单轴压缩条件下含瓦斯煤样力学性质研究.pdf 10页

'中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn#单轴压缩条件下含瓦斯煤样力学性质研究**王祖洸，高保彬，吕蓬勃（河南理工大学安全科学与工程学院，焦作，454000）5摘要：本文以瓦斯压力对煤样力学性质的影响为研究目的，以RMT-150C型岩石力学试验机为载体，研发单轴压缩条件下含瓦斯煤岩受载变形破坏实验装置，设计不同瓦斯压力下煤样单轴压缩实验，并采用RFPA2D软件通过设置不同渗透参数，实现不同瓦斯压力煤样单轴压缩条件下受载破坏模拟实验。结果显示：（1）通过室内试验，发现随着瓦斯压力的增加，煤样的抗压强度与弹性模量均呈降低趋势，瓦斯压力由0MPa增加到2MPa，煤样的抗10压强度和弹性模量分别降低58.78%和49.03%；（2）由模拟结果可以看出，煤样的破坏是由微裂隙的发育、发展直至贯通形成宏观裂隙导致的；（3）随着不同瓦斯瓦力的增加，模拟试样的峰值强度和弹性模量都呈现降低的趋势，模拟结果与实验结果表现的规律是一致的。关键词：单轴压缩；瓦斯压力；RFPA；峰值强度；弹性模量15中图分类号：TD324StudyofMechanicalPropertiesofCoalContainingGasUnderUniaxialCompressionWANGZuguang,GAOBaobin,LVPengbo20(HenanPolytechnicUniversitySafetyScienceandEngineeringCollege,Jiaozuo,454000)Abstract:Inthispaper,thepurposeistheinfluenceofmechanicalpropertiesofcoalbygaspressure.Asetofexperimentalequipmentthatthecoalsamplesdeformationandfailureunderuniaxialcompressionconditionofcoalandrockcontaininggaswasresearchedanddeveloped,withtheRMT-150CRockmechanicstestingmachineasthecarrier.Then,thestudysimulatedthedestruction25processofthecoalsampleunderdifferentgaspressurethoughsettingdifferentpermeabilityparametersbyRFPA2D.Themainconclusionswerefollows:(1)Astheinternalgaspressureofcoalsampleincreasedfrom0MPato2MPa,Thecompressivestrengthandelasticmodulusofcoalsamplesrespectivelydecreasedby58.78%and49.03%;(2)ThestudyfoundthatthedevelopmentoffractureandthedistributionofAEsignalinthecoalsamplefailureprocessdevelopedfromdisorderlyto30orderlyfromsimulationresults;(3)Withtheincreaseofgaspressure,thesimulatedspecimens’loadingforce(compressivestrength)andelasticmodulusshowedatrendofdecrease.Simulationresultswereconsistentwiththeexperimentalresults.Keywords:Uniaxialcompression;Gaspressure;RFPA;Compressivestrength；Elasticmodulus350引言煤体本身是一种多孔介质材料，煤体内部赋存有大量瓦斯等气体，瓦斯在煤体中存在的状态有两种形式，一种为游离态瓦斯，一种为吸附态瓦斯，在一定条件下，这两种瓦斯在煤体内保持动态平衡。两种不同状态的瓦斯对没的物理力学性质有着不同的影响，游离态瓦斯以孔隙压力的形式作为体积力（即连续分布于物体内部各点的力）对煤样的力学性质产生影40响，而吸附态瓦斯通过吸附解吸作用对煤的本构关系产生影响，从而影响煤的力学性质及响[1]应特征。