基于对煤岩基本力学性质分析
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应 用
的 应用
煤 岩体具有这样一种性喷 , 即产生 冲击式 破 坏 的能 力 , 煤 材料 所 f 的 一种 性 质 , 是 有 通 常我们称之为冲击倾 向性 冲玉倾向怙研究是 冲击地压机理研究的重要组战部分 ,是冲击地 压预测预报 与防治的纂础 :煤 古体的冲击倾 向 性 可以用 冲击倾向性指标来评价,其 l具有代 { l 表性 的有弹性能量指数 、 击能量指数 、 冲 动态破 坏时间 、 弯曲能量能数等。事实上 , 蝶岩体的冲 击 倾 向 性 尽 管 是 煤 岩 体 所 具 有 的 固有 的特 性 , 但 基 本 上 町 以 通 过 煤 岩 基 本 力 学 性 质 反 映 出 来,即煤岩体的冲击倾 向性是煤 岩基本力学性 质的另外 一种表达形式 另外 , 有的学者也使用 脆性系数来评 价冲击倾 向性 ,丽脆性 系数则是 轴抗 强度与 轴抗托强度之 比值 ,使用的 也 是 煤 岩 的 最 基奉 的 力 学 性 质 参数 由此 不 难 看 到 煤 岩 基 本 力 学 性Leabharlann Baidu质 存 冲 击 倾 向件 测 定 中 的作 娜 . .
科 黑江— 技信总 — 龙— —
科技 论坛 l
基于对煤岩基本力学性质分析
徐德 祥
( 东县 煤 炭 岛, 鸡 黑龙 江 鸡 东 18 0 ) 5 20
摘 要: 煤岩基 本力学性质是岩石力学试验研 究的主要 内容, 是矿 山采掘工辑理论计算与工程设计 的基础 。 因此坷 过实验室试验, 准确测定煤
过 去 获 得 轴 抗 托 强 度 通 常 采 用 间 接 法 获得 , 即埘试仲进行压缩加载 , 最终获得 单轴拉 伸强 度 。这 种 方 法尤 其 适 于煤 这 种 特 殊 “ 岩 石” 。但 是 近 年来 , 石 力 学 的 试验 水 平 有 较 岩 大 的发 展 ,特 别 是 常 规 的 岩孑 力学 试 验 发 展 很 T 快 ,I 盘l 单轴托伸 、 压缩试验 , 岩体弱 面直剪试验 , 三轴压缩试验 , 岩石庸力应变破坏全过程试 验, 岩 流变和断裂 试验等。尤其是 直接单轴拉 伸 试验 , 随着小 吨位伺服试验 机的出现 , 使得埘煤 实 施 直 接 轴 挣 伸 试 验 成 为 r 。 能 对 煤 岩作 问接 托 伸 即压 裂 试 验 时 , 煤 岩 将
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分析看到 ,直接单轴拉伸试验在到达峰值强度 时所产生的应变却较大 ,为单轴压缩实验时峰 值后应变的 1 O倍左右。 典型的岩石 的情况对 比可 以看出 ,煤在两种实验条件下曲线形状明 不 , 岩石 却 基 本 相 同 。 起这 种 差 异 的 原 而 引 凶有待进 一 步探 讨。 2煤 岩荜 l 力学 性 质 数 值 模 拟 计 算 中 的 奉
重庆 大 学 , 0 . 2 2 0 参 数 中 可 以看 到 ,有些 力学 参 数 可 能不 足 基 本 重 庆 : 2张 大 力 学参 数 ,但 实 际 上完 全 可以 通 过计 算 得 到 那 f1 绪 言 . 同矿 区巷 道 冲 击 地 压 特 征 及 冲 击 . 太原 : 原 理 工 大 学. 0 . 太 2 6 0 些 不 属 于 基本 力 学 参数 的参 数 。 如 , 积模 麓 倾 向性 研 究 1 例 体 f1 俊 锋 . 3潘 中击 危 险 性 厚 煤 层 采 动 应 力 场 特 征 和剪切模量 叮以【弹性模量和泊松比获得 { 1
样 加 工 成直 径 D 2 m = 5 m,厚度 H J.rm 的 圆 = 25 a
