任春平， 劉春生

(黑龍江科技大學 機械工程學院，哈爾濱150022)

0 引 言

由于煤巖力學性質(zhì)具有不確定性，較難捕獲其全部特征，所以，它的材料組分和配比皆會不同程度地影響其力學性質(zhì)，據(jù)此，國內(nèi)外學者對煤巖單軸實驗及其材料配比進行了大量研究與分析。Dhaels 等探討了煤巖試樣高度對其抗壓強度的影響變化［1］。A M．Hirt 等針對同一礦區(qū)的不同煤層開展單軸實驗研究，給出不同性質(zhì)煤巖抗壓強度間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)［2］。T．P．Medhurst 對四種不同尺寸的大煤樣開展單軸壓縮實驗，研究煤巖抗壓強度與尺寸關(guān)系［3］。劉寶深利用回歸分析方法，給出煤巖抗壓強度尺寸效應的數(shù)學模型［4］。陶馳東等利用人造模擬截割材料，在液壓刨床和專用截割實驗臺上完成單齒截割系統(tǒng)的?；瘜嶒灒?］。杜長龍采用天然煤粉、水泥和水為原材料進行了模擬截割材料的實驗研究［6］。楊紹杰利用自制的煤巖，開展了三軸、單軸實驗研究，給出了煤樣抗壓強度的經(jīng)驗公式［7］。郭東明給出了煤巖強度隨不同煤巖體傾角的變化規(guī)律［8］。肖福坤等研究了含瓦斯煤在三軸作用下失穩(wěn)破壞過程中的聲發(fā)射特性［9］。在上述眾多研究的基礎(chǔ)上，筆者主要針對不同材料配比參數(shù)煤巖試件開展單軸加載實驗，以探討煤巖的強度和變形特征，為研制模擬煤壁強度特性奠定基礎(chǔ)。

1 煤樣制備

實際工況的煤層組分和結(jié)構(gòu)復雜，其內(nèi)部存在著層理、節(jié)理及空洞，較難捕獲與原煤相似材料的全部特征。為獲得與原煤特性相似的截割材料強度特性，以單向抗壓強度為參考量，進行模擬煤樣的研制。實驗條件:水泥型號為425，第一次配比時，在不加石膏粉的情況下，煤粉和水泥按五種不同配比，通過改變水的質(zhì)量，達到模擬煤巖抗壓強度。

進行第二次配比時，煤粉與水泥在配比為1.5不變的條件下，通過改變石膏粉的質(zhì)量，達到模擬材料抗壓強度的目的，水的質(zhì)量依據(jù)水泥、煤粉混合物達到黏稠狀時所用質(zhì)量為準，給出三組煤樣，每組煤樣試件為兩個。兩次模擬配比見表1，表1 中序號1～5 為第一次配比，序號6～8 為第二次配比。

表1 模擬煤巖材料配比Table1 Simulation material ratio of coal and rock

在制作標準煤樣過程中，先把塊狀煤較平的一端轉(zhuǎn)于底部，然后于ZS －100 型巖石鉆孔機取芯鉆下方墊板上放穩(wěn)放平，用夾具將其固定后取芯，如圖1b 所示。將取出的煤樣經(jīng)過切割、打磨等工序，制作成高度為100 mm、直徑為50 mm(高徑比為2 ∶1)圓柱體煤巖試樣。為避免煤樣混淆，在加工完成的煤樣表面標上序號，如圖1c 所示。

2 加載實驗

實驗采用TAW－2000KN 微機控制電液伺服巖石單軸實驗系統(tǒng)，由計算機控制實驗記錄、實驗測試結(jié)果，且自動進行實驗數(shù)據(jù)采集及處理。同時配有軸壓，液壓伺服系統(tǒng)靈敏度及實驗精度均較高。此外，配備的實心鋼架，可以儲存較小的彈性勢能，用以開展剛性壓力實驗的研究。與煤巖試樣連接的引伸儀，可以在140 MPa 高壓及200 ℃高溫的條件下使用，即可在高壓和高溫環(huán)境下，開展煤巖試樣的應力－應變的精確測量實驗;實驗系統(tǒng)的加載速度可根據(jù)需要進行自動選擇及調(diào)整。

