两种含瓦斯煤样变形特性与抗压强度的实验分析3359118282

第28卷第2期岩石力学与工程学报Vol.28No.22009年2月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringFeb.，2009收稿日期：2008–09–05；修回日期：2008–10–29基金项目：国家自然科学基金资助项目(50874124)；国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2005CB221502)；国家自然科学基金重点项目(50534080)；重庆市自然科学基金计划重点项目(2008BA6028)作者简介：尹光志(1962–)，男，博士，1982年毕业于重庆大学采矿工程系，现任教授、博士生导师，主要从事矿业工程与岩石力学等方面的教学与研究工作。E-mail：[e-mail]两种含瓦斯煤样变形特性与抗压强度的实验分析尹光志1，2，王登科1，张东明1，2，王维忠1，2(1.重庆大学资源及环境科学学院，重庆400044；2.重庆大学西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室，重庆400044)摘要：介绍型煤煤样和原煤煤样的制作过程，设计含瓦斯煤样的三轴实验方法和步骤。利用自行研制的三轴蠕变瓦斯渗流装置和材料实验机组成含瓦斯煤样三轴压缩实验装置，对型煤煤样和原煤煤样进行含瓦斯三轴实验，获得大量不同围压和不同瓦斯压力条件下的实验数据；根据实验结果系统地研究含瓦斯煤样两种煤样在三轴应力条件下的变形特性和抗压强度。研究结果表明，围压和瓦斯压力对含瓦斯煤样的变形特性和抗压强度都有一定程度的影响；型煤煤样和原煤煤样的变形特性和抗压强度具有规律上的共性，但是其力学参数存在显著差异；弹性模量和泊松比在含瓦斯煤样的变形过程中不是定值，而是动态变化的，且2种煤样的弹性模量差别很大，泊松比也不相等；相同载荷条件下型煤煤样的变形比原煤煤样的要大得多，其形状改变也比原煤煤样的大。研究结果对进一步认识含瓦斯煤样的力学性质具有一定的意义。关键词：采矿工程；含瓦斯煤样；三轴实验；变形特性；抗压强度；瓦斯压力中图分类号：TD163；TU45文献标识码：A文章编号：1000–6915(2009)02–0410–08TESTANALYSISOFDEFORMATIONCHARACTERISTICSANDCOMPRESSIVESTRENGTHSOFTWOTYPESOFCOALSPECIMENSCONTAININGGASYINGuangzhi1，2，WANGDengke1，ZHANGDongming1，2，WANGWeizhong1，2(1.CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences，ChongqingUniversity，Chongqing400044，China；2.KeyLaboratoryfortheExploitationofSouthwestResourcesandtheEnvironmentalDisasterControlEngineering，MinistryofEducation，ChongqingUniversity，Chongqing400044，China)Abstract：Amanufacturingprocessofcoalbriquettespecimen(CBS)andrawcoalspecimen(RCS)isintroduced；andthenthemethodandstepsoftriaxialtestforcoalspecimenscontaininggas(CSCG)aredesigned.Bymeansoftriaxialcompressiveexperimentalapparatuscomposedofaself-developedtriaxialcreepgas-seepagedeviceandamaterialtestingmachine，thetestsofCSCGareperformedonCBSandRCSandalargenumberoftestdataunderdifferentconfiningpressuresandgaspressureconditionsareobtained；andthedeformationcharacteristicsandcompressivestrengthofthetwokindsofCSCGsaremainlyinvestigatedintriaxialstressconditionsbasedontheexperimentalresults.TheresultsshowthattheconfiningpressureandgaspressurehaveacertainextenteffectonthedeformationcharacteristicsandcompressivestrengthofCSCG.TheCBSandRCShaveacommonnesstosomeextentindeformationcharacteristicsandcompressivestrength，buttherearedistinctdifferencesbetweenthemechanicalparametersofthetwokindsofcoalspecimens.TheelasticmodulusandPoisson′sratioarenotconstantbutvariableduringthedistortingofCSCG；andtheelasticmoduliofthetwotypesofCSCGsareverydifferentandtheirPoisson′sratiosarealsonotequalactually；thedeformationofCBSismuchlargerthanthatof第28卷第2期尹光志，等.