煤在受载破坏过程中，存在着孔裂隙的压缩与扩张，期间，会有声发射现象产生，基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金(20134116120001);国家自然科学基金（U1304502）作者简介：王祖洸（1991-），男，硕士研究生，主要研究方向：动力灾害预测与防治通信联系人：高保彬（1977-），男，副教授、硕士生导师，主要研究方向：煤岩瓦斯动力灾害防控.E-mail:gaobaobin@hpu.edu.cn-1- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn声发射信号能反映煤样在破裂过程中能量的变化过程。[2][3][4]国内外许多学者对于瓦斯对煤样力学性质的影响研究，王家臣、赵洪宝、秦虎、[5][6]刘星光、李小双等分别从三轴、单轴、声发射特性以及渗透特性等多方面研究了瓦斯对45煤样力学性质的影响，发现无论是在三轴还是单轴条件下，瓦斯的参与使得煤样的抗压强度和弹性模量呈降低趋势，加载过程中脆性降低，延性增强。由于实验条件的限制，往往室内实验存在一定的局限性，数值模拟就成为一种很好的补充方法。东北大学开发出一套岩石破裂与失稳分析系统--RFPA（RockFractureProcessAnalysis），该系统可以对煤样破裂与失稳[7]进行数值试验研究。对于RFPA软件在实验方面的应用，国内学者做了大量探索，唐春安、[8][9][10][11][12]50徐涛、陈鹏、钟波波、张超、付斌等采用RFPA软件模拟了含瓦斯煤突出发生过程及声发射特征、含瓦斯煤岩石破裂过程的固流耦合关系、单轴条件下岩石尺寸对力学性质的影响、三轴条件下岩石裂纹扩展情况、岩石均质度对巴西劈裂的影响及煤岩组合体破坏过程等多种工况，模拟结果有很好的借鉴意义。通过学习前人的成果可知，含瓦斯煤作为一种固流耦合材料，实验室条件下实现单轴压55缩加载比较困难，且前人采用RFPA对于不同瓦斯压力对煤样单轴力学性质的影响研究较少。本文通过自主研发单轴压缩条件下含瓦斯煤岩受载变形破坏实验装置，实现了不同瓦斯压力条件下煤样单轴压缩实验，并采用RFPA2D模拟软件对不同瓦斯瓦力条件下煤样的单轴压缩破坏过程进行模拟，对比实验结果与模拟结果，分析单轴条件下瓦斯压力对煤样力学性质的影响。601含瓦斯煤单轴压缩室内试验1.1实验设备本文根据课题组基金项目要求，自主研发了含瓦斯煤岩单轴压缩实验装置，并结合RMT-150C型岩石力学试验机及供气系统共同组成含瓦斯煤单轴压缩实验系统，本实验系统为含瓦斯煤单轴压缩实验系统，通过进行含瓦斯煤样在特定的瓦斯压力下的单轴压缩实验，65测得含瓦斯煤样的物理力学特性，便于同不含瓦斯煤样的物理力学特性进行对比，从而分析瓦斯参与对煤样力学性质的影响特征。实验系统和实验设备实物图如图1和图2所示。1-上压头；2-顶盖；3-密封仓；4-底座；5-试验机控制软件；-2- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn6-声发射监测仪；7-声发射软件；8-抽真空泵；9-气罐70图1含瓦斯煤单轴压缩声发射监测实验系统示意图Fig.1Schematicdiagramofexperimentsystemofgassycoalunderuniaxialcompression图2含瓦斯煤单轴压缩实验系统75Fig.2Experimentsystemofgassycoalunderuniaxialcompression1.2实验过程1）试样采集依据GB/T23561.1-2010《煤和岩石物理力学性质测定方法第1部分：采煤一般规定》，在补连塔煤矿取不同种煤样进行实验分析。由于煤本身具有较大的非均质性，有较多孔裂隙80发育，为保证采集的煤样具有较好的对比性，且尽可能保证煤样的原始状态。2）煤样制备按照GB/T23561.5-2010《煤和岩石物理力学性质测定方法第5部分：单轴抗压强度测定及软化系数计算方法》规定，将采集的煤块加工成规格为Φ50mm×100mm的试样，保证煤样达到规定的精度要求，并做好分组编号。部分煤样如图3所示。85图3部分成型煤样Fig.3Partofcoalsamples3）实验步骤（1）将取自补连塔煤矿并制好的标准煤样分成3组，每组3个煤样，并进行编号并记90录各煤样的原始物理参数（如高度、直径、重量等）；（2）第一组煤样编号为B1-1、B1-2、B1-3，该组煤进行常规单轴压缩实验；-3- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn（3）第二组煤样编号为B2-1、B2-2、B2-3，该组煤进行瓦斯压力为1MPa条件下的单轴压缩实验。