呂玉凱,姜耀東,2

(1．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院,北京 100083;2．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083)

不同沖擊傾向性煤樣變形場(chǎng)演化特征

呂玉凱1,姜耀東1,2

(1．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院,北京 100083;2．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083)

煤樣破壞前出現(xiàn)的變形局部化現(xiàn)象,對(duì)研究其失穩(wěn)破壞前兆有重要的意義。選取了沖擊和非沖擊傾向性煤樣進(jìn)行單軸壓縮破壞實(shí)驗(yàn);基于CT掃描,可以預(yù)測(cè)樣品裂隙演化趨勢(shì);通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),沖擊與非沖擊煤樣劈裂破壞前變形局部化帶內(nèi)相對(duì)拉伸和相對(duì)滑動(dòng)分量都是從增大到急劇增大、并最終導(dǎo)致樣品失穩(wěn)破壞;沖擊煤樣的變形局部化出現(xiàn)較突然、更接近破壞的時(shí)刻;沖擊煤樣的變形局部化帶內(nèi)相對(duì)拉伸和相對(duì)滑動(dòng)分量均較非沖擊煤樣變化小數(shù)倍;非沖擊煤樣在微破裂穩(wěn)定發(fā)展階段的變形局部化帶內(nèi)相對(duì)滑動(dòng)表現(xiàn)較沖擊樣品復(fù)雜。

沖擊傾向;煤樣;CT;變形局部化;失穩(wěn)破壞

煤體賦存在特定的地質(zhì)條件下,會(huì)表現(xiàn)出不同的沖擊傾向性,在開(kāi)采擾動(dòng)下易導(dǎo)致強(qiáng)沖擊煤層發(fā)生動(dòng)力失穩(wěn)災(zāi)害。由于其發(fā)生突然,較難獲取其前兆特征,且我國(guó)煤礦該種災(zāi)害呈現(xiàn)逐年增加趨勢(shì),因此對(duì)煤體失穩(wěn)破壞前兆規(guī)律的研究意義重大[1]。

目前有多種獲取煤巖體失穩(wěn)破壞前兆的方法[2-5],變形場(chǎng)是其中一種。不論是工程尺度還是實(shí)驗(yàn)室尺度的煤巖體,在受到外荷載作用下,其失穩(wěn)破壞前均會(huì)出現(xiàn)變形局部化現(xiàn)象,并以此作為其前兆特征;通過(guò)分析煤巖體變形局部化演化特征,可以獲取有斷層構(gòu)造沖擊失穩(wěn)發(fā)生前,斷層位移表現(xiàn)出間隔滑動(dòng)特征[6];而硐室沖擊地壓發(fā)生由于變形局部化帶的拉伸和錯(cuò)動(dòng)共同作用導(dǎo)致[7];單軸剪切破壞實(shí)驗(yàn)中,加載初期的變形局部化帶內(nèi)應(yīng)變基本無(wú)變化,樣品的破壞主要由于變形局部化帶內(nèi)相對(duì)滑動(dòng)應(yīng)變導(dǎo)致[8]。

煤巖體具有非均質(zhì)性,在其內(nèi)部存在著節(jié)理、裂隙和孔洞等。利用數(shù)字圖像處理技術(shù)可以準(zhǔn)確提取CT圖像中巖石的損傷特性[9]。根據(jù)一般意義上裂紋的物理含義,定義了裂紋寬度,借用二值形態(tài)學(xué)骨架提取算法對(duì)裂紋的長(zhǎng)度進(jìn)行了檢出和測(cè)量[10]。采用CT掃描技術(shù),發(fā)現(xiàn)隨著實(shí)驗(yàn)中樣品應(yīng)變的不斷增大,裂隙先壓密后擴(kuò)展;樣品破壞前,裂隙的基本停止擴(kuò)展,而無(wú)裂隙區(qū)的微裂紋擴(kuò)展開(kāi)始活躍,經(jīng)歷了裂紋匯合→貫通→加速擴(kuò)展→迅速?gòu)堥_(kāi)→破壞過(guò)程[11]。

