水对煤样力学性质与破坏形式的影响.pdf

国家自然科学基金项目资助（51674248，51304208） 江苏省自然科学基金（BK20161184） 江苏高校优势学科建设工程资助项目 硕士学位论文 水对煤样力学性质与破坏形式的影响 Effects of Water on Mechanical Properties of and Failure Modes in Coal 作 者陈田 导 师姚强岭 教授 中国矿业大学 二○一七年五月 万方数据 中图分类号 TD3 学校代码 10290 UDC 622 密 级 公开 中国矿业大学 硕士学位论文 水对煤样力学性质与破坏形式的影响 Effects of Water on Mechanical Properties and Failure Modes in Coal 作 者 陈 田 导 师 姚强岭 申请学位 工学硕士 培养单位 矿业工程学院 学科专业 采矿工程 研究方向 岩体力学与岩层控制 答辩委员会主席 评 阅 人 二○一七年五月 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解中国矿业大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所撰写的 学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理 作为申请学位的条件之一， 学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位论文 的部分使用权，即①学校档案馆和图书馆有权保留学位论文的纸质版和电子版，可 以使用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；②为教学和科研目的，学 校档案馆和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、 图书馆等场所或在校园 网上供校内师生阅读、浏览。另外，根据有关法规，同意中国国家图书馆保存研究生 学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 。 作者签名 导师签名 年 月 日 年 月 日 万方数据 致谢致谢 光阴荏苒，日月如梭，这已经是在矿大就读的第六年。在这研究生近两年的岁月 里，我日渐成熟，更加自律。这两年，读了数百篇文献，做了大量的实验，从科研门 外汉到在高水平岩石力学杂志上发表文章，明白了如何发现、解决问题。而在这一历 程中，自己的导师、同学与朋友给了我莫大的鼓励与帮助。 首先要感谢导师姚强岭教授对自己科研的指导，以及他大力的经费资助，让我得 以放手从事实验。尽管导师在美国访学一年，但丝毫没有放松对学生们的督导。他平 时经常敦促我的学习与科研进展，正是在他的帮助下我才很快融入科研，在较短时间 内有创新的科研发现。姚老师同时是我大学四年的班主任，他高度自制、勤奋、严于 律己的精神对学生影响颇大，是一个由衷让人钦佩爱戴的老师。值此毕业论文完成之 际，向姚强岭老师致以诚挚的感谢。 在研究生学习期间，也得到了同课题组李学华教授多次指导，老师学识渊博，亲 近同学，总能高屋建瓴的对我提出的问题给予最形象具体的回答。李学华老师还在我 学习生活上，给予诸多帮助。他同时教会学生很多待人接物道理，以及乐观从容的心 态。矿业工程学院其他老师，和研究生授课老师也在各个方面给学生教授专业知识和 做人道理，于此，对他们给予美好祝福和诚挚的谢意 同时也要感谢课题组瞿群迪和梁顺老师在生活上关心， 以及种照辉与鞠明和博士， 在研究生初期给予论文写作的指导和建议。感谢课题组同届同学卫斐、王傲、刘亚鹏 和张博等硕士在前后几次试验提供的帮助。 研究生两年，感谢所有这些一路上与我相互帮助与携手并进的同学与朋友，与他 们思想碰撞，探索人生，编织出我研究生生活最为美好的回忆，愿他们与我在各自道 路都更加杰出有为。 与此同时，感谢深爱我的父母，给我美满幸福的家庭，总给予我最大的支持，你 们的殷切希望是我成长的重要动力之一。 也要感谢女友杜茂在这几年给予的互相激励。 最后，感谢在百忙之中评审、答辩本论文并提出宝贵意见的各位专家 陈田 2017.4 万方数据 I 摘摘 要要 中国煤炭资源开采 70左右的产能集中在中西部干旱半干旱区域，而水资源是 制约该区域煤炭资源大规模开采的关键因素之一。当前，保水开采和采空区地下水库 储水已成为缓解该区域水资源日趋紧张的关键技术。 通过研究水对煤样裂隙发育和破 坏形式的影响规律，对采空区地下水库储水煤柱坝体尺寸设计、保水开采导水裂隙带 高度计算等具有重要意义。 为探究水对煤样力学性质的影响，利用自制无损浸水实验装置控制煤样（西沙河 煤矿，长方体试样；新桥煤矿，标准圆柱体试样）含水率并结合煤样吸水变化规律， 确定了西沙河煤样含水率选择分别为 0、2.37、3.78和 5.29，新桥煤矿标准圆柱 型煤样含水率选择为 0、4.98、9.92和 12.33。通过单轴压缩实验研究发现煤样 含水率随着浸水时间呈现快速增长期、缓慢增长期和稳定期。煤样的峰值应力、强度 软化系数、弹性模量、应变软化模量、后峰值模量均随着含水率增加而呈现不同程度 的减小，而峰值应变随着含水率的增加而增加，表明了水对煤样力学性质具有明显弱 化作用。 通过声发射（AE）、X 射线衍射（XRD）、电镜扫描（SEM）和压汞实验（MIP） 等方法研究了水对煤岩裂隙扩展规律和煤样破坏形式的内在机理。研究表明具有很 高亲水性的伊利石是影响煤样吸水性的主要粘土矿物；结合刚度-应力和声发射累计 计数-应力关系曲线，不同含水率煤样的裂隙发育阶段可利用累计计数-应力关系划分 5 个阶段，即压密，弹性，裂隙稳定发育，不稳定发育和峰后阶段；煤样声发射活动 集中出现在 D 点（裂隙损伤阈值）之后。