煤岩地层岩石的力学特性分析(初稿)

煤岩地层岩石的力学特性分析

摘要：煤岩地层岩石的力学特性包括变形特征和强度特征。本文对煤岩的力学特性进行了系统的分析，探讨了岩石试件在各种载荷作用下的变形规律和开始破坏时的最大应力（强度极限）以及应力与破坏之间的关系，为煤矿的开采和煤层气的开发提供理论依据。

关键词：煤岩力学特性变形特征强度特征

1、煤岩的结构构造特征

岩石的组成成分、结构构造特征造成了岩石物质成分的非均质性、物理力学性质的各向异性和结构构造的不连续性。这是区别于其他力学材料的最突出特征，而煤岩层的这些特征尤为显著。

煤岩的非均质性和各向异性突出表现在其组成成分在同一煤层中纵向（垂直层理）和横向不同方向和深度上的差异，以及在其生成过程中所形成的明显层状构造和孔隙结构所体现出的差异。通常煤岩中存在有两组近于垂直的割理，主要裂隙组面割理发育较完善延伸可至数百米，而端割理发育在面理之间，沟通了面割理。两组割理与层理面近于垂交或陡角相交。由于煤岩层状构造发育，空隙结构特殊，构造作用对后期的改造或产生裂隙，都充分体现出了煤岩结构构造的不连续性。

2、煤岩地层岩石的强度特征

2．1单轴压缩条件下煤岩的强度特征

对鲍店矿3煤31个煤样和新河矿3煤48个煤样在MTS815.03岩石伺服试验机上采用s

15-

⨯的轴向应变加载速度进行

10

mm/

单轴压缩试验(加载方向均垂直于煤层层面),得出的详细力学参数见论文第3章表.33和.34,结果汇总在表4.1中。

煤岩强度较低且离散性大的原因除与试验条件、取样制样技术等外在因素有关外,第2章的研究结果表明,主要与其微组分、微孔隙裂隙、微结构等内在因素有关。对煤岩单轴抗压强度的试验结果表明,煤岩强度与其容重、空隙率、含水率、煤体结构以及煤岩变质程度等有关。具体来讲,煤块的单轴抗压强度随其容重的增加而增加;随其孔隙率的增加而减小;煤体节理裂隙越发育,其强度越低;受火成岩影响,煤的变质程度越高,其强度越高。

2．2三轴压缩条件下煤样的强度特征

岩石在三轴压缩条件下的最大承载能力称三轴极限强度或

三轴压缩强度氏,恒定围压下岩样破坏后,应力应变曲线中不随压缩变形增大而变化的轴向应力称残余强度氏。煤样中含有大量的裂隙,其变形将受到摩擦力的影响,而裂隙面上的正应力与围压有关,增加围压,相当于增加了裂隙面上的正应力,裂隙面的滑移受到增大了的摩擦力的抑制而减小,因而提高了煤样的极限强度。因此,煤样的三轴压缩强度

σ和残余强度

s

σ均随围压的增大而增大。图4.12和图4.13分别为鲍店矿3 r

煤和新河矿3煤常规三轴压缩强度和残余强度与围压关系试验结果。可以看出,煤样三轴强度及残余强度均与围压呈近似正线性相关关系。

3煤岩地层岩石的变形特征

3.1单轴压缩条件下煤岩的变形特征

煤岩的弹性模量也与其单轴抗压强度一样,与煤样的微组分!微结构等密切相关,具体与其物理性质有关,如煤岩的孔隙率、含水率、煤体结构等。煤岩孔隙率、含水率愈高,煤岩弹性模量愈小,煤岩孔隙裂隙越发育,其弹性模量越小。另外,本次试验结果还表明,对于同一种煤岩,虽然其强度和弹性模量离散性较大,但两者之间具有明显的正线性相关性。图4.1为两矿3煤煤样单轴抗压强度与弹性模量之间关系的实测结果,由图可见,煤岩单轴抗压强度与弹性模量之间总体上呈线性相关关系。两矿3煤弹性模量与其单轴抗压强度实测结果的回归关系式分别为:

鲍店矿3煤:

E=89.865

σ+1285.5(相关系数0.832)(4.1)

c

新河矿3煤:

E=87.398

σ+1002.9(相关系数0.813)(4.2)

c

3.2单轴压缩条件下煤岩变形破坏演化过程

为了分析煤样内部裂隙的产生、发展、连通等演化及破坏过程,在进行单轴压缩试验时,对部分煤样同时进行了煤岩压缩破坏过程的声发射试验。

岩石在载荷作用下产生的声发射主要和其内部裂纹的产生、扩展和连通有关。当岩石受力变形时,岩石中原来存在的和新产生的裂缝周围出现应力集中,应变能较高,当外力增加到一定大小时,在裂隙缺陷位置发生了微观屈服或变形,裂隙扩展,从而使得应力松驰,一部分贮存的能量将以应力波(声波)的形式释放出去,形成声发射。声发射时能量的释放代表了损伤的产生,声发射的强弱代表了损伤的程度"所以,声发射信息能够反映岩石内部的损伤破坏情况。

反映声发射特性的参数有多个,本文采用声发射率和能率两个参数来分析煤样压缩变形破坏过程中的声发射特性"声发射率CNT(N/S)为单位时间内所观测到的振铃计数,也称振铃记数率,声发射率反映了声发射发生的频度,同时在一定

程度上反映了声发射信号的幅度,因而涉及声发射能量152〕;声发射能率ENE(mV)是指单位时间内所观测的全部事件的发射能的总和,与所观测到的事件所在波形的幅度值的平方成正比,反映了声发射的强弱。

煤、岩压缩破坏过程的声发射试验方法见论文第7章7.1,鲍店矿3煤和新河矿3煤典型煤样单轴压缩全应力应变过程中的声发射试验结果见图4.2、4.3。

从煤样单轴压缩全应力应变曲线和相应的声发射试验结果可以看出,一般情况下,煤岩受压变形破坏演化过程可划分为如图.44所示的五个阶段。

(1)OA段为压密阶段"煤体中含有大量的孔隙!裂隙!层理!节理等缺陷,在载荷作用下,这些缺陷被压密闭合,表现在应力应变曲线上,OA段曲线向上凹,应变速率大于应力速率。由于煤

体强度比较低,孔隙裂隙闭合时,粗糙的壁面附件的部分煤体会发生变形和微破裂,从而引起声发射的产生,不过该阶段声发射频率较小且能量较低。

(2)AB段为表观线弹性变形阶段。从宏观上讲,该阶段近似为线弹性,应力一应变曲线呈线性连续,但从微观上看,煤体的变形和破裂是非连续的、阵发性的,因此,煤体变形和破裂过程中产生的声发射也是阵发性的,而不是连续性的。只有当煤体中的变形能聚积到一定程度,才能引起破裂,而每一次的破裂均会引起弹性能的释放,产生声发射。当煤体中裂纹尖端附近的能量不足以引起微裂纹继续扩展时,裂纹扩展中止,煤体中继续积累能量,此过程声发射平静。在该阶段,煤体中的变形大部分为可逆变形,卸载后大部分变形会将恢复,但仍有一小部分残余变形,即存在小部分塑性变形,这是由于颗粒之间和颗粒内部的位错滑移等造成的,因此,该阶段严格来讲不是线弹性变形,可称为表观线弹性变形阶段。在该阶段,煤体微破裂随变形增大呈逐步增强趋势,声发射频率和强度总体上也呈逐步增强趋势。中硬的新河矿3煤该阶段声发射率及能率呈现典型的脉冲式逐渐增强趋势;而坚硬致密的鲍店矿3煤该阶段声发射相对沉寂,只出现了数量较少。强度较低但也是逐渐增强的声发射现象,说明在该阶段只出现了数量较少。尺度较小的裂隙,这与坚硬岩石在该阶段的声发射特性类似。

(3)BC段为加速非弹性变形阶段,经过表观线弹性变形阶段后,