不同沖擊傾向性煤樣,在相同外載荷作用下變形場(chǎng)破壞前如何演化?兩者間有何異同?目前較少有相關(guān)研究,為此文章進(jìn)行了如下研究。

1 CT掃描實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)樣品分別選自大臺(tái)井-10開(kāi)采水平3號(hào)煤層(無(wú)沖擊危險(xiǎn))和唐山煤礦T2193工作面的9號(hào)煤層(中等以上的煤巖沖擊失穩(wěn)危險(xiǎn)傾向)。樣品共加工6塊50 mm×50 mm×50 mm(長(zhǎng)×寬×高)的立方體, 2種煤樣各3塊。在單軸加載實(shí)驗(yàn)前,對(duì)TS-2(唐山煤礦)煤樣進(jìn)行CT掃描,所得圖像如圖1所示。

圖1 TS-2煤樣CT掃描圖Fig．1 CT scan pictures of TS-2 coal sample

對(duì)圖1中圖片進(jìn)行分析,得知白色區(qū)域?yàn)閳?jiān)硬的巖石節(jié)理,黑色區(qū)域?yàn)槊嘿|(zhì);在準(zhǔn)靜態(tài)荷載作用下煤巖內(nèi)裂紋擴(kuò)展主要沿密度相對(duì)較大團(tuán)塊(礦物、惰性組或殼質(zhì)組)的邊緣開(kāi)裂,并且會(huì)出現(xiàn)次生裂紋現(xiàn)象。重構(gòu)出的三維圖像中不同顏色交界處(不同材質(zhì))為單軸壓縮實(shí)驗(yàn)過(guò)程中變形局部化易產(chǎn)生位置,為了避免樣品破壞沿著交界處開(kāi)裂,同時(shí)使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有一定的隨機(jī)性,特將加載面平行于節(jié)理平面。

對(duì)TS-2樣品CT掃描圖像進(jìn)行了三維重建,依據(jù)灰度值差異來(lái)定義不同材質(zhì)屬性,重建模型如圖2所示。

圖2 TS-2煤樣Mimics三維重建模型Fig．2 Three-dimensional reconstruction model base on mimics of TS-2 coal sample

DT-3煤樣(大臺(tái)煤礦)的CT掃描結(jié)果如圖3所示。圖3可以發(fā)現(xiàn),DT-3煤樣中巖石節(jié)理雜亂且較分散;DT-3煤樣三維重建模型如圖4所示。

圖3 DT-3煤樣CT掃描圖Fig．3 CT scan pictures of DT-3 coal sample

圖4 DT-3煤樣Mimics三維重建模型Fig．4 Three-dimensional reconstruction model base on Mimics of DT-3 coal sample

2 變形場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

圖5為樣品變形場(chǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),主要包括壓機(jī)、煤樣、CCD相機(jī);壓機(jī)為CSS-44100電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī),最大荷載100 kN,精度±0．5%;CCD相機(jī)分辨率為1 624像素×1 236像素,采集速率為15幀/s。采用加載速度為0．3 mm/min的位移加載,直至樣品破壞。

基于CT掃描實(shí)驗(yàn)結(jié)果,將平行于試樣節(jié)理的平面作為加載的上下端面,在樣品前后觀測(cè)面中選取較平整一面作為應(yīng)變場(chǎng)監(jiān)測(cè)面,由于同種材質(zhì)煤樣破壞特征相似,故選取了TS-2和DT-3煤樣進(jìn)行研究。采用CCD相機(jī)來(lái)跟蹤煤樣表面白色斑點(diǎn)在加載過(guò)程中的運(yùn)動(dòng),從而獲得變形場(chǎng)變化信息。

圖5 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意Fig．5 The schematic of experimental system

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 變形局部化區(qū)域劃分

煤體內(nèi)部存在著節(jié)理、裂隙和孔洞等,在外載荷作用下,微裂隙開(kāi)始活躍;隨著應(yīng)變的增加,原先分散的微裂隙會(huì)向一條或多條裂隙帶靠攏,形成變形局部化帶。當(dāng)樣品變形達(dá)到一定程度后,變形局部化帶中的應(yīng)變值要明顯高于周?chē)鷧^(qū)域,以此來(lái)進(jìn)行了變形局部化區(qū)域劃分,詳見(jiàn)圖6及圖7中的小圖片所示。

