水对煤岩蠕变力学特性影响的试验研究.pdf

论文题目水对煤岩蠕变力学特性影响的试验研究 学科名称工程力学 硕 士 生李高阳签名 指导教师张慧梅签名 摘要 目前，我国煤炭生产的安全形势仍然十分严峻，煤矿生产事故时有发生。地下采煤 时，随着开采时间的增加，煤柱在顶板压力的作用下会发生蠕变现象，进而会使上层顶 板失去支撑而坍塌破坏，出现煤矿事故。另一方面，煤岩体的导水性强，且遇水后力学 性质发生显著变化，水是影响岩石蠕变性质的一个重要因素。因此，对于地下采煤工程 来说，研究不同浸润条件下煤岩蠕变力学特性显得尤为重要。 论文针对矿区日益增长的工程需要，以试验研究为基础，借助 DNS200 型电子万能 试验机、SAEU2S 声发射系统以及 Vic-3D 应变测量系统，系统地研究煤岩在不同浸润 时间下的蠕变力学特性，为矿区采煤工程建设提供一定的理论基础。 从现场取回煤岩岩块， 加工成50mm100mm的国际标准试件， 将试件分为 4 组， 分别在水中浸润 0h、48h、96h、144h，并对 4 组试件分别进行单轴压缩蠕变试验，试验 过程中观察并记录煤岩蠕变破坏过程及破坏方式，探讨煤岩蠕变峰值应力、轴向应变随 浸润时间的变化规律，分析煤岩蠕变断裂破坏的影响因素。结果表明煤岩的蠕变破坏 一般呈现为劈裂破坏；随着浸润时间的增加，煤岩的蠕变峰值应力逐渐降低，轴向应变 呈现增大的趋势。 对经历不同浸润时间0h、48h、96h、144h后的煤岩试件进行单轴压缩蠕变声发射 特性试验。研究煤岩蠕变试验过程与声发射参数之间的对应关系，分析浸润时间对声发 射参数振铃计数、能量、幅度的影响规律。研究表明通过分析声发射参数的变化可 以很好的描述煤岩试件在蠕变过程中的各个阶段的力学特征。 借助 Vic-3D 应变测量系统为辅助工具，对煤岩单轴压缩试验进行监测，通过散斑 的移动得到二维应变， 进而得到煤岩表面的应变云图。 结果表明 随着浸润时间的增加， 煤岩试件的峰值应力与弹性模量逐渐降低，而峰值应变逐渐增大；在煤岩单轴压缩破坏 过程中，煤岩试件表面的应变演化云图可以很好的与其破坏过程相对应，试件最终破坏 是按照产生裂缝的区域开始断裂。 因此认为轴向与横向应变的变化趋势可以直观再现煤 岩的细观力学特征，预测其最终破坏形态。 关 键 词煤岩；蠕变；声发射；浸润时间 研究类型应用研究 本文得到国家自然科学基金项目11172232,41272340的资助 Subject Experimental study on the effect of water on the creep behavior of coal and rock Specialty Engineering Mechanics Name LiGaoyangSignature_________ Instrutor ZhangHuimeiSignature_________ ABSTRACT At present, Chinas coal production safety situation is still very grim, coal mine production accidents have occurred, resulting in the loss of life and property. Underground coal mining, with the increase of the time of mining, coal pillar creep phenomena will occur in the roof pressure, which can cause failure, make the upper roof collapse and lost support, mine accidents. But long time large deation of coal and rock is not instantaneous slow rheological results, the creep is the main of rheology; on the other hand, the coal rock masshydraulicconductivity,waterandmechanicalpropertieschangesignificantly influencing the creep properties of rock water is an important factor. Therefore, for underground coal mining engineering, we should not neglect the time effect of coal rock strength that is, creep effect. According to the engineering demands of mining area, based on the experimental study, using the DNS200 type electronic universal testing machine, SAEU2S AE system and Vic-3D strain measurement system as the auxiliary tool to systematically study the creep mechanical properties of coal rock under different infiltration time, provide a theoretical basis for the coal mine construction. From the scene to retrieve the coal rocks, processed into international standard specimens, the specimens were divided into 4 groups, 0h, 48h, 96h and the infiltration of 144H in water respectively, and 4 groups of specimens were subjected to uniaxial compression creep test, the test in the process of observing and recording process and failure mode of coal rock creep damage study on coal, rock creep strength, axial strain changes with the infiltration time, analysis of the factors affecting the damage of coal rock creep. The results show that the creep failure of