用短棒试件测试无烟煤准静态断裂韧度试验研究

第25卷增2岩石力学与工程学报Vol.25Supp.22006年10月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringOct.，2006收稿日期：2006–04–26；修回日期：2006–05–26基金项目：国家自然科学基金资助项目(50374070)作者简介：高文蛟(1967–)，男，1991年毕业于北京科技大学采矿工程专业，现为博士研究生、高级工程师，主要从事岩石动力学方面的研究工作。E-mail：[e-mail]用短棒试件测试无烟煤准静态断裂韧度试验研究高文蛟，单仁亮，朱永，程先峰，李凯(中国矿业大学土木工程系，北京100083)摘要：根据国际岩石力学学会建议采用的岩石断裂韧度测定方法，用短棒试件在Instron1342型电液伺服控制材料试验机上测定了无烟煤准静态I型断裂韧度，其断裂韧度值在位移速率较低时提高较大，但随位移速率的提高有逐渐趋于稳定的趋势。从载荷-COD曲线图中分析了无烟煤断裂时，载荷出现跳动的原因，根据载荷跳动情况可以确定三角形韧带开始起裂时间。根据计算结果得出：试件加工几何上的误差对无烟煤断裂韧度值影响不大，造成的误差昀大只有2.4%；但对弹性模量值的影响较大，造成昀大的误差达到13.3%，同时用图解法得到了无烟煤的非线性度大于0.4。关键词：岩石力学；断裂韧度；无烟煤；短棒试件；非线性度；图解法中图分类号：TU45文献标识码：A文章编号：1000–6915(2006)增2–3919–08DETERMININGQUASI-STATICFRACTURETOUGHNESSOFANTHRACITEUSINGSHORTRODSPECIMENGAOWenjiao，SHANRenliang，ZHUYong，CHENGXianfeng，LIKai(DepartmentofCivilEngineering，ChinaUniversityofMiningandTechnology，Beijing100083，China)Abstract：WithreferencetothemethodsuggestedbyISRMfordeterminingthefracturetoughnessofrock，quasi-staticfracturetoughnessofanthracitehasbeenmeasuredontheInstron1342electro-hydraulicservocontrollingmaterialtestingmachineforthefirsttimeusingshortrodspecimens.Thefracturetoughnessvalueincreasesfastwhendisplacementrateislower，buttrendstobesteadywhentherateishigher.ThereasonforloadjumpwhenspecimenisfracturedhasbeenanalyzedonthebasisofP-CODcurves，andthetimewhenthetriangularligamentstartsfracturingcanbeknownaccordingtoloadjump.Theresultindicatesthattheinfluenceofgeometricalerroronthefracturetoughnessvaluesofanthraciteissmallandtheerrorislessthan2.4%；buttheinfluenceofgeometricalerrorontheelasticmodulusislargeandtheerrorreachesto13.3%.Meanwhile，thedegreeofnon-linearityofanthracitehasbeenevaluatedaccordingtothegraphicalconstructionmethod，anditislargerthan0.4.Keywords：rockmechanics；fracturetoughness；anthracite；shortrodspecimen；degreeofnonlinearity；graphicalconstructionmethod1引言随着断裂力学的发展和完善，其在工程领域中的应用也越来越广。对于工程岩石力学来说，断裂力学在硐室、隧道、边坡及其岩石类工程构筑物的稳定性分析、设计和岩石破碎过程(如钻孔、爆破、隧道掘进、岩石切割与粉碎)中，对其力学行为的研究变得越来越重要了，国内外学者在这方面进行了大量的研究与探讨。作为岩石材料基本参数断裂韧·3920·岩石力学与工程学报2006年度的测试也是学者们研究的热点[1～7]，然而与对岩石断裂的研究相比，有关煤断裂，特别是无烟煤断裂韧度测试方面的研究却鲜见报道，造成这种局面可能与煤这种地质材料的复杂性及其应用范围比较狭窄有关。但是，展开煤体断裂力学特性的研究，有助于煤巷支护、煤支柱大小的设计、刀具的选取、丰富岩石断裂力学的研究内容，特别是提高无烟煤块率等方面均具有极其重要的理论意义和应用价值。无烟煤是重要的化工原料和工业燃料，除发电、水泥和高炉喷吹等燃烧使用末煤外，大多数用户都希望使用块煤，特别是化工造气行业，在气化过程中，块煤操作简便，产气率高。因此，在化工、冶金等行业对无烟煤的粒度要求很严格，主要使用粒径在13mm以上的无烟块煤[8]。对无烟煤生产企业来讲，块煤比末煤具有更大的经济效益，提高块煤率不失为提高经济效益的极好途径[9]。无烟煤在综合机械化开采和储运的过程中，煤体或煤块均会受到外界载荷的作用，它们的应变率大多在(10－2～1)/s的范围之内，均属于准静态作用。