饼彤试块 , 然后进行劈裂试蛉 。 根据试验测得 的 试块破坏极限载荷 P,即可求得煤岩 的单轴抗 拉 强 度 对于岩石 而言 , 使用直接法和问接法所进 行 的 试验 研 究 及 获 得 的岩 石 轴 托 伸 强 度 , 已 钉 大 量 文献 介 绍 .} , 简 单论 述有 关煤 的 试 : 仪 此 验 结 果 ,对 r H 。 间接 法 和直 接 法 获 得 的煤 的单 轴 抗托 强 度 , 寅 验结 果 可 以看 到 , 直 接 法 获 从 用 得 的煤 的 轴 抗 拉 强度 比间 接 法 获得 的单 轴 抗 拉强度小得多 , 二 者比值最 大为 05 , . 最小仅为 2 01 ( 表 1。 . 如 4 ) 1 轴压缩与直接单轴拉伸条件下煤的 . 3 应 力 一应变 关 系 煤 样 单 轴 缩 与直 接 轴 托 伸 条 件 下 的 应 力应 变 关 系 如 下.对 ^ 接 单 轴扣 仲 条 什 F煤 . 的应 力 应变关系 的分析 认为 :. f峰值前区域应 1 力表现 为连续 变化规律 , 应变基本里线忡 关 系 ;.峰 值 后 区 域 的 应 力 本 呈连 续 变 化 并 b
岩基 本 力 学性 质是 极 其 重 要的 。
关键词 : 煤岩力学性质; 工程应 用; 究 研 1 煤岩基本力学性质 11 . 煤岩基本力学性质与常规 斌验方法 煤岩的基本力学性质 参数 , 使用 比较 多的 主要 包 括 弹性 模 量 、 松 比 、 泊 黏结 力 、 摩擦 角 、 内 脆性 系 数 、 抗 压 强 度 、 单轴 单轴 抗 拉 强 度 等 对 于这些基本 力学性质 ,可以通过不同的试验 方 法 获 得 。 比如 , 结 力 和 内摩 擦 角 , 以通 过 变 黏 可 角剪试验获得 , 也可以通 过三轴压缩试验得 到; 单轴抗拉强度 , 可以通过 压裂拉伸试验获得 , 也 可 以通过直接拉伸试 验获得 。( 当然 , 不同的试 验方法得到 的试验结果呈现 f _定 的差异 , l 一 | 这 主要是试验方法的限制 。) 例如 , 对于单轴抗拉 强度 , 由于直接 轴拉伸试验方法要求 比较高 , 试什加 工过程复杂, 试验不易完成 , 因而通常采 Ⅲ 对 圆 饼 状 试 件 沿 商 径 方 向进 行 压 缩 J 载 , j l 通 】 过计 算 问接 得 到 单轴 抗 { 强 度 。这 种 方 法 称 之 蕾 为 裂法 , 其 质 是 一种 间 接 测 定 方法 . 基 F 一 是 弹性 力学理论 , 圆盘边 【 当 受一对径 向( 压缩 ) 集中 力作用时 , 圆心处为拉应力状态, 啦力方 向 与集中力作用方向垂直 ,从而可获得 单轴抗拉
数值模 拟作 为岩石 j 的主要研究手段 , J学 岩石力学的研究中 占有重 要的地位。在数值 模拟计算方法 巾,主要包括有限元法 、离散元 法、 边界元法、 限差分法等。尤其在采矿工程 有 中, 广泛使用 的方法为有限元法 、 离散元法和有 限差分法。 大家较为熟悉 的 A S S软件是何限 NY 元法数 值分析软件 的代表 , E UD C软 件是离 散 元法 数值分 析软件 的代表 , A: 什足有 限 n (软 差分法数值分析软件的代表 。 目前而言 , 就 数值 模拟计算方法 已成 为采矿工程学科【} 究围岩 { l 研 4结 论 变 肜 与破 坏不 呵缺 少 的 、 为经 济 适 用 的 、 广 最 被 对于采矿T程而言. 研究煤 岩基本力学性 泛 采 } 的研 究 方法 H . 在数值模拟 i算 中, 1 ‘ 煤岩物理 力学性质是 质 的重 要 性足 不 言 丽喻 的 .通 过 进 一 步 分 析 和 最基本 的参数 , 因为无论哪一种数值计算方法 , 研究 ,并结合煤岩基本力学性质在采矿工程理 t 得 都需要知道结构单元体 的摹本性质。 