第32卷第1期太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)Vol.32 No. 12001年1月JOURNAL OF TAIYUAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGYJan. 2001文軍編號(hào): 1007-9432(2001 )01-0005-04中硬煤大煤樣的壓裂實(shí)驗(yàn)研究康衛(wèi)勇,靳鐘銘,魏錦平(太原理工大學(xué)采礦工程研究所)情要:在真三軸壓力機(jī)上通過(guò)對(duì)王莊礦中硬煤大煤祥的壓裂實(shí)驗(yàn),得出了中硬煤在強(qiáng)度、變形方面的基本力學(xué)特性，探討了中硬煤的裂隙演化過(guò)程,即裂隙演化經(jīng)歷擴(kuò)展、加密、再擴(kuò)展和再加密等過(guò)程。關(guān)鍵詞:中硬煤;裂隙特性;裂隙分雛中圈分類號(hào):TD823.25* 2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A綜合機(jī)械化放頂煤采煤自1984年引進(jìn)以來(lái),在至太原理工大學(xué)采礦工藝研究所，加工后的煤樣規(guī)不斷的發(fā)展、推廣之中,已被證明是一種高產(chǎn)高效的格見(jiàn)表1.實(shí)驗(yàn)是在該所XPS 1000型四柱真三軸機(jī)厚煤層開采法,并取得了很好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。但上完成的。.是,這種采煤方法無(wú)論在理論研究還是在工程實(shí)踐1.2實(shí)驗(yàn)過(guò)程上都存在著諸多問(wèn)題急待解決,如頂煤破壞機(jī)理、頂試件均是雙向加壓,即在上下表面和兩側(cè)面加煤放出規(guī)律、放煤參數(shù)等向題,這說(shuō)明對(duì)采場(chǎng)煤巖體壓。加壓時(shí)從零開始,至峰值強(qiáng)度后逐漸卸壓,直至在壓力作用下的變形、裂隙演化和運(yùn)移規(guī)律還不夠殘余強(qiáng)度,實(shí)驗(yàn)結(jié)束。試件的受力狀況相當(dāng)于煤體受了解。無(wú)論是理論研究還是工程實(shí)踐,都必須對(duì)煤支承壓力作用,在實(shí)驗(yàn)室再現(xiàn)了支承壓力對(duì)煤體作巖體在自然受載下的力學(xué)特性和裂腺演化規(guī)律有一用的全過(guò)程。 實(shí)驗(yàn)時(shí)在試件前后不加載方向上描下個(gè)正確的認(rèn)識(shí)。為此,我們結(jié)合國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)各級(jí)載荷時(shí)的裂隙狀況,實(shí)驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)為軸向、側(cè)向目,采用潞安礦務(wù)局王莊礦的煤樣,進(jìn)行了中硬煤壓壓力,位移及壓碎后的各級(jí)煤塊數(shù)和重量.裂實(shí)驗(yàn)研究,探討了中硬煤與硬煤和軟煤的差異,以期為中硬煤綜放開采提供必要的理論指導(dǎo)。2中硬煤大煤樣變形特性分析2.1 中硬煤大煤樣變形特性分析1實(shí)驗(yàn)方法表2為這次實(shí)驗(yàn)測(cè)得的中硬煤基本力學(xué)性質(zhì)，1.1試樣采集與準(zhǔn)備可作為數(shù)值模擬等研究的基礎(chǔ)。中硬煤峰值強(qiáng)度是煤樣取自潞安礦務(wù)局王莊礦,采出后經(jīng)密封運(yùn)軟煤B]的1.11倍,是硬煤甲]的66. 2%;中硬煤彈性表1煤樣規(guī)格模量是軟煤的47.1%(軟煤E=1 611 MPa),是硬規(guī)格/mm煤的9.7%(硬煤E=7 856. 9 MPa)。這說(shuō)明中硬煤202X 202X 251268X166X 259的抗壓強(qiáng)度居中,而彈性模量比軟煤和硬煤均低,破257X 169X310壞時(shí)中硬煤的縱橫變形比平均為0.544,比軟煤的250X 246X 306289X 250X304平均值0. 67和硬煤的平均值0.76低。這是由于王260X 298X311莊礦3號(hào)煤原始狀態(tài)孔隙率(11.8%)比硬煤和軟煤301 x 302X304258X 210x 300高的緣故。10252X 200X3012.2中國(guó)煤化工295X 293X29211 -293X 295X 300CHCNMHG有關(guān),隨著試件尺寸的增大保體強(qiáng)度非線形降低。這主要是因?yàn)槊夯痦?xiàng)目;國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(59734090);山西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(991013)怍者籬介:康衛(wèi)勇,男,1974年8勝,在讀碩士.