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烟煤的强度特性及影响因素研究 重庆大学硕士学位论文 （专业学位） 学生姓名刘小波 指导教师张振宇 研究员 兼职导师隆清明 副研究员 学位类别工程硕士（矿业工程） 重庆大学资源及环境科学学院 二 O 一八年五月 万方数据 Strength Properties of Coal and Its Influence Factors A Thesis ted to Chongqing University in Partial Fulfillment of the Requirement for the Professional Degree By Liu Xiaobo Supervised by Prof. Zhang Zhenyu Specialty MEMining Engineering College of Resources and Environment Science of Chongqing University, Chongqing, China May, 2018 万方数据 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 I 摘 要 煤岩力学强度是煤矿开采设计、煤柱留设以及巷道稳定性评价中最为常用的 力学参数。本文较为系统的研究了不同饱和条件下烟煤的单轴抗压强度特性、不 同层理面方位的烟煤抗拉强度特性以及不同围压条件下的烟煤三轴抗压强度特性 演化规律。同时，为克服煤岩难于现场取样的特点，本研究首次探讨了便携式针 贯入仪在烟煤单轴抗压强度测试中应用的可行性。基于以上研究，得出以下主要 结论 ① 首次将针贯入仪应用到烟煤单轴抗压强度测试中。通过对烘干烟煤样及饱 和烟煤样的单轴压缩实验研究，发现针贯入仪在测试干燥或者未饱和煤样单轴抗 压强度方面具有较高的可靠性和应用前景。 ② 研究了静水压力浸泡下烟煤样的力学特性演化规律。结果表明煤样单轴 抗压强度随着浸泡时间的增加而增加，而静水压力浸泡处理对煤样轴向应力-轴向 应变曲线没有显著影响，但是，径向弹性模量会随着浸泡时间的增加而增大。 ③ 在不同层理面方位烟煤抗拉强度特性方面，将烟煤层理面与水平面夹角定 义为层理面倾角 α。 通过实验研究发现， 层理面倾角 α 与抗拉强度呈现非对称“V” 型关系。当层理面倾角 α0时，煤样抗拉强度取得最大值，随着层理面倾角 α 的 增大，煤样抗拉强度呈近似线性减小，并且在 α60时取得最低值；当 α 大于 60 时，煤样抗拉强度由随层理面 α 倾角增大而减小的趋势转变为随层理面倾角增加 而增大的趋势，并在 90时达到非对称“V”型谷底后的最大值，且 α90时的抗 拉强度小于 α0的抗拉强度值。 ④ 烟煤层理面对于巴西劈裂盘裂纹有显著影响。伴随 α 从 0增加到 60，裂 纹显著偏离试件线荷载所在的中心线，甚至呈“弓”状，超过 60后又逐渐向中心 线靠拢，当 α 增加到 90时，破坏裂纹与 α0相似，呈典型的巴西劈裂式裂纹。当 巴西劈裂线荷载与煤样层理面不平行时，在主裂纹附近产生次级裂纹。当 α 增加 到 60附近时，次级裂纹与主裂纹结合，成为主裂纹的一部分，导致了煤体抗拉强 度的大幅下降。 ⑤ 随着侧向围压的增加，烟煤的三轴抗压强度呈增大趋势，峰值点处的累计 轴向应变也增大，但是，烟煤杨氏模量受围压的影响可忽略不计。与烟煤破坏时 峰值强度显著增大趋势相比，烟煤的裂纹起始应力只是轻微增大。随着侧向围压 约束的增加，烟煤呈现出三种破坏模式的转换低围压下的劈裂式破坏，中等围 压下的劈裂与剪切混合的破坏以及高围压下的剪切破坏。 关键词关键词烟煤，强度特性，层理面倾角，抗拉强度 万方数据 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 II ABSTRACT The strength properties of coal are the most commonly used mechanical parameters in coal mining design, pillar design and roadway stability uation. The characteristics of uniaxial compressive strength of bituminous coal under different saturation conditions, the tensile strength characteristics of bituminous coal disk of different bedding directions and the evolution of triaxial compressive strength characteristics of coal under different confining pressure conditions are studied. At the same time, in order to overcome the difficult nature in coal sampling at mine sites, the feasibility of application of the portable needle penetration instrument in uating the uniaxial compressive strength of bituminous coal is discussed for the first time. In this study, the following main conclusions are drawn ① For the first time, needle penetration test was applied to uate the uniaxial compressive strength of bituminous coal. Through the experimental study on the uniaxial compression of dry coal samples and saturated coal samples, it is found that the needle penetration instrument has a high reliability in uating the uniaxial compression strength of dry or unsaturated coal samples. ② After soaking the coal in a hydrostatically pressurized chamber, it is found that the uniaxial compressive strength of bituminous coal samples increased with the soaking time. However, the soaking in hydrostatically pressurized chamber has no significant effect on the curve of axial stress- axial strain coal samples. However the radial elasticity modulus increased with the soaking time. ③ Indirect tensile strength tests show that an asymmetric “V-shaped“ relationship existed between the bedding dip angle and the tensile strength of bituminous coal. Here, the angle α is defined as the inclination angle of the bedding to the horizon. The maximum tensile strength of the coal is achieved when the bedding dip angle α0. With the increase of α, the tensile strength of the coal samples decreased approximately following a linearly, and the minimum value was obtained when