但是 , 如何 论 与 实 践研 究 q 的应 用 , 到 以 F主 要认 识 : 41 管 岩 石 力学 试 验 设 备 有 了较 大 的 改 .尽 选取合适 的煤岩物理力学参数用 于数值模拟 计 算, 则是岩石 3 0年来一直探 讨的 问题 , 为实 进与提高,能够在实验室条件下开展复杂的实 【 际煤 岩 体 的 结 构 较煤 岩 块 更 复 杂 ,而 实 验 室 条 验 研 究 一作 ,但 对 煤 岩犟 本 性 质 的试 验 研究 还 件 下获 得 力学学 科 最 近 的 煤 岩块 的物 理 力学 参 是 最 为基 础 和 最为 蓐要 的 、 42 以采 j 不 同 的 试 验 疗 法 获 得 煤 岩 基 . r { 】 数往 大大地降低了煤岩体小节理 、裂隙等结 t 但试验结 果将具钉差异。 j煤块 对 : 构 面的 影 响 一 一 般情 况下 , 岩 体 的基 本 力 学 件 本力学性质 , 煤 质参数值均小于煤岩块的值 ,丽在实际数值计 而 青 , 由直 接 法 获 得 的煤 的 单 轴抗 拍 强 度 比间 接法获得的单轴抗 拉强度小得多 ,二者 比值最 算 中通常根据经验选择各种参数 。 .2 最 .4 当然 , 不同的数值 汁算方法 中 , 在 所使用 大 为 05 , 小 仪为 01 43数 值 模 拟 作 为 岩 石 力 学 研 究 的 要 方 . 的煤 岩 雇 水 力学 参 数 是 不 同 的 ,不 同 的 软 件 冈 尽管数值计算方法不尽相同 , 使用 的汁箅程 使用的强度准I或奉构模型的不 同,而 导致 所 法 , 且 I j 使 用 的 基 木参 数 也 / 完 全 卡 旧 :例如 , F A 宁 也有 差 异 ,似 均需 以煤 岩 基 本 力学 性 质 已知 1 H 在 LC f , 川 MorC uo b准 则 时 , 常 使 用 抗 托 为 条件 。 f使 J h— olm 通 44采 矿 程 的 理 论 实 践 研 究 鄙 儿 法 离 . j 强度 、 内摩擦 角、 黏结力 剪切摸量 、 体积模虽 等 』 冲击倾 向性研 『 力学参数 ; UD C巾, 红 E 通常使用弹性模量 、 泊 开煤岩基本力学性质研究 ,比『1 采 松比. 内摩 擦 角 、 黏结 力 、 胀 角 、 拉 强 度 等 , 究 、 掘 设 备 选 型 等 。 剪 抗 参考 文 献 而对于接触面 元 ,则还需提供法向刚度和切 1 煤 D. 向刚度等 、从这些计算 方法和程序使刚 的力学 f 大 江 . 岩损 伤特 性 及 冲 击地 压 的研 究I 1
强度。 1 . 的 单 轴 抗 拉 强 度 t直 接 单 轴 抗 托 强 2煤 j 度
且与 应 变之 间 的关 系 表 现 为 非 袁 l 间接 法和 直 接 法 获得 的煤 的 单轴 抗 压强 度 比较 有 提 单 轴 压 链 悼 强 度 肿 P t 单 齄 拭 压 强 度 比 埴 线性特征 ; 与单轴压缩 试聆 雨 c 拉 悼 强度 , a Mp 誊 接 慧 墉 J 法 接 相 比 ,直 接 单 轴 拉 伸 条 件 下 煤 1 04 20 0 52 的破 坏 强 度 牛 对较 小 , 凡具 有 、 H 0 42 31 0 l 4 较 为 典 型 的 延 性 破 坏 特 征 ;. — — 1 数 值 计 算 巾起 着 重要 的作 用 。 煤的峰值前应变很小 .煤的峰值后应变较峰值 3 岩基 本 力 学性 质 在 冲 击 倾 向 性 预测 中 煤 前要 大 得 多 ,L 现 为 塑 性 应 变特 征 。 进 一 步 E表 经
) 煤炭 科 学研 究总 院 0 6 20. 由此 _以看 出 , 岩 基 本 力学 性 质 参 数 在 研 究¨1 口 『 煤
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.