圖6 TS-2煤樣變形場(chǎng)等值線Fig．6 Deformation field contour map of TS-2 specimen

目前,相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)變形局部化帶中的拉伸和錯(cuò)動(dòng)演化規(guī)律研究較少,為此,實(shí)驗(yàn)通過(guò)捕獲受載中的樣品觀測(cè)面白色斑點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡,來(lái)分析變形局部化帶中白色斑點(diǎn)沿條帶方向(相對(duì)滑動(dòng)分量,以逆時(shí)針相對(duì)錯(cuò)動(dòng)為正值,如圖8所示)和垂直條帶方向(相對(duì)拉伸分量,以拉開(kāi)方向?yàn)檎?如圖9所示)的相對(duì)位移。

3.2 變形局部化演化特征

經(jīng)過(guò)上述實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理過(guò)程,可以得到TS-2煤樣各加載時(shí)刻變形場(chǎng)云圖。破壞前樣品經(jīng)過(guò)4個(gè)階段:彈性變形階段(0．198 0～1．341 2 MPa)、微破裂穩(wěn)定發(fā)展階段(1．341 2～5．606 4 MPa)、塑性變形階段(5．606 4～8．404 4 MPa)及破裂后階段。

圖7 DT-3煤樣非均勻變形局部化演化Fig．7 Non-uniform strain localization contour map of DT-3 coal sample

圖8 TS-2試樣變形場(chǎng)數(shù)據(jù)分析區(qū)域Fig．8 Data analysis region of strain field of TS-2 coal sample

圖9 應(yīng)變場(chǎng)數(shù)據(jù)分析區(qū)域Fig．9 Data analysis region of strain field

從圖6可以發(fā)現(xiàn):不同加載時(shí)刻,樣品的變形局部化出現(xiàn)的位置均是由于內(nèi)裂紋擴(kuò)展主要沿密度相對(duì)較大團(tuán)塊(礦物、惰性組或殼質(zhì)組)的邊緣開(kāi)裂,并向外擴(kuò)展,產(chǎn)生的可能位置可以參照?qǐng)D1,2;單軸應(yīng)力達(dá)到8．008 8 MPa(圖6第2小圖片)時(shí),首先在煤樣的中下部出現(xiàn)變形局部化帶;應(yīng)力在8．072 4～8．271 2 MPa(圖6第3～7小圖片)階段,變形局部化帶由下向上逐漸擴(kuò)展成型;應(yīng)力8．271 2～8．318 0 MPa (圖6第7～17小圖片)階段,變形局部化帶在樣品底部演化較其它位置處劇烈,該處也是表面裂紋最先產(chǎn)生位置。基于上述分析,得知TS-2樣品的變形局部化帶在塑性加載階段出現(xiàn)并成形。為揭示變形局部化帶內(nèi)微裂隙的相對(duì)拉伸及錯(cuò)動(dòng)位移,如圖8所示,沿條帶走向依次選取5組測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析。

對(duì)選取的5組測(cè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,得到相應(yīng)的相對(duì)拉伸及相對(duì)滑動(dòng)分量變化特征,如圖10所示。

圖10 TS-2試樣測(cè)點(diǎn)應(yīng)力、拉伸分量-應(yīng)變曲線Fig．10 Stress,tensile displacement-strain curves of TS-2 coal sample measuring point

由圖10(a)可知在彈性階段TS-2樣品的5個(gè)測(cè)點(diǎn)的變形局部化演化規(guī)律基本相同。彈性階段相對(duì)拉伸分量基本為0,相對(duì)滑動(dòng)分量緩慢增大;微破裂穩(wěn)定發(fā)展階段,相對(duì)拉伸分量仍基本為0,相對(duì)滑動(dòng)分量在大部分區(qū)域緩慢增大,在局部區(qū)域開(kāi)始快速增大;塑性階段,相對(duì)拉伸與滑動(dòng)分量的變化比較復(fù)雜,相對(duì)滑動(dòng)分量由開(kāi)始的快速增大變?yōu)榧眲≡龃?而相對(duì)拉伸分量由較長(zhǎng)時(shí)間的無(wú)變化突然急劇增大。