bedding dip angle α60. When the bedding dip angle α60, the descending trend of the tensile strength changed to be an increasing trend. At α60, the maximum value after the asymmetrical “V” valley bottom was achieved, but the tensile strength at this moment was lower than the tensile strength when α0. ④ The bituminous coal bedding dip has a significant influence on the final 万方数据 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 III cracking mode of Brazilian tests. The crack deviated significantly from the center line of the specimen with the α increased from 0 to 60, ing a “bow” shape. Then, the crack gradually converged towards the centerline when α increased beyond 60. The typical Brazilian split crack appeared at 60. Due to existence of the bedding, the secondary cracks were generated on the bedding of specimen. When α increased to around 60, secondary cracks became a part of the primary cracks, resulting in a substantial decrease in the tensile strength of the coal. ⑤ With the increase of lateral confining pressure, the triaxial compressive strength of bituminous coal sample increased significantly, together with the cumulative axial strain at the peak stress. However, the change of the Youngs modulus was negligible. Compared with the significant increase in peak compressive strength, the crack initiation stress of coal sample was only slightly increased. With the increase of lateral confining pressure, the coal sample presents three types of failure modes splitting failure under the low confining pressure, failure of splitting and shearing under the medium confining pressure and shear failure under the high confining pressure. Keywords bituminous coal, compression strength property, bedding dip, tensile strength 万方数据 重庆大学硕士学位论文 目 录 IV 目 录 中中文摘要文摘要 .......................................................................................................................................... I 英文摘要英文摘要 ........................................................................................................................................ II 1 绪绪 论论 ...................................................................................................................................... 1 1.1 课题的提出及研究意义课题的提出及研究意义 ........................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 ....................................................................................................................... 1 1.2.1 岩石单轴抗压强度测试方法 ........................................................................................... 1 1.2.2 层理倾角与抗拉强度关系研究 ....................................................................................... 3 1.2.3 岩石三轴抗压强度特性研究 ........................................................................................... 3 1.2.4 岩石强度理论研究 ........................................................................................................... 4 1.3 论文主要研究内容及技术路线论文主要研究内容及技术路线 ............................................................................................... 7 1.3.1 主要研究内容 ................................................................................................................... 7 1.3.2 研究技术路线 ................................................................................................................... 8 2 干燥与饱和烟煤单轴压缩实验与针贯入仪应用干燥与饱和烟煤单轴压缩实验与针贯入仪应用研究研究 ................................. 9 2.1 概述概述 ........................................................................................................................................... 9 2.2 实验方法实验方法 ................................................................................................................................... 