在进行单轴压缩之前，将煤样置于自主研制的含瓦斯煤样单轴压缩实验装置内部，并在煤样表面贴好应变片，将密封好的实验装置放置于RMT-150C岩石力学试验机上，95将装置底座设置的导线连接到相应的信号监测仪器上，然后用导气管将瓦斯气罐和装置的进气阀连接，对装置进行充气，直至装置内部瓦斯压力达到1MPa，使煤样置于1MPa瓦斯压力环境下直至吸附饱和（本次实验采用吸附24h的方法，饱和与否的判定是根据应变仪的数值变化情况来确定的，当应变仪的读数一段时间内基本保持不变即视为饱和，考虑到实验的可操作性和准确性，将本次实验的吸附时间定为24h），然后进行含瓦斯情况下的单轴压缩100实验。实验过后打开排气阀，排空瓦斯，记录实验数据；（4）第三组煤样编号为B3-1、B3-2、B3-3，该组煤进行瓦斯压力为2MPa条件下的单轴压缩实验和声发射试验。实验过程同第二组煤样；（5）对比并分析实验数据。4）实验结果及分析105实验过程按照国家规范进行，对实验数据进行统计与分析，其中含瓦斯煤样单轴压缩破坏过程的全应力应变曲线如图4和煤样力学参数统计见表1。403035B1-225302025B2-2/MPa20B1-1/MPa15应力15应力B2-3B1-31010B2-155000510152025051015202530−3−3应变/ε应变/εa.0MPab.1MPa2030181625140MPaB3-12012/MPa10/MPa151MPa应力8B3-2应力106452MPa2B3-300024681012141618051015202530−3应变/ε−3应变/ε110c.2MPa1.不同瓦斯压力下煤样全应力应变曲线图4不同瓦斯压力作用下煤样单轴压缩应力-应变曲线Fig.1Stress-straincurveofcoalsamplesofdifferentgaspressureunderuniaxialcompression-4- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn115表1不同瓦斯压力作用下煤样力学性质实验结果表Tab.1ResultstableofThemechanicalpropertiesofcoalsamplesunderdifferentgaspressure瓦斯压力/MPa煤样号抗压强度/MPa弹性模量/GPaB1-129.832.0810B1-235.592.256B1-329.561.992平均31.6612.109B2-121.8391.3211B2-227.0141.359B2-323.0091.383平均23.9541.354B3-112.0651.42B3-211.5890.926B3-315.5020.9平均13.0521.075从图4和表1中可以看出，由于煤样本身的非均质性和非连续性，相同条件下煤样的力学性质会有一定的差别，但是属于可以接受的范围。不同条件下煤样受载实验测得的力学参120数一定程度上反映了设定条件对煤样力学性质的影响，随着瓦斯压力由0MPa增加至2MPa，煤样的力学性质呈现一定的规律性：随着瓦斯压力的升高，煤样平均抗压强度由31.661MPa降低到了13.052MPa，其平均抗压强度降低58.78%；煤样平均弹性模量由2.109GPa降低到了1.075GPa，其平均弹性模量降低49.03%。总体来看，随着煤体内部瓦斯压力的增加，煤样的抗压强度和弹性模量均呈降低趋势。125瓦斯在煤体中存在的状态有两种形式：游离态瓦斯和吸附态瓦斯，在一定条件下，两种状态瓦斯在煤体内保持动态平衡。两种不同状态的瓦斯通过不同的方式影响着煤的物理力学性质，游离态瓦斯以孔隙压力的形式作为体积力（即连续分布于物体内部各点的力）对煤样的力学性质产生影响，而吸附态瓦斯通过吸附解吸作用对煤的本构关系产生影响，从而影响煤的力学性质及响应特征130煤样的抗压强度随瓦斯压力增大而降低的主要原因，可能是由于瓦斯的非力学作用导致的。瓦斯的存在使得煤体内部微裂隙张力减小，瓦斯压力的存在使得微裂隙相对扩张，煤体颗粒间的作用力减小，在受到外界力的作用时，煤体内部裂隙破坏所需要的力就变小，从而降低了煤体能承受力的极限。煤样的弹性模量随瓦斯压力增大而降低的主要原因，可能是由于煤体内部表面吸附瓦斯135分子，改变了煤体原有的性质，模拟试样的粘结力减弱，宏观上来看，表现为煤体抵抗变形的能力降低。-5- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn2含瓦斯煤单轴压缩数值模拟2.1模拟过程1）模型建立2D140本文采用RFPA单机版数值模拟软件对不同瓦斯压力煤样受载破裂过程的应力-应变特征、力学参数和声发射特性进行研究，数值模拟主要控制的变量为瓦斯压力。