針對八組煤樣進行實驗，加載速度設(shè)置為0.05 mm/min。煤巖的力學參數(shù)，即單向抗壓強度σc及最大負荷FM的變化值，如表2 所示。

圖1 煤樣Fig．1 Coal samples

表2 煤樣力學參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of coal samples

為了進一步判別煤巖體類型，按照煤巖體在開采中被破壞的難易程度，將其分為六個等級，煤巖體堅固性系數(shù)見表3［10］。

表3 各煤巖體堅固性系數(shù)Table 3 Protodyakonov coefficient

抗壓強度與堅固性系數(shù)的關(guān)系［10］:

式中:σc——抗壓強度，MPa;

f——堅固性系數(shù)。

根據(jù)表3 和式(1)，結(jié)合通過單軸實驗測試得到的力學參數(shù)，可得，第一組、第二組、第三組試樣煤巖類型為中硬煤，其余煤巖類型屬于軟煤。根據(jù)實驗獲得單向抗壓強度判別煤巖類型，從而確定煤巖材料的配比。

3 煤巖變形及強度特征分析

為探究煤巖的破裂形式，判定煤巖的宏觀變形特征，通過上述煤巖單軸加載實驗，可以得出煤樣的破碎形式為劈裂破壞［11－14］。

煤巖在不同材料配比條件下，觀察其內(nèi)部微觀變形過程，實驗給出了其中一組煤巖試樣的應力－應變曲線，如圖2 所示。

圖2 可知，煤巖的變形可分為彈性變形、向塑性變形過渡直到破壞三個階段。在實驗初始階段，由于對煤樣有初始恒定預壓力，所以應力并不是從零開始。隨著應變的增加，應力呈線性增大，原因在于煤樣中的微裂隙或節(jié)理面壓密和閉合導致，當應變繼續(xù)增大時，煤樣的應力超過了其最大承載力，開始破裂，應力曲線下降，且下降速度較快，表征煤巖脆性特征比較明顯。

為探求不同材料配比煤巖與抗壓強度之間的定量關(guān)系，分析煤巖參數(shù)特性，確定不同材料配比下的煤巖強度特征。根據(jù)上述煤巖試樣的研制配比結(jié)果，應用MATLAB 軟件，得到煤巖抗壓強度與材料配比及石膏之間的擬合關(guān)系，如圖3 所示。

根據(jù)圖3a，給出煤粉、水泥配比ξ 與抗壓強度的擬合關(guān)系式:

從式(2)可知，煤巖抗壓強度與煤粉和水泥配比呈指數(shù)下降關(guān)系。圖3b 表明，在煤粉與水泥配比為1.5 的實驗條件下，添加石膏能夠降低煤巖的抗壓強度，從而達到預期模擬煤壁力學特性的目的。

圖2 煤巖變形過程曲線Fig．2 Coal and rock deformation curve

圖3 強度特征Fig．3 Strength characteristics

4 結(jié) 論

(1)為研究煤巖抗壓強度隨其材料配比的定量關(guān)系，針對不同配比的φ50 mm ×100 mm 煤巖試件開展單軸加載實驗，確定煤巖抗壓強度與煤粉和水泥配比呈指數(shù)下降關(guān)系，擬合關(guān)系式為σc=92.124e－1.0969ξ。

(2)根據(jù)煤巖材料不同配比下的強度大小，結(jié)合煤巖堅固性系數(shù)，可判別煤巖體類型，為實驗需要模擬煤壁強度特性提供依據(jù)。

(3)分析不同材料配比下煤巖的變形特征及劈裂形態(tài)，確定煤巖的變形可分為彈性變形、向塑性變形過渡直到破壞三個階段，煤樣的破碎形式為劈裂破壞。

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