基于对煤岩基本力学性质分析

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
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
） 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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３ ０－
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 质 存 冲 击 倾 向件 测 定 中 的作 娜 ． ．
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
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
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
０ห้องสมุดไป่ตู้ 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
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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
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