coal and rock is generally split. With the increase of the number of days, the creep rupture strength of coal and rock is decreased, and the axial strain increases. To experience different infiltration time 0h, 48h, 96h, 144H after the coal rock specimen under uniaxial compression creep test of acoustic emission characteristics. In this paper, the relationship between the creep test process of coal and rock and acoustic emission parameters is studied, and the effect of infiltration time on the acoustic emission parameters ringing count, energy, amplitude is analyzed. The results show that the mechanical properties of coal samples in different stages of creep can be well described by the analysis of acoustic emission parameters. The Vic-3D strain measurement system is used as an auxiliary tool to monitor the coal rock uniaxial compression test. The results show that with the increase of soaking time, the peak stress and elastic modulus decreased, while the peak strain increases gradually; in the coal rock uniaxial compressive failure process of coal rock strain of the specimen surface evolution of the image can be very good and the corresponding analysis of the failure process, in the macro qualitative and quantitative visual images. Finally the specimen failure is in accordance with the crack of the region began to break, it can be that the change trend of transverse strain can be roughly predict the coal rock failure trend. The two-dimensional strain is obtained by the movement of speckle, which can reproduce the meso mechanical characteristics and predict the final failure mode. Key WordsCoal and Rock;Creep; Acoustic Emission ;Infiltration Time. ThesisApplication Research This thesis was supported by the National Natural Science Foundation of China 11172232,41272340 目录 I 目录 1 绪论..........................................................................................................................................1 1.1 选题背景及研究意义....................................................................................................1 1.2 国内外研究现状............................................................................................................2 1.2.1 岩石蠕变试验研究现状......................................................................................2 1.2.2 岩石蠕变声发射特性研究现状..........................................................................4 1.2.3 数字散斑相关技术研究现状..............................................................................6 1.3 本文研究的主要内容....................................................................................................6 2 煤岩蠕变力学特性试验研究.................................................................................................................8 2.1 煤岩蠕变力学特性........................................................................................................8 2.2 煤岩单轴蠕变试验........................................................................................................9 2.2.1 