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的 应用
煤 岩体具有这样一种性喷 , 即产生 冲击式 破 坏 的能 力 , 煤 材料 所 f 的 一种 性 质 , 是 有 通 常我们称之为冲击倾 向性 冲玉倾向怙研究是 冲击地压机理研究的重要组战部分 ,是冲击地 压预测预报 与防治的纂础 :煤 古体的冲击倾 向 性 可以用 冲击倾向性指标来评价,其 l具有代 { l 表性 的有弹性能量指数 、 击能量指数 、 冲 动态破 坏时间 、 弯曲能量能数等。事实上 , 蝶岩体的冲 击 倾 向 性 尽 管 是 煤 岩 体 所 具 有 的 固有 的特 性 , 但 基 本 上 町 以 通 过 煤 岩 基 本 力 学 性 质 反 映 出 来,即煤岩体的冲击倾 向性是煤 岩基本力学性 质的另外 一种表达形式 另外 , 有的学者也使用 脆性系数来评 价冲击倾 向性 ,丽脆性 系数则是 轴抗 强度与 轴抗托强度之 比值 ,使用的 也 是 煤 岩 的 最 基奉 的 力 学 性 质 参数 由此 不 难 看 到 煤 岩 基 本 力 学 性Leabharlann Baidu质 存 冲 击 倾 向件 测 定 中 的作 娜 . .
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基于对煤岩基本力学性质分析
徐德 祥
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过 去 获 得 轴 抗 托 强 度 通 常 采 用 间 接 法 获得 , 即埘试仲进行压缩加载 , 最终获得 单轴拉 伸强 度 。这 种 方 法尤 其 适 于煤 这 种 特 殊 “ 岩 石” 。但 是 近 年来 , 石 力 学 的 试验 水 平 有 较 岩 大 的发 展 ,特 别 是 常 规 的 岩孑 力学 试 验 发 展 很 T 快 ,I 盘l 单轴托伸 、 压缩试验 , 岩体弱 面直剪试验 , 三轴压缩试验 , 岩石庸力应变破坏全过程试 验, 岩 流变和断裂 试验等。尤其是 直接单轴拉 伸 试验 , 随着小 吨位伺服试验 机的出现 , 使得埘煤 实 施 直 接 轴 挣 伸 试 验 成 为 r 。 能 对 煤 岩作 问接 托 伸 即压 裂 试 验 时 , 煤 岩 将
05 32 5 0 1 8
分析看到 ,直接单轴拉伸试验在到达峰值强度 时所产生的应变却较大 ,为单轴压缩实验时峰 值后应变的 1 O倍左右。 典型的岩石 的情况对 比可 以看出 ,煤在两种实验条件下曲线形状明 不 , 岩石 却 基 本 相 同 。 起这 种 差 异 的 原 而 引 凶有待进 一 步探 讨。 2煤 岩荜 l 力学 性 质 数 值 模 拟 计 算 中 的 奉
重庆 大 学 , 0 . 2 2 0 参 数 中 可 以看 到 ,有些 力学 参 数 可 能不 足 基 本 重 庆 : 2张 大 力 学参 数 ,但 实 际 上完 全 可以 通 过计 算 得 到 那 f1 绪 言 . 同矿 区巷 道 冲 击 地 压 特 征 及 冲 击 . 太原 : 原 理 工 大 学. 0 . 太 2 6 0 些 不 属 于 基本 力 学 参数 的参 数 。 如 , 积模 麓 倾 向性 研 究 1 例 体 f1 俊 锋 . 3潘 中击 危 险 性 厚 煤 层 采 动 应 力 场 特 征 和剪切模量 叮以【弹性模量和泊松比获得 { 1
