三轴压缩下含瓦斯煤样蠕变特性试验研究

第2期
1 2 3
王登科，等. 三轴压缩下含瓦斯煤样蠕变特性试验研究
11 10 9 应变/10 5 6 7
－2
• 51 •
1 = 13 MPa 1 = 12 MPa
4
8 7 6 5
1 = 10 MPa 1 = 9 MPa 1 = 7 MPa
8 9 11 10
1—材料试验机；2—煤样上部压头；3—三轴压力室；4—流量计； 5—气压表；6—减压阀；7—高压瓦斯罐；8—油压表；9—液压控制阀； 10—液压油泵；11—液压油缸 (a) 试验系统组成
第 29 卷 第 2 期 2010 年 2 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.29 No.2 Feb.，2010
三轴压缩下含瓦斯煤样蠕变特性试验研究
王登科 1，刘 建 1，尹光志 2 3，韦晓吉 4
，
(1. 中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉 430071；2. 重庆大学 资源及环境科学学院，重庆 400044； 3. 重庆大学 西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室，重庆 400044；4. 云南省地方煤矿事业局 云南省地方煤矿设计研究院， 昆明 云南 650011)
t

阶段 III 阶段 I B 阶段 II C A o (b) 非衰减蠕变 D
3
[6]
含瓦斯煤样三轴蠕变试验
不同围压和不同瓦斯压力条件下的三轴蠕变
图1 Fig.1
蠕变变形与时间的关系图
Relationship curves of creep deformation vs. time[6]
第 29 卷
摘要：介绍自主研制的含瓦斯煤岩三轴蠕变试验系统。利用三轴蠕变试验系统对含瓦斯煤样进行一系列三轴蠕变 试验，得到不同蠕变载荷、不同围压和不同瓦斯压力条件下的蠕变结果。试验结果显示，蠕变载荷、围压和瓦斯 压力是影响含瓦斯煤样蠕变特性的重要因素；含瓦斯煤样的蠕变行为可以表现出衰减蠕变和非衰减蠕变 2 种形态； 减速蠕变阶段是弹性后效的结果；稳态蠕变速率受蠕变载荷、围压和瓦斯压力的影响，并且随蠕变载荷和瓦斯压 力的增大而增大，随围压的增大而减小；加速蠕变阶段是含瓦斯煤样破坏的开始。基于试验结果，详细分析含瓦 斯煤样的减速蠕变和稳态蠕变阶段的蠕变速率，给出能分别描述减速和稳态蠕变阶段蠕变速率的幂函数和指数函 数方程。利用规范化方法建立能反映稳态蠕变速率、蠕变载荷、围压和瓦斯压力之间关系的数学方程，利用该方 程可以很容易地预测各种应力状态下稳态蠕变速率的大小。 关键词：采矿工程；含瓦斯煤岩；三轴压缩；蠕变试验；蠕变速率 中图分类号：TD 32 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2010)02–0349–09
Abstract：A self-developed triaxial creep system of gas-bearing coal is introduced firstly. A series of triaxial creep tests on gas- bearing coal specimens are carried out by using the creep system，and results of the creep tests under different creep stresses，confining pressures and gas pressures are obtained. The results show that creep stress， confining pressure and gas pressure are the important factors affecting the creep properties of the coal specimens； the creep behaviors of the specimens can be split into two parts mainly：one is the attenuating creep，the other is the non-attenuating creep. Decelerating creep stage is caused by elastic aftereffect；by the actions of creep stress， confining pressure and gas pressure during creep tests，steady-state creep rate increases with the increasing of confining stress and gas pressure，and decreases with the increasing of confining pressure. Accelerating creep
2
(1)
试验系统描述
本文中所有的三轴蠕变试验都是在装配有自主
0 (t )