试件的制作及试验设备......................................................................................9 2.2.3 试验方法介绍....................................................................................................10 2.3 试验结果......................................................................................................................11 2.4 试验结果分析..............................................................................................................13 2.4.1 蠕变特性分析....................................................................................................13 2.4.2 水对煤岩蠕变力学特性的影响分析................................................................14 2.5 煤岩的蠕变破坏形态及其分析..................................................................................15 2.6 本章小结......................................................................................................................16 3 煤岩蠕变声发射特性试验研究.......................................................................................................... 18 3.1 声发射检测基本理论..................................................................................................18 3.1.1 声发射检测原理................................................................................................18 3.1.2 声发射检测目的................................................................................................19 3.1.3 声发射检测优点................................................................................................19 3.1.4 声发射主要相关参数........................................................................................19 3.2 试验设备及方法..........................................................................................................20 3.2.1 试验设备............................................................................................................20 3.2.2 试验方法............................................................................................................21 3.3 煤岩蠕变声发射试验参数特性结果分析..................................................................21 3.3.1 蠕变 AE 振铃计数分析.................................................................................... 22 3.3.2 蠕变 AE 能量分析............................................................................................ 25 3.3.3 蠕变 AE 幅度分析............................................................................................ 27 3.4 煤岩蠕变破坏 AE 参数分析...................................................................................... 28 目录 II 3.5 本章小结......................................................................................................................29 4 基于 Vic-3D 技术的煤岩单轴压缩试验研究......................................................................30 4.1 数字相关图像的基本原理..........................................................................................30 4.2 实验步骤及实验设备..................................................................................................30 4.3 浸润时间对试件单轴压缩变形的影响分析..............................................................32 4.3.1 