圖10(b)為樣品在塑性階段中變形局部化帶測(cè)點(diǎn)的相對(duì)拉伸和滑動(dòng)分量的變化曲線。從圖中可以發(fā)現(xiàn):隨著載荷增大,樣品變形局部化帶先后經(jīng)歷了相對(duì)滑動(dòng)主導(dǎo)(150～154 s)→相對(duì)拉伸主導(dǎo)(154～ 156 s)→相對(duì)拉伸和滑動(dòng)共同主導(dǎo)(156 s后)3個(gè)階段,并最終導(dǎo)致樣品失穩(wěn)破壞。試樣下方測(cè)點(diǎn)的相對(duì)拉伸分量較上方測(cè)點(diǎn)變化明顯;進(jìn)入塑性變形后,樣品上方測(cè)點(diǎn)的相對(duì)滑動(dòng)較下方測(cè)點(diǎn)變化顯著,繼續(xù)加載,則下方測(cè)點(diǎn)重新有較大變化;這個(gè)特點(diǎn)也正好與圖6中小圖片揭示現(xiàn)象一致。TS-2煤樣相對(duì)拉伸變化范圍 0～0．5 mm,相對(duì)滑動(dòng)變化范圍為 0～0．25 mm。相對(duì)拉伸約為相對(duì)滑動(dòng)的兩倍。

圖7為DT-3煤樣單軸加載應(yīng)力-應(yīng)變曲線,依次經(jīng)歷了彈性變形(1．052 4～3．220 0 MPa)、微破裂穩(wěn)定發(fā)展(3．220 0～6．056 0 MPa)、塑性變形(6．056 0～6．938 4 MPa)及破壞4個(gè)階段。

從圖7中可以發(fā)現(xiàn):不同加載時(shí)刻的變形局部化出現(xiàn)位置可以參照?qǐng)D3,4;變形局部化帶在樣品所受應(yīng)力達(dá)到2．710 8 MPa(圖7中第1小圖片)時(shí)開(kāi)始顯現(xiàn);第1條變形局部化帶成型于5．264 4 MPa(圖7中第5小圖片);第2條變形局部化帶在4．525 2 MPa時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)(圖7第4小圖片),于6．427 2 MPa時(shí)基本成型(圖7第11小圖片);第2條變形局部化帶在應(yīng)力達(dá)到6．736 4 MPa(圖7第15小圖片)時(shí)貫通樣品表面。樣品右側(cè)變形局部化帶由上向下逐漸形成,而左側(cè)變形局部化帶則突然形成?；谏鲜雒枋?可以發(fā)現(xiàn)DT-3樣品的第1條變形局部化帶出現(xiàn)在彈性加載階段,在微破裂穩(wěn)定發(fā)展階段基本成型;第2條成型于塑性變形階段。

如圖9所示,沿著DT-3煤樣表面右側(cè)變形局部化帶方向依次選取4組監(jiān)測(cè)點(diǎn),分析各測(cè)點(diǎn)隨著荷載增大,其相對(duì)拉伸和滑動(dòng)位移,從而揭示樣品變形場(chǎng)演化特征。

由圖11(a)可知在彈性階段,DT-3樣品的相對(duì)拉伸分量基本為0,而相對(duì)滑動(dòng)分量快速增大;在微破裂穩(wěn)定發(fā)展階段,相對(duì)拉伸分量開(kāi)始仍為0,后期快速增大,相對(duì)滑動(dòng)分量先快速增大后減小;塑性階段,相對(duì)拉伸分量急劇增大,而相對(duì)滑動(dòng)分量表現(xiàn)平穩(wěn)到急劇增大。