9 2.2.1 试件准备 ........................................................................................................................... 9 2.2.2 实验原理 ......................................................................................................................... 10 2.2.3 单轴压缩实验 ................................................................................................................. 11 2.2.4 针贯入实验 ..................................................................................................................... 12 2.3 实验结果与分析实验结果与分析 ..................................................................................................................... 14 2.3.1 单轴压缩实验 ................................................................................................................. 14 2.3.2 针贯入实验 ..................................................................................................................... 18 2.3.3 UCS-NPI 模型的适用性探讨 .......................................................................................... 19 2.4 本章小结本章小结 ................................................................................................................................. 20 3 不同层理倾角对烟煤抗拉强度特性影响规律研不同层理倾角对烟煤抗拉强度特性影响规律研究究 .................................... 22 3.1 概述概述 ......................................................................................................................................... 22 3.2 实验方法实验方法 ................................................................................................................................. 22 3.2.1 试件准备 ......................................................................................................................... 22 3.2.2 实验方案 ......................................................................................................................... 23 3.3 抗拉强度特性研究抗拉强度特性研究 ................................................................................................................. 25 3.3.1 应力-应变曲线 ................................................................................................................ 25 万方数据 重庆大学硕士学位论文 目 录 V 3.3.2 层理面倾角对抗拉强度影响 ......................................................................................... 26 3.3.3 层理面倾角对破坏模式影响 ......................................................................................... 28 3.4 单轴抗压强度与抗拉强度相关性分析单轴抗压强度与抗拉强度相关性分析 ................................................................................. 29 3.4.1 应力-应变曲线 ................................................................................................................ 29 3.4.2 声发射特性分析 ............................................................................................................. 31 3.4.3 抗压强度与抗拉强度相关性分析 ................................................................................. 32 3.5 本章小结本章小结 ................................................................................................................................. 33 4 烟煤三轴抗压强度特性以及在深部煤柱设计中烟煤三轴抗压强度特性以及在深部煤柱设计中的建议的建议.......................... 34 4.1 概述概述 ......................................................................................................................................... 34 4.2 实验方法实验方法 ................................................................................................................................. 34 4.2.1 试件准备 ......................................................................................................................... 34 4.2.2 实验原理 ......................................................................................................................... 36 4.3 实验结果与分析实验结果与分析 ..................................................................................................................... 