研发的三轴瓦斯渗流装置的伺服控制材料系统中完 成的。整套试验装备由加载系统、测量系统和瓦斯
B A o (a) 衰减蠕变 t
供给系统组成，如图 2 所示。加载系统由材料试验 机和三轴瓦斯渗流装置构成，测量系统由位移传感 器和数据采集软件构成，瓦斯供给系统由高压瓦斯 罐和减压阀构成。 在蠕变试验过程中，施加在煤样上的蠕变载荷 由材料试验机提供，围压由液压油泵提供，瓦斯压 力则通过减压阀来控制。试验开始后，瓦斯气体自 高压瓦斯罐出来后，经由减压阀、瓦斯入口、紫铜 管和煤样上部压头后，最后到达煤样内部。
• 350 •
岩石力学与工程学报
2010 年
stage marks the starting of the failure of coal specimens. Based on the creep results，the creep rates at decelerating creep stage and steady-state creep stage are analyzed in detail；and in addition，a power function and an exponent function are proposed which can effectively describe the creep rates at transient creep stage and steady-state creep stage respectively. By a normalized method，a mathematical equation is constructed which can model the relationship among the steady-state creep rate，creep stress，confining pressure and gas pressure. And using this equation，the value of steady-state creep rate under various stress conditions can be estimated easily. Key words：mining engineering；gas-bearing coal；triaxial compression；creep test；creep rate 式中： 0 为减速变形， (t ) 为与衰减蠕变和非衰减
。
煤与瓦斯突出可以看成一种时效性问题[4]。基 于时效的岩石类材料变形受其矿物组成和结构特性 的影响，并且主要通过蠕变试验、松弛试验和准静 态单调加载试验等手段来研究[5]。在蠕变试验过程 中，煤样在不同载荷工况下的蠕变特性是不一样 的，一般可分为衰减蠕变和非衰减蠕变，如图 1 所 示[6]。煤样的总蠕变变形可表示为
0
50
100
150
200 时间/h
250
300
350
400
图 3 3 = 4 MPa 及 p = 0.2 MPa 时不同蠕变载荷(1)条件下 的蠕变曲线 Fig.3 Creep strain vs. time for different creep stresses with
1
引
言
蠕变相关的变形。 最近几十年，人们利用各种设备和手段对岩石 类材料在不同载荷条件下的蠕变行为进行了大量的 试验及理论研究[4
，5，7～14]
煤与瓦斯突出是煤矿井下动力灾害现象之一， 大多数产煤国家都发生过煤与瓦斯突出，煤与瓦斯 突出已经成为煤炭工业中重大灾害的主要原因之 一 。自从第一次报道法国鲁尔煤田 1843 年发生煤 与瓦斯突出以来，30 000 多起煤与瓦斯突出事件在 全世界范围内发生。最近报道显示已经有 14 000 多起煤与瓦斯突出在我国 200 多个煤矿发生[2]。煤 与瓦斯突出已经成为煤矿安全专家面前最为刺手的 问题之一[1
TEST STUDY OF CREEP PROPERTIES OF GAS-BEARING COAL SPECIMENS UNDER TRIAXIAL COMPRESSION
WANG Dengke1，LIU Jian1，YIN Guangzhi2 3，WEI Xiaoji4
，
(1. State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering， Institute of Rock and Soil Mechanics， Chinese Academy of Sciences，Wuhan，Hubei 430071，China；2. College of Resources and Environmental Sciences，Chongqing University，Chongqing 400044，China；3. Key Laboratory for the Exploitation of Southwest Resources and the Environmental Disaster Control Engineering， Ministry of Education，Chongqing University，Chongqing 400044，China；4. Yunnan Local Mine Design and Research Institute， Bureau of Local Coal Mines in Yunnan Province，Kunming，Yunnan 650011，China)
收稿日期：2009–07–30；修回日期：2009–10–09 基金项目：国家自然科学基金资助项目(50874124，50534080)；国家重点基础研究发展计划(973)项目(2005CB221502)；重庆市自然科学基金计划重点项目 (CSTC，2008BA6028) 作者简介： 王登科(1980–)， 男， 博士， 2003 年毕业于湖南科技大学采矿工程专业， 主要从事岩石力学与矿业工程方面的研究工作。 E-mail： wangdengke99@
～3]
。这些工作的开展为岩石
类材料蠕变特性的研究提供了一个良好的试验和理 论平台。然而，在采矿工程和地下工程中，岩石类 材料(或煤岩材料)一般都处于受压应力状态，并且 被一种或几种流体所饱和或部分饱和。煤岩属于一 种典型的多孔介质， 并具有很强的瓦斯吸附能力[4
，15]
[1]
。
因此，本文在研究煤岩在不同载荷条件下的蠕变特 性时，需要考虑瓦斯吸附作用所带来的影响。在前 人的研究基础上，以含瓦斯煤样为研究对象，首先 描述了自主研制的含瓦斯煤样三轴蠕变试验系统； 然后给出了含瓦斯煤样在各种应力状态下的三轴蠕 变试验结果；最后对煤样蠕变的 3 个阶段进行了分 析，重点研究了减速蠕变和稳态蠕变的蠕变速率，并 构造出了相应的蠕变速率计算公式。