实验参数设置如下：煤样的尺寸为50mm×100mm，划分网格为50×100，加载方式为位移加载，加载速率为0.005mm/s，加载步数设置为100步，模型采用修正的Mohr-Coufomb准则。其他具体参数设置见表2及表3，建立的模型试样如图5所示。145表2模型参数设定表Tab.2Chartofmodelparameterssetting参数名称弹性模量/MPa强度/MPa均质度泊松比压拉比内摩擦角参数大小50005030.31038表3渗透条件设定表Tab.3Chartofosmoticconditionssetting-1参数名称渗透系数/m·d瓦斯含量系数瓦斯压力系数孔隙压力/MPa耦合系数参数大小0.1210、0.5、1、1.5、20.2150图5煤样原始模型Fig.5Modelofrawcoalsample2）模拟运行步骤不同瓦斯压力条件下煤样的单轴压缩实验数值模拟具体步骤如下：（1）建造模型100mm×50mm，划分网格为100×50；设置强度特性和渗透特性；155（2）设置边界条件，加载过程为Y方向位移加载，加载速率为0.005mm/s；（3）设置控制条件，步数（100），平面应力问题，选择渗流问题中的承压水选项；（4）自定义选项，选择应力和声发射信息；（5）设置渗流边界，模型左右两边的渗透压与煤样内的瓦斯压力数值相同，上下两边的流量为0；160（6）运行。-6- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn软件模拟流程如图6所示，图6数值模拟流程图Fig.6Flowchartofnumericalsimulation1652.2数值模拟结果及分析1）煤样破裂过程分析通过上述参数条件进行模拟，可以得到不同瓦斯压力条件下煤样单轴压缩破坏过程中的裂隙演化图和破裂过程的声发射信号演化图，由于数据量比较大，文章中仅列举部分试样的170模拟效果图，如图7和图8所示为1.5MPa瓦斯压力条件下，煤样单轴压缩破坏过程中的裂隙演化图和破裂过程的声发射信号演化图。step=14step=35step=65step=70d、p=1.5MPa175图7煤样破坏示意图（1.5MPa）Fig.7Schematicofdestroyingaboutcoalsamples(1.5MPa)-7- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cnstep=14step=35step=65step=70d、p=1.5MPa180图8煤样声发射空间分布图（1.5MPa）Fig.8SpacedistributionfigureofAEofthecoalsamples(1.5MPa)通过模拟发现，虽然不同瓦斯压力条件下煤样的破坏程度不同，但是从整体的裂隙发育过程来看，不同瓦斯压力条件下煤样的破坏过程、裂隙发育发展过程以及声发射产生过程具有一定的相似之处。以1.5MPa瓦斯压力下煤样为例，分析煤样受载破坏中内部裂隙发育过185程。从图7可以看出，不同瓦斯压力条件下煤样单轴压缩破坏过程经历了以下过程：1）微裂隙产生阶段，煤样在该阶段裂隙产生不明显，只有微小的裂隙产生；2）微裂隙发育阶段，随着加载，煤样的破坏点增多，破坏点的产生随机分布；3）裂隙贯通阶段，随着应力的增加，破坏点逐渐汇聚到一个集中的位置并形成贯通裂隙，直至煤样完全破坏。从图8可以看出，声发射的空间分布特征与煤样的破坏特征基本一致，前期，声发射信190号随机分布，声发射信号不规则的分布在试样的整个断面上，相应的试样的破坏特征也不明显；中期，声发射信号逐步从随机发生向有序性转变，声发射信号在某一区域的发生频率增加，相对应的试样出现一些宏观的破坏；后期，声发射信号集中到某一破断面上，相对应的试样发生宏观断裂，煤样破坏。图中声发射信号由不同的圆圈表示，圆圈的大小表示声发射信号的强度大小，即试样破坏过程中释放能量的大小，黑色圆圈表示先前试样破裂发生的声195发射信号，白色圆圈表示当前试样破裂发生的声发射信号。图9不同瓦斯压力煤样单轴压缩模拟结果Fig.9SimulationresultsofUniaxialcompressionofthecoalsamplesunderdifferentgaspressure-8- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn由模拟结果（图9）可知不同瓦斯压力与煤样力学性质的关系，见表4、图10和图11。200有上述图表可知，模拟试件的加载力随着瓦斯压力的增加从688.7N降到556.6N，降低了19.1%，试件的弹性模量随着瓦斯压力的增加从9.823GPa降到8.883GPa，降低了9.6%。