37 4.3.1 应力-应变曲线 ................................................................................................................ 37 4.3.2 破坏模式 ......................................................................................................................... 41 4.3.3 煤柱设计建议 ................................................................................................................. 42 4.4 本章小结本章小结 ................................................................................................................................. 43 5 结论与展望结论与展望 ......................................................................................................................... 44 5.1 主要结论主要结论 ................................................................................................................................. 44 5.2 主要创新点主要创新点 ............................................................................................................................. 45 5.3 后续工作展望后续工作展望 ......................................................................................................................... 45 致致 谢谢 ....................................................................................................................................... 46 参考文献参考文献 ....................................................................................................................................... 47 附附 录录 ....................................................................................................................................... 52 A. 作者在攻读学位期间发表的论文作者在攻读学位期间发表的论文 .......................................................................................... 52 B. 作者在攻读学位期间参加的科研项目作者在攻读学位期间参加的科研项目 .................................................................................. 52 C. 作者在攻读学位期间获得的专利作者在攻读学位期间获得的专利 .......................................................................................... 52 万方数据 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 课题的提出及研究意义 作为世界上第二大能源消费国与生产国，我国对于能源需求是巨大的。在探 明的化石能源资源总量中煤炭占比 96.41，石油 1.71，天然气 1.87，多煤少 油是我国能源储量结构的一大特点[1]。虽然，由于生态环境和国家能源战略需求， 以煤炭为燃料的消费方式在国民能源消耗中的比例将慢慢减小。但是在当前能源 格局下，煤炭在我国能源消费体系中占据着举足轻重的地位，预计在本世纪中叶 前，我国以煤为主的能源生产和消费格局不会改变。 我国煤炭输出大省有山西、陕西、内蒙古、新疆、黑龙江、贵州等诸多省 份。为保证煤炭开采工作的正常有序进行，掌握煤体强度特性显得极为重要。在 井工开采中，煤体的强度特性是采煤工作面及巷道稳定性支护最重要的设计依据 之一。煤体强度特性的恰当、准确表征不仅关系着煤矿生产的安全，还影响着采 掘工程的经济性。同时，在实际生产中，天然煤体解理、裂隙等不连续面发育， 且普氏硬度系数 f2-4，与其他沉积岩相比，强度较低，以上因素使得煤矿现场取 心难度高。因此，如何方便、快速测试煤岩的强度特性是广大煤矿从业者所关心 的一个热点问题。 本文将针贯入仪运用到烟煤单轴强度预测中，探讨了其可行性，为现场测试 烟煤单轴抗压强度提供了新方法。进而，论文研究了层理面倾角对烟煤抗拉强度 的演化规律，分析了围压对烟煤抗压强度的影响机制，从而指导煤柱设计、煤矿 安全开采等。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 岩石单轴抗压强度测试方法 单轴抗压强度（UCS）是重要的岩石强度特性参数之一。根据国际岩石力学学 会测试标准，直接测定煤岩体单轴抗压强度需要高标准岩石试件。但是，随着煤 体镜质组含量的增加，圆柱形煤心的取样变得困难。另外，煤质岩石解理、裂隙 等弱面发育，加大了打钻取煤心的难度。针对标准试件准备较难导致测取 UCS 的 不便性，国内外学者提出几种测试单轴抗压强度的便捷方法。1972 年，布罗赫和 富兰克林研发了点载荷试验方法[2]，可使用规则或者不规则试件进行强度测试，但 要尽可能使试件的长大于宽、大于高，并且测试点处应尽量平整。施密特锤是一 种较为便携式的测试岩石强度的仪器，然而这种测试方式具有冲击性，所以对于 低强度的软岩和极软岩适用性有待提高。1988 年，Schrier [3]提出了一种简单测试 万方数据 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 2 方法Block Punch Index（BPI）测试法，其示意图如 1.1。该测试法可以预测单轴 抗压强度以及抗拉强度。以上测试方法在一定程度上降低了 UCS 的测试难度，但 是仍不能满足软岩和极软岩 UCS 测试需求。 图 1.1 Block Punch Index 示意图[29] Fig. 1.1 Block Punch Index test apparatus[29] 上个世纪八十年代，日本研制出针贯入仪（NP） ，通过钢针贯入岩体，得出贯 入深度与贯入力两个参数，通过以上两个参数之比得出贯入比（NPI） ，通过经验 预测模型获取单轴抗压强度。针贯入仪体积小，方便携带，测序程序简单，大大 简化了试件的准备过程。针贯入岩石造成的局部损伤是十分微小的，可以认为针 贯入测试是无损害测试，对于软岩和极软岩 UCS 的测试有着极大运用前景。到目 前为止，针贯入仪测试岩体 UCS 在日本、北爱尔兰、土耳其、埃及、印度尼西亚 等多个国家得到应用 [4, 5]。众多学者开展了针贯入测试强度的相关研究， Ngan-Tillard 等通过 CT 扫描、显微镜和扫描电镜等方式研究了针贯入岩石的微观 结构损伤[4]。Ulusay 和 Erguler 研究表明钢针贯入速率对于 UCS 的预估没有明显 影响，同时针贯入仪对于 UCS 在 40MPa 以下的软岩都是适用的[6]。Azadan 和 Agabgaru 研制了一款动力贯入仪来测试软岩单轴压缩强度[7]。 Aydan 等实验结果表 明可以通过针贯入实验来测量