煤柱强度与变形特征实验研究

煤柱强度与变形特征实验研究

在设计煤柱时，应确定煤柱的负荷，分析煤柱的压力，并研究煤柱的强度和变形特征。现场煤柱受力非常复杂,煤柱强度受多方面因素的影响,如煤层倾角、采区(工作面)几何形状、煤柱蠕变、水和湿度等。研究煤柱强度特征主要有理论计算和实验室试验2种方法,煤柱强度计算理论上有很多经验公式,但都是建立在一定假设的前提下,有一定局限性,比如著名的威尔逊煤柱强度设计公式等。而实验室试验能够比较真实地测量出煤样强度,能较为精确地确定煤样受力特征,直观地分析煤柱强度的影响因素,为煤柱设计提供理论基础。本文采用实验室试验的方法,研究煤柱强度与受力特征。1试验试验试验选择在辽宁工程技术大学矿山环境与灾害力学实验室进行。根据煤样尺寸的不同及所需破坏载荷大小不同,选取液压试验机(2000kN)和电液伺服试验机(600kN)进行试验。其他设备有:煤样切割机、磨平机、水平检测台、游标卡尺、DDS动态应变仪、数字位移计、应变片、导线、球形座、特制压板等。2煤柱宽高比对煤柱抗拉力的影响从煤矿井下工作面取出煤样,制作成不同宽高比试件,测试不同几何尺寸煤柱轴向承载能力和变形能力的特征,确定宽高比对煤柱强度和变形能力的影响。由于煤样试块在井下随机选取,按照煤样中存在的天然裂隙对煤样进行分类,研究煤样完整程度对煤柱强度和变形能力的影响。2.1横截面尺寸试验煤样试验试件采用正四棱柱体,根据煤样横截面尺寸不同,划分成4个试验组,用A,B,C,D分别代表煤样横截面边长为150mm,100mm,80mm,50mm。在每个实验组别,保持横截面尺寸不变,改变试件高度,得到不同宽高比煤样试件。表1给出加工煤样的实际尺寸,共制备了17个有效煤样试件,按照顺序用1,2,3…17来表示。2.2煤样的完整性试验采用的煤样规格较大,获取完整性好的煤样是非常困难的。为了准确评估煤样天然缺陷对强度和变形特征的影响,引入完整性指标对不同裂隙煤样进行分类试验。按照完整性程度分成3种类型:完整性较差,如图1(a);完整性中等,如图1(b);完整性较好,如图1(c)。例举说明,试块煤样A2-1中部分布有垂直裂隙,裂隙面与加载方向垂直,对煤样的强度有严重影响,归为完整性较差;煤样试块A2-2分布多条局部裂隙,角部有缺陷,归类为完整性中等;煤样试块A3-1不存在明显的裂隙,角部有轻微的缺陷,归为完整性较好。剩余煤样试件完整性描述见表2所示。3实验分析3.1整性中等好宽高比为1的煤样按完整性可分成2类:完整性中等～好,包括A1-1,B1-1,B1-2,C1-1,C1-2,D1-1;完整性较差,包括A1-2,D1-2。3.1.1煤样的完整性和变形特性图2为宽高比为1的所有煤样应力—应变曲线。煤样在达到屈服后很快就破坏,屈服后的曲线非常短。为了观察方便,图2中的应力—应变曲线只保留屈服前的部分。本文所有图中曲线按照表1中煤样顺序用1,2,3…17来表示,例如图2中A1-1煤样曲线用1表示。由图2可知:(1)完整性好的煤样弹性模量值比较集中,而完整性较差的煤样弹性模量值离散大。煤样A1-2完整性较差,屈服时应变值低,但弹性模量却最大,这一结果比较反常,可能与该煤样煤质有关。(2)完整性中等以上煤样达到屈服时的应变值介于3.3%～4.7%之间。(3)完整性中等以上煤样的强度值介于21～33MPa之间。(4)煤样的完整性、煤质和孔隙率等都会影响到煤样的强度和变形特性。试验中采用的煤样本身是经过筛选的,其完整性要高于实际煤体。实际煤柱中存在的结构远比试验中遇到的情况复杂,因此设计采用的强度值一般远低于试验测试值。3.1.2煤样类型对应变值的影响宽高比为2的所有煤样应力应变曲线如图3。按照完整性可以分成2类:完整性中等～较好,包括B2-2,C2-1,C2-2,C2-3;完整性较差,只有B2-1。由图3可知:(1)与宽高比为1的煤样相比,宽高比为2的煤样达到完全破坏时应变值有明显增加。应变值范围介于6.5%～17%之间。