圖11(b)截取了樣品從微破裂穩(wěn)定發(fā)展階段到樣品破壞階段的變形局部化帶中各測(cè)點(diǎn)的相對(duì)拉伸和滑動(dòng)分量變化信息?？梢园l(fā)現(xiàn),加載初期(0～282 s)測(cè)點(diǎn)相對(duì)滑動(dòng)分量逐漸增大且達(dá)到峰值,而拉伸分量基本無(wú)位移變化;隨著荷載繼續(xù)增加(282～289 s),相對(duì)滑動(dòng)分量快速減小、拉伸緩慢增大→相對(duì)滑動(dòng)分量平緩變化、拉伸快速增大(289～314 s)→相對(duì)滑動(dòng)和拉伸分量均快速增大(314～320 s)→相對(duì)滑動(dòng)分量平緩變化、拉伸仍快速增大(320 s后)。

圖11 DT-3試樣測(cè)點(diǎn)應(yīng)力、拉伸分量-應(yīng)變曲線Fig．11 Stress,tensile displacement-strain curves of DT-3 coal sample measuring point

DT-3煤樣的相對(duì)拉伸分量變化范圍為0～ 2．5 mm、相對(duì)滑動(dòng)分量變化范圍為0～0．4 mm,相對(duì)拉伸約為相對(duì)滑動(dòng)的6倍。

4 結(jié) 論

(1)沖擊傾向性煤樣的變形局部化出現(xiàn)更接近其破壞時(shí)刻,也意味著較非沖擊煤樣更加難以預(yù)測(cè)樣品破壞。沖擊性煤樣的變形局部化出現(xiàn)在樣品塑性變形階段,而非沖擊性煤樣在彈性階段就已經(jīng)出現(xiàn),在微破裂穩(wěn)定發(fā)展階段基本成型。

(2)非沖擊樣品變形局部化帶位移的相對(duì)拉伸和相對(duì)滑動(dòng)分量變化范圍均要比有沖擊傾向性樣品大數(shù)倍且變化比例也大于沖擊性煤樣。

(3)沖擊與非沖擊樣品在破壞前,變形局部化帶位移的相對(duì)拉伸與相對(duì)滑動(dòng)分量都是一直增大到急劇增大,并最終導(dǎo)致樣品失穩(wěn)破壞;在加載各階段中,兩種樣品的相對(duì)拉伸分量變化規(guī)律基本相同;而非沖擊樣品的滑動(dòng)分量從彈性階段就開(kāi)始逐漸增大,沖擊樣品在塑性階段才開(kāi)始增大,且非沖擊煤樣在微破裂穩(wěn)定發(fā)展階段相對(duì)滑動(dòng)出現(xiàn)增大和減小反復(fù)現(xiàn)象,變化較沖擊樣品復(fù)雜。

(4)基于CT圖像可以預(yù)測(cè)樣品裂隙演化趨勢(shì)。在垂直節(jié)理方向的單軸壓縮下,煤巖內(nèi)裂紋擴(kuò)展主要沿密度相對(duì)較大團(tuán)塊(礦物、惰性組或殼質(zhì)組)的邊緣開(kāi)裂,且會(huì)出現(xiàn)次生裂紋。

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Evolution of the deformation fields of different outburst proneness coal specimens

Lü Yu-kai1,JIANG Yao-dong1,2
(1.School of Mechanics and Civil Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China;2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China)

Deformation localization which occurs before the destruction of coal specimens is of significance for the instability failure precursor of coal specimens．Outburst proneness and non-outburst proneness coal specimens were selected for uniaxial compression experiment．Based on the computed tomography(CT)scans,the fractured trends of specimens could be predicted．The experimental results reveal that the deformation localization of both outburst and non-outburst proneness coal specimens occurs before the splitting failure,and the relative tension and the relative sliding components inside deformation localization show from increase to increase rapidly,until the instability failure of the sample．The deformation localization of outburst specimens shows more suddenly and closer to the destruction moment than non-outburst ones．Both the relative tension and sliding components of the outburst specimens are several times smaller than non-impact ones．During the stable development stage of micro-fractures,the relative sliding components of non-outburst exhibit a more complex feature．

outburst proneness;coal specimens;computed tomography;deformation localization;instability destruction

TD315

A

0253-9993(2014)11-2172-05

2013-11-20 責(zé)任編輯:常 琛

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)資助項(xiàng)目(2010CB226801)

呂玉凱(1982—),男,山西大同人,博士后。E-mail:lvyukai2006@126．com

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