同时，研究发现煤样的裂隙压密应力阈值， 初始发育阈值和损伤阈值随着含水率增大而减小，但其值占峰值强度的比值不变，分 别为 14.80，29.93和 72.71；随着含水率增大，煤样声发射活性减弱，声发射累 计振铃计数减小，同时弱化了煤样内部颗粒连接，增加了煤样滑动破坏的可能性。通 过对比分析声发射的 RA 和 AF 值发现所有煤样裂隙呈现张剪复合型裂隙，无单一 拉伸或者剪切裂隙出现。但随着含水率增大，煤样的总裂隙和张裂隙数目均减少，但 剪切裂隙比例却明显增大。水作用下煤样 RA-AF 值核心区域向低 AF 高 RA 区域靠 拢，煤样的宏观裂隙形态主要表现为裂隙充分发育，剪切裂隙集聚甚至贯穿，最后煤 样破坏表现为以剪切破坏为主的可能性大大增加。 该论文有图 30 幅，表 3 个，参考文献 72 篇。 关键词关键词煤样；水；力学性质；裂隙发育；破坏形式；声发射 万方数据 II Abstract Approximately 70 coal resources in China are located in the arid region of the middle- west China, where water resource protection is the main factor restricting large-scale mechanized mining. Currently, water-holding mining and underground water storage in gobs can be employed to partly reduce serious water deficits in arid areas. Knowledge of the effects of water on crack propagation and crack failure modes in coal can help determine the desired width of coal pillars in underground reservoirs and calculate the height of fractured zones containing flowing water. To study the mechanical properties, we used a self-made, water-intrusion apparatus to explore the relationship between moisture content and water-absorption time. Twelve cuboid coal samples from Xishahe colliery with moisture contents of 0, 2.37, 3.78 and 5.29 were prepared for acoustic emission tests under uniaxial compression. The moisture content of twenty cylindrical coal samples from Xinqiao colliery was adjusted to 0, 4.98, 9.92, and 12.33. Over about 6 days, the coal samples absorbed moisture from a humidifier in three different phases, 1 rapidly increasing moisture content, 2 slowly increasing moisture content and 3 approaching stability of moisture content. The uniaxial tests show that the peak stress, elastic modulus, strain softening modulus and post-peak modulus decreased with rising moisture content in the samples while the peak strain increased. These results demonstrate that water has an obvious weakening effect on mechanical prosperities in coal. Acoustic emission AE techniques associated with X-ray diffraction XRD, scanning electron microscope SEM, and a mercury intrusion porosimetry MIP were applied to study the mechanics of crack development and failure modes in the coal samples. We found that highly hydrophilic illite has a large impact on the water absorption ability of coal. Crack propagation in coal can be divided into five phases based on AE crack closure, plastic region, stable crack propagation, unstable crack propagation, and post-peak using accumulative AE counts or stiffness-stress curves. A uniaxial compressive test showed that AE activity mainly appeared after point D crack