水对煤岩的作用方式........................................................................................33 4.3.2 水影响煤岩物理力学性质的原因....................................................................33 4.3.3 浸润时间对煤岩峰值载荷的影响....................................................................33 4.3.4 水对煤岩变形特性的影响................................................................................34 4.3.5 水对煤岩弹性模量的影响................................................................................34 4.4 单轴压缩下试件纵向与横向应变演化过程及分析..................................................35 4.4.1 纵向应变演化过程............................................................................................36 4.4.2 纵向应变演化过程分析....................................................................................38 4.4.3 横向应变演化过程............................................................................................40 4.4.4 横向应变演化过程分析....................................................................................42 4.5 本章小结......................................................................................................................44 5 结论与展望............................................................................................................................................... 45 5.1 结论..............................................................................................................................45 5.2 展望..............................................................................................................................46 致谢...........................................................................................................................................47 参考文献...................................................................................................................................48 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景及研究意义 中国是世界上产煤量最高的国家， 而且是煤炭消费的大国。 1996 年中国煤炭探明可 采储量居世界第三位，全行业每年的煤炭开采产量达到 10 亿吨左右，2015 年我国煤炭 探明为 15663.1 亿吨，排在美国和俄罗斯之后，同年我国煤炭消费总量达到 33.8 亿吨。 因此，煤炭行业已经变成了我国国民经济快速稳定发展的重要基础。但是煤炭产量的增 加也伴随着煤矿事故的发生。 近年来， 我国各地区在开展采煤工程时仍然问题不断， 发生了许多起煤炭生产事故。 由于经济的发展，煤炭的需求量不断增加，所以开采深度也在不断的增加，矿井深部的 煤层受到温度、载荷、水等多种因素的影响，其力学性质会发生变化，从而使煤层开采 的难度增加，同时也造成了矿区重大伤亡事故接二连三的发生。2001 年 1 月 5 日，广西 省来宾县三五乡泡水煤矿发生透水事故， 造成井下 21 名民工死亡， 只有 1 人得救； 2002 年 4 月 25 日，河北省开滦林西矿八水平就石门发生大面积冒顶事故，致使 11 名工人死 亡；2003 年 5 月 24 日河南省安阳市龙安区安利煤矿在工人维修过程中发生透水事故， 造成 15 名矿工死亡；2003 年 9 月 2 日，河南省洛阳市伊川县奋进煤矿黄村分井发生透 水事故，造成 16 人死亡；2004 年 3 月 1 日，山西省介休市金山坡煤矿发生瓦斯爆炸事 故，事故发生时井下共有 32 人正在作业，28 人死亡，只有 4 人成功脱险；2005 年 10 月 4 日，四川省广安市四川煤炭产业集团广能集团隆滩煤矿发生透水事故，造成 12 名 矿工遇难，还由 16 名矿工失踪；2006 年 1 月 9 日，陕西省渭南市白水县城关镇上河煤 矿井下发生顶板事故，造成 1 人遇难；2007 年 2 月 14 日陕西省榆林市中能榆阳煤矿井 下发生顶板事故，造成 4 人遇难。近些年，据统计我国 2015 年全年共发生矿难 28 起， 遇难人数达到 189 人，2016 年全年共发生矿难 21 起，遇难人数为 195 人。因此，我国 现在面临的煤矿安全生产问题依然十分严峻，煤矿开采技术有待提高，煤矿安全隐患有 待进一步排除。而矿井下煤层受多种因素的影响使其力学性质变得十分复杂，这促使我 们要对矿井下煤岩的力学性质进行深入研究，为煤炭的安全生产提供重要的参考依据。 由于国家经济的发展越来越快，对于煤炭的需求量也越来越大。这就对采煤技术有 了更高的要求。采煤技术可以直接决定煤的产量以及采煤过程的安全性，因此提高采煤 技术是确保采煤工程安全顺利完成的首要目标。 而由于煤层蠕变时时刻刻都在威胁着煤 的安全生产，所以对于煤层蠕变的研究已经刻不容缓。