　时煤岩的破坏应变比２５ＭＰａ时略高３．７％。　３．３卸载试验煤样破坏方式　从微观试验及破坏机理上看，煤岩在加卸载下　微破裂的产生均是由拉张作用引起的，但随着破坏　的进一步发展，当围压恒定时，常规三轴加载试验煤　样易呈现剪切破坏。从本次试验可知，轴向应力恒　定条件下煤岩常常呈现张剪复合型的破坏特征，见　图６。　２００７年４月第４期　（３）由不同初始卸荷速率时煤岩试件破坏的试　验可知，当以较大速率卸载时，煤样更容易发生破　坏。对工程实际而言，减小或减缓对围岩的扰动，可　以减小巷道围岩的变形破坏程度。　（４）由加、卸载试验莫尔．库仑强度准则对比可　知，卸载试验煤样破坏内摩擦角较小，内聚力较大，　表明卸荷途径下煤样更容易发生破坏。　（５）通过对不同初始卸载围压下，卸载试验轴压　差和峰值应变之间的关系分析可知，随着轴压差的　增加，峰值应变不断增加。初始卸载围压为５ＭＰａ　时，煤岩卸载破坏的峰值应变最小，ＩＯＭＰａ和　１５ＭＰａ的峰值应变基本相同，２０ＭＰａ和２５ＭＰａ时　峰值应变相差无几。　参图６卸载试验煤岩的破坏方式　考文献：　［１］谢和平．矿山岩体力学及工程的研究进展与展望［Ｊ］．中国工程　科学，２００３（３）：３１－－３７，　４主要结论　（１）煤样的强度、破坏方式等与煤岩的结构和受　载方式密切相关。轴向应力保持恒定的卸围压试　验，煤岩多呈现张剪复合型破坏特征。　（２）卸载破坏围压差反应了不同初始卸荷围压、　卸载过程中煤样破坏的相对难易程度。由试验可　知，当初始卸载围压较低时，卸载破坏围压差随着围　压的增加相应增加。高围压　２＝２０ＭＰａ和２５ＭＰａ　时，卸载破坏围压差较小，更容易发生破坏。　［２］哈秋特．加栽岩体力学与卸栽岩体力学［Ｊ］．岩土工程学报，　１９９８，２０（１）：１１４．　［３］　吴　刚，孙钧．卸荷应力状态下裂隙岩体的变形和强度特征　［Ｊ］．岩石力学与工程学报，１９９８（６）：６１５￣６２１．　［４］尤明庆．岩石试样的强度及变形破坏过程［Ｍ］．北京：地质出版　社。２０００．　［５］许东俊，耿乃光．岩体变形和破坏的各种应力途径［Ｊ］．岩土力　学，１９８６，７（２）：１７～２５．　［６］李天斌，王兰生．卸荷应力状态下玄武岩变形破坏特征的试验　研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，１９９３，１２（４）：３２１～３２７．　（收稿日期２００７．０１．０８）　（上接第１９页）品位分布不服从正态分布，故此次对　模型采用距离幂次反比法进行估值。该方法的基础　是任何一点的矿石品位与它周围一定范围内的各点　之间都存在一定的空间相关性：即两者距离之间存　在一定的函数关系。根据矿体的实际情况，确定了　作。构建的矿体模型具有良好的空间闭合结构，可　以使矿山工作人员对矿体的特征有一个比较清楚的　把握。　（２）通过品位模型的建立，可快速得出各种元素　的平均品位和矿石量、金属量，用于辅助矿山进行资　源评估，能指导矿山企业合理高效的利用矿产资源。　参考文献：　矿体走向１０。、倾伏角０。、倾角２。，矿石密度为３．２１　ｔ／ｍ３，根据单元块体积、矿石量、密度及品位之间的　关系，可以求出各种金属量，计算得到的结果见表　２　［１］罗周全，刘晓明等．基于Ｓｕｒｐａｃ的矿床三雏模型构建［Ｊ］．金属　表２平均品位和储量　矿山，２００６，３５８（４）．　［２］伍伟，秦德先等．广西３ｚ／－ｇ田细脉带锌矿体三维矿床数学　鲞　品位（％）金属量／ｔ　兰　０．０３６　７６８　２．１９２　４６８２０　０．０９０　１９２２　２３７１　垒　０．１１１　１９．４２９ｇ／ｔ　４１５　模型［Ｊ］．中国矿业，２００６．　［３］周智勇，陈建宏，周科平．Ｓｕｒｐａｃ　Ｖｉｓｉｏｎ软件在矿床建模中的应　用［Ｊ］．矿业工程，２００４．　［４］陈佩佩，叶勇，张守仁．矿山工程软件ＳｕｒｐａｃＶｉｓｉｏｎ在煤矿中　的应用［Ｊ］．煤炭科学技术，２００２．　［５］秦德先，燕永锋等．矿床数学经济模型［Ｍ］．昆明：云南科技出　版社，２００１．　４结论　（１）通过Ｓｕｒｐａｃ构建的矿体三维模型不但可以　直观的展现矿体的空间形态，而且可以在空间任意　旋转和缩放，能达到良好的仿真效果，实现了动态操　（收稿日期２００６．１２．３１）　２５