样 加 工 成直 径 D 2 m = 5 m,厚度 H J.rm 的 圆 = 25 a
饼彤试块 , 然后进行劈裂试蛉 。 根据试验测得 的 试块破坏极限载荷 P,即可求得煤岩 的单轴抗 拉 强 度 对于岩石 而言 , 使用直接法和问接法所进 行 的 试验 研 究 及 获 得 的岩 石 轴 托 伸 强 度 , 已 钉 大 量 文献 介 绍 .} , 简 单论 述有 关煤 的 试 : 仪 此 验 结 果 ,对 r H 。 间接 法 和直 接 法 获 得 的煤 的单 轴 抗托 强 度 , 寅 验结 果 可 以看 到 , 直 接 法 获 从 用 得 的煤 的 轴 抗 拉 强度 比间 接 法 获得 的单 轴 抗 拉强度小得多 , 二 者比值最 大为 05 , . 最小仅为 2 01 ( 表 1。 . 如 4 ) 1 轴压缩与直接单轴拉伸条件下煤的 . 3 应 力 一应变 关 系 煤 样 单 轴 缩 与直 接 轴 托 伸 条 件 下 的 应 力应 变 关 系 如 下.对 ^ 接 单 轴扣 仲 条 什 F煤 . 的应 力 应变关系 的分析 认为 :. f峰值前区域应 1 力表现 为连续 变化规律 , 应变基本里线忡 关 系 ;.峰 值 后 区 域 的 应 力 本 呈连 续 变 化 并 b
岩基 本 力 学性 质是 极 其 重 要的 。
关键词 : 煤岩力学性质; 工程应 用; 究 研 1 煤岩基本力学性质 11 . 煤岩基本力学性质与常规 斌验方法 煤岩的基本力学性质 参数 , 使用 比较 多的 主要 包 括 弹性 模 量 、 松 比 、 泊 黏结 力 、 摩擦 角 、 内 脆性 系 数 、 抗 压 强 度 、 单轴 单轴 抗 拉 强 度 等 对 于这些基本 力学性质 ,可以通过不同的试验 方 法 获 得 。 比如 , 结 力 和 内摩 擦 角 , 以通 过 变 黏 可 角剪试验获得 , 也可以通 过三轴压缩试验得 到; 单轴抗拉强度 , 可以通过 压裂拉伸试验获得 , 也 可 以通过直接拉伸试 验获得 。( 当然 , 不同的试 验方法得到 的试验结果呈现 f _定 的差异 , l 一 | 这 主要是试验方法的限制 。) 例如 , 对于单轴抗拉 强度 , 由于直接 轴拉伸试验方法要求 比较高 , 试什加 工过程复杂, 试验不易完成 , 因而通常采 Ⅲ 对 圆 饼 状 试 件 沿 商 径 方 向进 行 压 缩 J 载 , j l 通 】 过计 算 问接 得 到 单轴 抗 { 强 度 。这 种 方 法 称 之 蕾 为 裂法 , 其 质 是 一种 间 接 测 定 方法 . 基 F 一 是 弹性 力学理论 , 圆盘边 【 当 受一对径 向( 压缩 ) 集中 力作用时 , 圆心处为拉应力状态, 啦力方 向 与集中力作用方向垂直 ,从而可获得 单轴抗拉
数值模 拟作 为岩石 j 的主要研究手段 , J学 岩石力学的研究中 占有重 要的地位。在数值 模拟计算方法 巾,主要包括有限元法 、离散元 法、 边界元法、 限差分法等。尤其在采矿工程 有 中, 广泛使用 的方法为有限元法 、 离散元法和有 限差分法。 大家较为熟悉 的 A S S软件是何限 NY 元法数 值分析软件 的代表 , E UD C软 件是离 散 元法 数值分 析软件 的代表 , A: 什足有 限 n (软 差分法数值分析软件的代表 。 