(2)煤样强度差异比较明显,其中完整性中等以上煤样的强度值介于26.8～43.5MPa之间,这说明不同煤样的煤质可能存在明显差异。(3)煤样达到峰值强度时的应变值比较接近,应变值范围介于5.4%～6.5%之间。(4)宽高比为2的煤样显示出两种截然不同的破坏模式:C组(C2-1,C2-2,C2-3)3个煤样强度高,但具有明显的脆性破坏特征,屈服后应力-应变曲线非常短;B组(B2-1,B2-2)2个煤样强度低,但具有明显的塑性破坏特征,屈服后应力-应变曲线较长。3.1.3煤样变形能力宽高比大于3的煤样应力-应变曲线如图4。按照完整性分成2类:完整性中等～较好,包括A3-1、A3-2和A2-2;完整性较差,包括A2-1。由图4可知:(1)宽高比大于3的所有煤样呈现明显的塑性破坏特征,煤样达到屈服强度时的应变值介于4.3%～6.3%之间,煤样完全破坏时的应变值介于12.8%～24.5%之间。(2)完整性较好的煤样屈服强度最高达到48.7MPa,而完整性较差的煤样强度只有24.5MPa。(3)完整性好的煤样变形能力强,如A3-2最终应变值为24.5%;完整性差的煤样变形能力差,如A2-1最终应变值为12.8%。3.2基于完整性分析3.2.1煤样应力-应变关系完整性较好的煤样共有8个。其中,宽高比为1的有3个(B1-1,B1-2和D1-1);宽高比为2的有3个(C2-1,C2-2和C2-3);宽高比大于3的有2个(A3-1,A3-2)。图5给出了完整性较好煤样的应力-应变曲线。由图5可知:(1)宽高比相同的煤样应力-应变曲线重合度很高,这说明宽高比对煤样应力-应变特性的影响是非常明确的。(2)宽高比为1的3个煤样应力-应变曲线几乎重合,弹性模量几乎相同,强度为30.1～33.1MPa,最大应变值为3.9%～4.2%。(3)宽高比为2的3个煤样应力-应变曲线重合度也很好,弹性模量几乎相同,强度为32.1MPa～35MPa,最大应变值为6.5%～6.7%。(4)宽高比大于3的2个煤样应力-应变曲线整体趋势相同,强度为44.4～48.7MPa,最大应变值介于22.4%～22.5%之间。3.2.2应力-应变本构模型完整性中等的煤样共有5个。其中,宽高比为1的有3个(A1-1,C1-1和C1-2),宽高比大于2的有2个(A2-2和B2-2)。图6给出了完整性中等煤样的应力-应变曲线。从图中可以看到宽高比与应力-应变曲线形态有比较好的相关性。(1)宽高比相同的煤样应力-应变曲线趋势相同,这说明宽高比对煤样应力-应变特性的影响是非常明确的。(2)宽高比为1的3个煤样应力-应变曲线趋势相同,弹性模量相差不大,强度为21.8～26.2MPa,最大应变值在3.4%～4.4%之间。(3)宽高比大于2的2个煤样应力-应变曲线趋势相同,弹性模量有一定差异,强度为26.8～33.4MPa,最大应变值几乎相同,约为16.8%。3.2.3应力-应变本构模型完整性较差的煤样共有4个。其中,宽高比为1的有2个(A1-2和D1-2),宽高比大于2的有2个(A2-1和B2-1)。图7给出了完整性较差煤样的应力-应变曲线,从图中可以看到宽高比与应力-应变曲线形态有一定的相关性。(1)宽高比相同的煤样应力-应变曲线趋势相同,这说明宽高比对煤样应力-应变特性的影响是非常明确的。(2)宽高比为1的2个煤样应力-应变曲线弹性模量相差比较大,强度为15～22.9MPa,最大应变值为1.9%～3.1%。(3)宽高比大于2的2个煤样应力-应变曲线趋势相同,弹性模量有明显差异,强度13.1～24.5MPa,最大应变值10.8%～12.8%。4煤的力学性能(1)按煤样边长分4个组,分组分析结果显示,宽高比增加可以明显提高煤样的变形能力,但对强度提高具有不确定性,主要原因是煤样的完整性差异比较大。这表明宽高比增加对煤样变形具有明确的正面影响,但对强度的影响不确定。(2)按宽高比将煤样分成3组,分组分析结果显示,宽高比大的分组,煤样整体变形能力明显高于宽高比小的分组;宽高比大的分组其强度上限值明显高于宽高比小的分组,但强度下限值却呈现参差不齐的