通过研究已有的实践发现，在煤 矿开采的过程中，煤岩体表面会从之前的 3 向受力变成 2 向受力。对于这种条件下的煤 岩体将会发生蠕变变形破坏，从而导致重大煤矿事故的发生。在采煤过程中，随着时间 西安科技大学硕士学位论文 2 的推移，顶板在受力过程中有可能会发生不同程度的变形，从而煤层顶板的稳定程度会 发生变化，顶板随着时间的推移而发生的变形即为蠕变变形，蠕变变形发展到一定程度 可能会导致失稳破坏。煤岩的蠕变是指，煤岩在保持应力不变的条件下，应变随时间的 延长而增加的力学现象。对于煤矿深部的开采，由于深部岩体处于渗透高，温度高，载 荷大等条件下，矿井深部的煤岩容易出现较大的变形。因此研究煤岩的蠕变现象，揭示 煤岩的蠕变变形过程以及规律， 会对解决煤矿安全开采和矿井安全维护问题有十分现实 而重要的意义。 由于煤岩具有吸水性， 煤岩浸水后内部结构发生变化， 从而使煤岩的力学性质劣化， 所以水是使其发生蠕变变形的关键因素。当水接触煤岩时主要会对煤岩产生两种作用， 其一是力学作用， 着重表现为水压对煤岩产生的静力作用和水压对煤岩产生的的冲击作 用。其二是化学和物理作用，主要表现为煤岩的溶解、膨胀、软化等作用。其结果会让 煤岩的物理力学性质逐渐变差，随着时间的延长，最后会发展到使煤岩发生较大变形从 而失稳破坏的结果。显然水接触煤岩所产生的压力不会直接摧毁煤岩体，但是可以使煤 岩体的有效重量降低，从而降低了煤岩体抵抗压力破坏的能力，即抗压强度；同时在煤 岩受水的作用发生变形的过程中，进入煤岩内部的水不能向周围流动，从而会产生较大 的水压，这会促使煤岩内部孔隙裂隙数量的增加，从而弱化煤岩体的强度；当水在煤岩 内部结构中流动时，不仅会润滑煤岩内部结构，同时水会与煤岩内部结构中存在的一部 分亲水物质相结合，从而使煤岩内部结构发生破坏。这样，煤岩在受力发生变形的过程 中，其摩擦系数会随含水量的增加而降低。同时，煤岩中含有少量的泥质成分，由于水 在煤岩内部循环流动会使少量的泥质成分逐渐消失，从而会使煤岩的强度降低。因此， 水接触煤岩产生的力学作用以及物理化学作用使煤岩抵抗破坏的能力降低， 从而发生大 变形以及完全破坏。因此，开展水对煤岩体蠕变力学特性影响的试验研究具有重要的现 实意义。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 岩石蠕变试验研究现状 到目前为止，对煤岩体开展的蠕变特性试验研究已得到了较大的成果，但是可以真 正指导实际工程并且能大范围推广使用的研究成果并不多。 原因之一是煤岩体具有非均 质、非弹性、非连续、各向异性的特点，我们现在所掌握的理论基础成果还不能同时考 虑这些特点。目前所掌握的研究方法就是将煤岩体定义为具有连续、均质、各向同性、 线弹性等特征，在此基础上再进行探索研究，其研究成果将能运用于采煤工程中；另外 一个原因就是现在掌握的研究方法和方式具有局限性， 致使其理论知识不能很好的应用 到采煤工程当中。但是随着科学家们努力的探索研究，让岩石流变的理论知识变得更加 1 绪论 3 丰富、其研究方式变得更加多样化、其研究条件更加完善，科学工作者们从宏观和微观 两个方面作为出发点，研究了岩石内部结构微小的变化与外部宏观流变特性之间的关 系，这些成果将会为工程实践操作提供重要的理论指导。 Ito H和Sasajima S[1]自1974年开始在一定湿度和常温条件下针对花岗岩和辉长岩进 行了持续十年的蠕变实验。Okubo[2]等对大理岩、砂岩、安山岩等岩石进行单轴压缩试 验，监测得到岩石单轴压缩曲线的全过程，得到了岩石蠕变的完整曲线，而且根据此成 果建立了能很好的描述岩石蠕变三个阶段的本构方程。D. F. Malan[3]对南非金矿的硬岩 进行蠕变试验研究，通过试验确定了硬岩也具有时间效应；Fujii[4]等选择花岗岩和砂岩 进行了三轴蠕变试验，实验结果表明在常应变速率条件下，径向应变率最低点和径向应 变加速起始点取决于最大加载载荷。Maranini[5]对 Pietra Leccese 岩石用多种加载方式进 行蠕变试验， 通过试验得出在较低围压作用下发生的裂隙扩展和高载荷作用下的孔隙破 坏是该类岩石的主要蠕变破坏方式；M.Gasc-Barbier[6]等对粘土岩开展了三轴蠕变试验， 试验持续过程将近 2 年。通过对试验结果进行分析得出，在试验进行 10 天以后蠕变速 率逐渐变得稳定， 大约是 10-11s-1， 虽然数值非常小， 但是其蠕变的变形也是不能忽视的。 L. Ma 和 Daemen[7]在常温条件下进行了凝灰岩的单轴蠕变试验， 得出在各级加载载荷下 的瞬时蠕变能用幂函数描述，在加载的前 50h 之内，稳定的蠕变率能用载荷的幂函数表 示出来。Chunhe Yang[8]等进行了岩盐的单轴和三轴蠕变试验，分别研究了围压和轴压对 蠕变曲线的影响，得出从初始蠕变到稳定蠕变阶段能用指数函数拟合，而且研究了应变 硬化现象。Berest[9]等对盐岩进行了蠕变试验，试验持续时间达到 650d，研究表明其蠕 变速率为 710-13s-1。Fabre[10]等对沉积岩开展了单轴压缩蠕变实验，根据实验结果得出， 发生第二和第三阶段蠕变会有一个应力门槛值，当实际应力低于门槛值时，只会发生初 始蠕变，如果加载载荷高于这个应力门槛值时，才能发生第二和第三阶段的蠕变。 在国内，由于岩石的蠕变特性逐渐被大家作为重点研究对象，相关学者们为了进一 步完善岩石蠕变特性的理论成果，进行了一系列岩石蠕变实验，细致研究了影响岩石蠕 变的各种因素。许宏发[11]进行了泥质板岩的单轴蠕变压缩试验，得出板岩的弹性模量和 强度都是时间的函数，随时间的延长而降低，并且定义了长期强度、长期弹模以及长期 损伤变量；沈振中和徐志英[12]采用三峡大坝地基花岗岩进行单轴压缩蠕变试验，花岗岩 在较高载荷下依然产生比较大的蠕变变形，而且变形性质符合 Burgers 模型；将岩石在 水中长时间浸泡，岩石的组成成分和内部结构会产生变化，随着时间的延长会出现新的 孔隙和裂缝，这会使岩石孔隙率增加，最终会造成其物理力学性质的慢慢弱化。同时， 在长时间被水作用能使岩石组成颗粒之间的黏聚力和内摩擦角减小，降低岩石的强度。 周翠英[13]等分别测出 3 种软岩在天然状态、 饱和状态的单轴峰值应力、 抗拉及抗剪应力， 获得 3 种软岩的几种应力随时间变化的规律。发现，随着时间的延长，试件的各种应力 一直在降低，基本遵从指数衰减的变化方式，当试件饱水后，当时间为 6 个月左右，其 西安科技大学硕士学位论文 4 强度逐渐变为定值。 杨春和[14]等通过实验探究了板岩在水中浸润后发生软化的过程和原 因，通过实验数据分析得出随着浸润时间的增加，试件的吸水率在前 2 内变化比较大， 之后变化很小， 板岩浸润后会软化， 随着吸水率增加， 抗压强度的降低服从负对数规律。 邓建华[15]等开展了干燥和天然含水状态下膏溶角砾岩力学特性实验，研究发现，当含水 率上升，膏溶角砾岩的抗压强度和弹模会减小，但是泊松比会产生线性增加的情况。梁 卫国[16]等进行了盐岩的蠕变实验， 实验表明盐岩蠕变特性的影响因素包括其矿物组成成 分、加载应力水平。艾巍[17]等