通过对不同模型参数情况下，不同瓦斯压力对煤样力学性质的影响大致呈现相同的规律：在模拟情况下，均呈现了随着瓦斯压力的增加，模拟试样的加载力（即抗压强度）和弹性模量均有不同程度的降低。205表4不同瓦斯压力与煤样力学性质关系表Tab.4Relationaltableofmechanicalpropertiesofcoalsamplesanddifferentgaspressure瓦斯压力/MPa加载力/N弹性模量/GPa0688.79.8230.5643.69.441610.39.281.5593.39.1622556.68.883210图10瓦斯压力与加载力关系图Fig.10Relationaldiagramofloadingforceandgaspressure图11瓦斯压力与弹性模量关系图215Fig.11Relationaldiagramofmodulusofelasticityandgaspressure对比模拟数据和试验数据可以发现，随着瓦斯压力增高，煤样或模拟试样的力学性质呈相似的规律，即其抗压强度和弹性模量随着瓦斯压力的升高呈降低趋势；且通过煤样受载的全应力应变曲线可以看出，随着瓦斯压力的增加，在试件破坏前期积累的弹性能呈降低趋势，220峰后阶段大致有典型的脆性断裂转变为延性断裂。由于实体煤样与模拟煤样存在一定的差异性，随着瓦斯压力的增加，煤样抗压强度和弹性模量降低的程度不同，但是模拟结果与实验-9- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn结果得出的整体相关规律是一致的。3结论本文给出了不同瓦斯压力下煤样单轴压缩过程中的破裂情况及岩石力学参数变化情况225进行室内试验和数值模拟分析，主要有以下几点结论：（1）自主研发的含瓦斯煤岩单轴压缩实验装置，并组成含瓦斯煤单轴压缩实验系统，通过该系统进行不同瓦斯压力条件（0MPa、1MPa和2MPa）下煤样的单轴压缩实验，通过实验数据分析，随着煤体内部瓦斯压力的增加（由0MPa增加至2MPa），煤样的抗压强度和弹性模量呈负相关的关系，其抗压强度和弹性模量分别降低58.78%和49.03%，；230（2）不同瓦斯压力条件下的煤样单轴压缩过程中，煤样的破裂过程和声发射信号空间分布特征都具有一定的相似性。煤样破坏过程都是有前期的不规则破裂到后期的新生裂隙集中于某一破断面的规律；煤样破坏过程的声发射信号空间分布呈现声发射信号在试样断面无序地随机产生到有序地集中到某一区域的规律；（3）通过模拟不同模型参数条件下的不同瓦斯压力对煤样试样的力学参数的影响情况，235得出：在三种不同模拟条件情况下，试样均呈现了随着瓦斯压力的增加，模拟试样的加载力（即抗压强度）和弹性模量都降低的趋势。模拟结果与实验结果体现的规律一致。[参考文献](References)240[1]胡千庭，文广才.煤与瓦斯突出的力学作用机理[M].北京：科学出版社，2013.[2]王家臣，邵太升，赵洪宝.瓦斯对突出煤力学特性影响试验研究[J].采矿与安全工程学报，2011，28(3)：391-394，400.[3]赵洪宝，张红兵，尹光志.含瓦斯软弱煤三轴力学特性试验[J].重庆大学学报，2013，36(1)：103-109.[4]秦虎，黄滚，蒋长宝，等.不同瓦斯压力下煤岩声发射特征试验研究[J].岩石力学与工程学报，2013,32245（增2）:3719-3725.[5]刘星光.含瓦斯煤变形破坏特征及渗透行为研究[D].徐州：中国矿业大学，2013.[6]李小双，尹光志，赵洪宝，等.含瓦斯突出煤三轴压缩下力学性质试验研究[J].岩石力学与工程学报，2010，29(增1)：3350-3358.[7]唐春安，芮勇勤，刘红元，等.含瓦斯"试样"突出现象的RFPA2D数值模拟[J].煤炭学报，2000，25（5）：250501-505.[8]徐涛，唐春安，宋力，等.含瓦斯煤岩破裂过程流固耦合数值模拟[J].岩石力学与工程学报，2005,24（10）:1667-1673.[9]陈鹏，周志伟.基于RFPA2D的岩石尺寸效应试验[J].辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2012，31（6）：842-845.255[10]钟波波，张永彬，李宏.基于RFPA2D的岩石裂纹扩展模式的研究[J].武汉理工大学学报，2014，36（2）：82-88.[11]张超，张艳博，刘祥鑫，等.基于RFPA2D探究岩石均质度对巴西劈裂的影响[J].河北联合大学学报（自然科学版），2015，37（3）：10-15.[12]付斌，周宗红，王友新，等.煤岩组合体冲击倾向性的RFPA2D数值模拟[J].煤矿机械，2016，37（05）：26090-93.-10-'