两种含瓦斯煤样变形特性与抗压强度的实验分析•411•RCSunderasameloadingcondition，andinaddition，theshapechangeofCBSisalsolargerthanthatofRCS.Theresultshaveareferencevaluableforfurtherexploringthemechanicalpropertiesofcoalcontaininggasinfuture.Keywords：miningengineering；coalspecimencontaininggas；triaxialtest；deformationcharacteristics；compressivestrength；gaspressure1引言煤与瓦斯突出机制的研究[1～3]表明，煤与瓦斯突出是地应力、瓦斯压力及瓦斯与煤岩相互作用所体现出来的物理力学性质三者综合因素的结果。所以，深入研究含瓦斯煤岩的力学性质对认识煤与瓦斯突出机制具有十分重要的理论意义和实用价值。在具体的研究过程中，有些学者[4～6]利用型煤煤样来研究含瓦斯煤岩的力学性质，有些学者[7，8]则是利用原煤煤样进行研究。型煤煤样可以在实验室内利用成型模具进行制作，而原煤煤样则要将从现场取回来的原始煤块在实验室内进行再加工，以制备成适于实验室用的标准煤样。因此，型煤煤样的获取相对原煤煤样来说要容易得多。型煤煤样与原煤煤样实验结果之间的差别到底有多大是一个值得探讨的问题。采用含瓦斯煤样三轴压缩实验装置，本文分别对型煤煤样和原煤煤样在充瓦斯气体条件下进行了大量的围压三轴实验，着重研究这2种煤样在不同载荷条件下的变形特性和抗压强度，为进一步研究含瓦斯煤岩的力学性质打好基础。2实验装置含瓦斯煤样三轴压缩试验装置由加载系统、测量系统和瓦斯气体供给系统组成。加载系统由材料试验机和三轴压力室组成，测量系统由位移传感器和动态应变仪组成，瓦斯气体供给系统由高压瓦斯罐和减压阀组成。含瓦斯煤样实验系统如图1所示。在实验过程中，煤样所受的轴向压力由伺服材料试验机提供；围压的施加则利用液压油泵通过三轴压力室来实现；瓦斯气体从高压瓦斯罐出来，经减压阀、三轴压力室、紫铜管和煤样的上部压头进入煤样内部，瓦斯压力大小由减压阀控制；煤样的轴向变形由材料试验机的位移传感器和轴向应变片来测量，环向变形的测量则通过横向应变片来实现。1—实验机压头；2—煤样上部压头；3—三轴压力室；4—液压油缸；5—液压油泵；6—动态应变仪；7—高压瓦斯罐；8—减压阀；9—气压表；10—流量计(a)实验系统图1—煤样上部压头；2—筒体；3—液压室；4—密封圈；5—煤样下部压头；6—紫铜管；7—金属箍；8—透气孔；9—热缩管；10—煤样；11—导线；12—导线接头及出口；13—瓦斯入口；14—瓦斯出口；15—液压油入口；16—液压油出口；17—气孔(b)三轴压力室内部结构图图1含瓦斯煤样实验系统示意图Fig.1Schematicdiagramoftestsystemofcoalspecimenscontaininggas3实验方法3.1煤样的制备本文用来制作煤样的原始煤块均取自重庆松藻矿区打通一矿8号煤层。(1)型煤煤样的制备在型煤煤样的制作过程中，将所取原始煤块用粉碎机粉碎，取40～80目的煤粉颗粒，然后将这些•412•岩石力学与工程学报2009年筛选出来的煤粉与少量纯净水和均匀后置于成型模具中在200t刚性试验机上以100MPa的压力压制成φ50mm×100mm的标准煤样。昀后将制作好的型煤煤样烘干后置于干燥箱内以备实验时用。(2)原煤煤样的制备要成功制作出φ50mm×100mm的标准原煤煤样难度较大，原因是处于地层中的原始煤层经地质构造(如断层、褶皱及节理等)切割后，往往变得很破碎。因此在制作原煤煤样时不但需要特别可行的方法，而且需要非常小心，这样才能制作出满足实验要求的标准煤样。本文所用的原煤煤样的制作方法是：将从现场取来的原始煤块用塑料薄膜密封好置于大小适当的木箱内，然后用细骨科骨料混凝土进行浇灌，以填满煤块与木箱之间的间隙，待混凝土硬化完全后再用取芯机进行取芯。昀后利用磨床将取出的煤芯小心仔细地打磨成φ50mm×100mm的原煤煤样，并将之置于烘箱内烘干，再用干燥箱存放，以备实验之用。制作好的煤样如图2所示。从制作过程来看，型煤煤样的制作显然要容易得多，原煤煤样的成功率只有不到20%，而型煤煤样的成功率则可以达到100%。同时也可以看出，型煤煤样基本上是一种均匀的各向同性介质；原煤煤样中由于存在纵横交错的原始裂隙、裂纹及孔洞(如图2(b)所示)，严格意义上说并不属于均匀各向同性介质。(a)制作好的型煤煤样(b)制作好的原煤煤样图2制作好的实验煤样Fig.2Coalspecimenspreparedfortests3.2实验过程实验过程包括以下几个基本步骤：(1)贴应变片+焊接漆包丝+初次抹胶。取制备好的煤样，将要贴应变片的煤样侧面用75%的酒精清洗干净，之后用502胶水将应变片贴好，并确保应变片跟煤样表面接触紧密。为保证能采集到应变数据，在煤样侧面对称贴两组应变片，每组中轴向和环向各一片，一个煤样共贴4片。焊接好漆包丝和应变片后，用胶布把漆包丝固定在煤样表面，以防脱落。昀后用704硅橡胶将煤样侧面抹一层1mm左右的胶层。(2)安装热缩管+再次抹胶。待初次抹上的胶层干透后，将煤样小心地放置于三轴压力室的煤样下部压头上，再用一段140mm左右的热缩管包住煤样，安装好上部压头，并用电吹风将热缩管均匀吹紧，保证热缩管与煤样侧面接触紧密。然后用2个金属箍将上下两端的热缩管分别紧紧箍在上下2个压头上，昀后用704硅橡胶密封好热缩管两端的缝隙，连接好漆包丝与外部导线，待硅橡胶干透后便可开始下一步的实验。(3)装机+开始实验。以上2步完成以后，安装好三轴压力室，拧紧螺丝，并将之嫁接到伺服材料试验机上。连接好动态应变仪、瓦斯通道和流量计，启动液压油泵开始加压，待围压稳定后，打开减压阀往煤样中通入瓦斯气体，待到瓦斯吸附平衡后，便可开始做实验。4含瓦斯煤样变形特性分析根据实验结果，恒定瓦