另外，无烟煤煤体或煤块在外界载荷作用下，特别是在采煤工作面上，破煤时所提供的能量，一般均会超过煤破裂所需要的能量，因此，使所采下的煤块在其体内很容易形成“过剩能量”的情况，产生过度的损伤，所以一些看来很好的块煤，在下一个工序中极易破裂，造成块率损失。针对这些情况，本文对无烟煤这种特殊的非晶结构材料进行断裂特性研究，寻找昀大限度的利用煤层中天然含块率的生产、运输、储藏方法，才是解决提高无烟煤块煤产出率问题的有效途径。2试样的采集与制备2.1试样采集由于煤是一种强度较低的多孔介质，且层理、节理裂隙、微小孔洞非常丰富，这些层理、节理裂隙和微孔洞的存在严重影响煤的物理力学性能。煤中孔隙的多少以及层理、节理裂隙的结构状态变化，将导致煤的脆性、坚固性、机械加工性能和物理力学特性的改变，具有各向异性的特点。本文对无烟煤进行准静态的物理力学试验，其主要目的是为了了解无烟煤的力学性质，将试验结果用于煤巷支护设计、提高无烟煤块率上，能直接指导无烟煤的生产和煤机具的设计上。因此，在进行无烟煤的力学试验时，为了使所使用的试验试样具有结构的相似性和煤体性质的一致性，试验样本在现场采集、制备、保存等方面也有具体要求。试验所采矿样是我国无烟煤生产基地阳泉矿务局三矿提供的一块约400kg重的比较完整的大块，所取试样的方向为大块煤样的同一方向，尽量避免因煤的各向异性造成试验结果的差异，确保试验试件的结构和力学特性的相似性。取出的煤芯马上用保鲜膜及胶带密封保水，尽量保持原有的含水状态。断裂韧度试验的煤芯直径为φ75mm；抗拉、抗压及三轴试验的煤芯直径为φ50mm。大块样品及试验前所取的煤芯试样如图1所示。本样品是用人力采取，避免了用爆破的方法产生的爆炸应力波对所采煤样原始结构的破坏，所取的煤样尽量满足了其自然结构的相似性。试样实测的物理力学参数如表1所示。(a)取芯前大块煤样(b)断裂韧度试验φ75mm芯样(c)抗拉、抗压、三轴试验φ50mm芯样图1大块样品及试验前所取的煤芯试样Fig.1Largesamplesofanthraciteandthecoresoftheanthracitebeforetesting第25卷增2高文蛟等.用短棒试件测试无烟煤准静态断裂韧度试验研究•3921•表1无烟煤物理力学参数Table1Physico-mechanicalparametersofanthracite密度/(g·cm－3)抗压强度/MPa抗拉强度/MPa弹性模量/GPa泊松比内摩擦角/(°)黏聚力/MPa含水状态1.45018.690.9533.400.20132.850.594自然状态2.2试件制备无烟煤实测物理力学参数和测试断裂韧度的试样都是从一个大块上取出的煤芯，加工成直径φ50和75mm的圆柱试件。测试断裂韧度试件两端面磨平，其垂直度误差严格控制在0.05mm以内。将此圆柱试件按照国际岩石力学学会(ISRM)[10]推荐的V形切口短棒试件的要求加工成断裂试件。裂缝的加工是在带专用夹具的机加工车床上进行，裂缝宽度一般在2.0～2.2mm。其几何形状示意图及加工后试件与尺寸分别如图2和表2所示。(a)建议方法的短棒示意图(b)加工后的试件图2建议方法的短棒试件图Fig.2Shortrodspecimenwithsuggestedmethod3断裂韧度测试3.1试验系统试验是在中南大学现代分析测试中心Instron1342型电液伺服控制材料试验机上进行，其机架刚表2短棒试件尺寸要求及所取尺寸Table2SRspecimendimensionsoftheIRSMsuggestedmethods项目试件直径D试件长度WV形切口角度θ/(°)V形切口尖端位置a0V形切口长度(a1－a0)切缝宽度t尺寸要求＞10×颗粒尺寸1.45D54.60.48D0.97D≤0.03D或1mm允许误差±0.02D±1.0±0.02D±0.02D所取尺寸75mm110mm5436mm72mm2.0～2.2mm度为：5×109N/m，试验结果由计算机采集，采样频率为：10～2000Hz，数字控制塔是InstronFasttrack8800系统，COD引伸计的量程为2mm，控制软件是Instron公司配置wavemaker软件，试验装置如图3所示。董毓利等[11]的研究结果表明：试验机刚度和加载控制方式及速率是影响应力–应变全过程的重要因素，尤其对下降段的影响更为明显。该套试验系统刚度是满足要求的，而加载一般要求为等应变速率。图4为试验时的位移–时间关系曲线，说明其符合等应变速率的要求。(a)试验机及其控制系统(b)试件与试验机的连接部分图3试验装置系统Fig.3Experimentalset-up单位：mm·3922·岩石力学与工程学报2006年T/s图4位移–时间关系曲线Fig.4Displacement-timecurve3.2试验测试试验时以控制位移的方式进行加载。为了认识无烟煤在准静载荷作用下断裂韧度的变化规律，进行了1，10和500mm/min三种速率的试验。此次试验共用10个试样，分成3组，每组3～4个试件。第1组所用加卸载位移速率为1mm/min，共4个试件，其中第1个试件以一次加载进行，其余3个和10mm/min速率试验的3个试件均用ISRM方法中水平II方式进行循环加载试验。500mm/min速率的3个试件，由于试验系统的限制，只能采用水平I方式进行。试验前，先对位移(COD位移)测量装置夹齿位移计进行了线形检查。试验时将试件及夹齿位移计安放到试验机上后，对载荷传感器及位移计进行标定。由于无烟煤的强度较低，试验时试验机中心位移很难调至零位点，有时调得过紧容易使试件产生预应力，使测试结果不准；调得过松使测试时前期的载荷加不上，造成试验曲线后移现象。试验后试件断裂断口如图5所示。图5试件断裂后断口Fig.5Fracturedanthraciticspecimen采用ISRM方法中水平II方式进行加载的试验所得曲线如图6所示。COD/mm(a)载荷–COD曲线T/s(b)载荷–时间曲线T/s(c)COD–时间曲线图6水平II方式进行加载的试验曲线Fig.6Testingcurvesoflev