目前而言 , 就 数值 模拟计算方法 已成 为采矿工程学科【} 究围岩 { l 研 4结 论 变 肜 与破 坏不 呵缺 少 的 、 为经 济 适 用 的 、 广 最 被 对于采矿T程而言. 研究煤 岩基本力学性 泛 采 } 的研 究 方法 H . 在数值模拟 i算 中, 1 ‘ 煤岩物理 力学性质是 质 的重 要 性足 不 言 丽喻 的 .通 过 进 一 步 分 析 和 最基本 的参数 , 因为无论哪一种数值计算方法 , 研究 ,并结合煤岩基本力学性质在采矿工程理 t 得 都需要知道结构单元体 的摹本性质。 但是 , 如何 论 与 实 践研 究 q 的应 用 , 到 以 F主 要认 识 : 41 管 岩 石 力学 试 验 设 备 有 了较 大 的 改 .尽 选取合适 的煤岩物理力学参数用 于数值模拟 计 算, 则是岩石 3 0年来一直探 讨的 问题 , 为实 进与提高,能够在实验室条件下开展复杂的实 【 际煤 岩 体 的 结 构 较煤 岩 块 更 复 杂 ,而 实 验 室 条 验 研 究 一作 ,但 对 煤 岩犟 本 性 质 的试 验 研究 还 件 下获 得 力学学 科 最 近 的 煤 岩块 的物 理 力学 参 是 最 为基 础 和 最为 蓐要 的 、 42 以采 j 不 同 的 试 验 疗 法 获 得 煤 岩 基 . r { 】 数往 大大地降低了煤岩体小节理 、裂隙等结 t 但试验结 果将具钉差异。 j煤块 对 : 构 面的 影 响 一 一 般情 况下 , 岩 体 的基 本 力 学 件 本力学性质 , 煤 质参数值均小于煤岩块的值 ,丽在实际数值计 而 青 , 由直 接 法 获 得 的煤 的 单 轴抗 拍 强 度 比间 接法获得的单轴抗 拉强度小得多 ,二者 比值最 算 中通常根据经验选择各种参数 。 .2 最 .4 当然 , 不同的数值 汁算方法 中 , 在 所使用 大 为 05 , 小 仪为 01 43数 值 模 拟 作 为 岩 石 力 学 研 究 的 要 方 . 的煤 岩 雇 水 力学 参 数 是 不 同 的 ,不 同 的 软 件 冈 尽管数值计算方法不尽相同 , 使用 的汁箅程 使用的强度准I或奉构模型的不 同,而 导致 所 法 , 且 I j 使 用 的 基 木参 数 也 / 完 全 卡 旧 :例如 , F A 宁 也有 差 异 ,似 均需 以煤 岩 基 本 力学 性 质 已知 1 H 在 LC f , 川 MorC uo b准 则 时 , 常 使 用 抗 托 为 条件 。 f使 J h— olm 通 44采 矿 程 的 理 论 实 践 研 究 鄙 儿 法 离 . j 强度 、 内摩擦 角、 黏结力 剪切摸量 、 体积模虽 等 』 冲击倾 向性研 『 力学参数 ; UD C巾, 红 E 通常使用弹性模量 、 泊 开煤岩基本力学性质研究 ,比『1 采 松比. 内摩 擦 角 、 黏结 力 、 胀 角 、 拉 强 度 等 , 究 、 掘 设 备 选 型 等 。 剪 抗 参考 文 献 而对于接触面 元 ,则还需提供法向刚度和切 1 煤 D. 向刚度等 、从这些计算 方法和程序使刚 的力学 f 大 江 . 岩损 伤特 性 及 冲 击地 压 的研 究I 1
强度。 1 . 的 单 轴 抗 拉 强 度 t直 接 单 轴 抗 托 强 2煤 j 度
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