damage threshold. This investigation also quantifies the percentage of the stress thresholds for crack closure, crack initiation, and crack damage that constitutes the peak stress, with percentage of 14.8, 29.93 and 72.71 respectively. These stress thresholds do not change with moisture content. AE activity declined with increasing moisture content, and water reduced the internal connection of coal particles and 万方数据 III increased the possibility of sliding failure. According to the analysis of RA and AF values, coal samples showed compound tensile–shear cracks but tensile- or shear-only cracks were not evident. Both the number of total cracks and tensile cracks decreased, whereas the proportion of shear cracks increased with moisture content. Higher moisture content was associated with lower AF and higher RA values. The failure of coal mainly presented full propagation, accumulation of shear cracks, and finally crack coalescence and shear failure. Higher water content increased the possibility of shear failure in coal samples. There are 30 figures, 3 tables and 72 references in this paper. Keywords coal; water; mechanical properties; crack propagation; failure modes; acoustic emission 万方数据 IV 目目 录录 摘摘 要要 I 目目 录录 IV 图清单图清单 VIII 表清单表清单 X 变量注释表变量注释表 XI 1 绪论绪论 1 1.1 研究背景与意义 1 1.2 研究现状 4 1.3 研究内容与方法 8 2 水对煤样力学性质的影响水对煤样力学性质的影响 10 2.1 实验方案 10 2.2 含水率-浸水时间关系以及不同含水率煤样的全应力应变曲线 12 2.3 煤样峰值应力、强度软化系数和峰值应变与含水率关系 14 2.4 煤样弹性模量、应变软化模量、后峰值模量与含水率关系 16 2.5 本章小结 19 3 水对煤样声发射特征和裂隙发育的影响水对煤样声发射特征和裂隙发育的影响 20 3.1 声发射计数与全应力-应变曲线 20 3.2 含水煤样裂隙发育规律 22 3.3 裂隙阈值-含水率的关系 24 3.4 本章小结 26 4 水对煤样水对煤样破坏破坏形式的影响形式的影响 27 4.1 实验 27 4.2 水作用下煤样裂隙发育的规律 32 4.3 破坏形式与 AF-RA 值的关系 34 4.4 本章小结 38 5 主要结论与展望主要结论与展望 39 5.1 结论 39 5.2 展望 40 万方数据 V 参考文献参考文献 41 作者简历作者简历 46 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 48 学位论文数据集学位论文数据集 49 万方数据 VI Contents Abstract II Contents VI List of Figures VIII List of Tables X List of Variables XI 1 Introduction 1 1.1 Research Backgrounds and Significance 1 1.2 Research Status 4 1.3 Research Contents and s 8 2 Effects of water on mechanical properties of coal 10 2.1 Experimental scheme design 10 2.2 Relation between moisture content and intrusion time, and the overall strain-stress curves with various moisture content 12 2.3 Effect of moisture content on peak stress, strength softening modulus and peak strain 14 2.4 Effect of moisture content on elastic modulus, strain softening modulus and post-peak modulus 16 2.5 Brief Summary 19 3 Effects of water on AE characteristic and crack development 20 3.1 Relat