研究方向:工程力學(xué)及其應(yīng)用,太原,030024收璃日期2000-04-03太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)第32卷體內(nèi)包含大量微小裂隙和節(jié)理。式(1)為試件抗壓強(qiáng)升趨勢(shì),聲波速度o為下降趨勢(shì)。D,變化幅度比軟度o,(MPa)與試件受載面積A(m2)之間的關(guān)系式，煤和硬煤的大,D;的變化幅度比軟煤和硬煤的小，相同面積取平均值,回歸得-冪函數(shù):聲波速度0的變化幅度比硬煤的大。由圖1說(shuō)明,中op= 75. 868 7A-0.307.(1)硬煤的裂隙演化是依加密為主的規(guī)律,從開始加壓由式(1)可知,試件受載面積越大其抗壓強(qiáng)度越小。至垂直應(yīng)力5 MPa左右,分維值呈上升趨勢(shì),聲波各試件的基本力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表2.速度先減小后基本不變,煤體裂隙表現(xiàn)為局部加密表2煤體基本力學(xué)性質(zhì)(ab段);隨著應(yīng)力增加到10MPa之前,分維值略有抗壓強(qiáng)度破壞應(yīng)奎彈性摸業(yè):橫縱應(yīng)變比A下降趨勢(shì),聲波速度急劇減小,這表明裂隱局部擴(kuò)展o%/MPaE/MPa和加密(bc段);之后分維值迅速上升,聲波速度變12.25[0.001 263 1 009.70. 580_10. 700.002 293478.90.870化甚微,裂隙再加密(cd段);然后分維值突然下降，10.76 0.00 480 2 358.2_0.302聲波速度略有減小,裂隙迅速擴(kuò)展,其中一些貫通9.410.001 638 670.70. 633(de段);接著分維值呈緩慢上升趨勢(shì),聲波速度基10.33I 0.001 383 628.20. 55本不變,煤體裂隙由一次進(jìn)人加密階段(ef段);隨5.28 二0.003434 125.70. 3089.600.001 143 938.10.545后分維值急劇降低,裂隙迅速擴(kuò)展并貫通(fg段);7.48| 0.002 783 345.00.553最后進(jìn)人塑性段,分維值先升后降低,聲波速度不斷8.420.002 799279.90. 549減小直至最低,最終儀器測(cè)不出來(lái),即超聲波由于內(nèi)9.360.002 024 759.40. 544部空隙大而不能穿透煤試件,試件被壓碎.掌握煤體2.3裂隙演化規(guī)律分析(J中裂隙的演化過(guò)程,對(duì)了解支承壓力的分布規(guī)律及煤巖體的裂隙演化規(guī)律極為復(fù)雜,用傳統(tǒng)的統(tǒng)煤層注水和瓦斯抽放鉆孔的布置具有指導(dǎo)意義。計(jì)方法很難加以描述。近年來(lái),許多學(xué)者用分形維數(shù)2 000描述裂隙分布取得了可喜的成就。本文運(yùn)用裂隙長(zhǎng)。1500,度-條數(shù)分維DI和裂隙長(zhǎng)度格數(shù)分維Dz對(duì)煤樣的1 00裂隙演化進(jìn)行分析,它們均可表示為:D.2 =- In,/Inl.(2)式中:l--統(tǒng)計(jì)裂隙的不同長(zhǎng)度,依試件尺寸大小15劃分為5種尺度;糖向應(yīng)力o/MPsn;-尺度為l;時(shí)的貫通裂隙條數(shù)。B2 平塢離波速度的變化曲她實(shí)驗(yàn)時(shí)在試件前后兩側(cè)上分別描繪裂隙變化以圖3為抗壓強(qiáng)度和初始分維值、破壞分維值之測(cè)得D,D2,取10個(gè)煤樣的平均值繪成圖1、圖2(9間的關(guān)系圖。這里使用的是裂隙長(zhǎng)度-格數(shù)分維。由號(hào)煤樣實(shí)驗(yàn)不成功不取其值).圖3、表3看出,中硬煤體的抗壓強(qiáng)度與兩者之間均.0.s-D，1.5.5-0.5|◆初蝓值▲菠壞值10軸向應(yīng)力o/MPa抗壓強(qiáng)度a,/MPa圖1平均裂隙分維的變化曲線圈3抗壓蛋度與分維的關(guān)系由圖1、圖2回歸得:無(wú)明顯中國(guó)煤化工2上下波動(dòng),破D1=0.0026σ+1.4050,.壞分維}維值均大于初Dz= 0.0166σ + 0. 8782,始分維CNMHC密為主的裂隙=62.073σ+1404.2..上式表明,條數(shù)分維D、和格數(shù)分維D2均為上演化規(guī)律。第1期康衛(wèi)勇等:中硬煤大煤樣的壓裂實(shí)驗(yàn)研究2.4煤樣破壞后塊數(shù)和重f 分析式中:K一頂煤 放出率,%;煤樣壓碎后各級(jí)塊徑的煤塊所占的比例直接顯D':一現(xiàn)場(chǎng)所得 塊數(shù)分維值。示了現(xiàn)場(chǎng)頂煤的可冒性和可放性。分形維數(shù)恰能很代人測(cè)得Ds值(2. 2889) ,得放出率K為82. 34%，好地描述這一比例。本次實(shí)驗(yàn)按8級(jí)(> 200,>120,表明中硬煤厚煤層可放性好,適合于用綜采放頂煤> 80,> 45,> 30,> 20,> 10,≤10,單位:mm)統(tǒng)計(jì)開采。壓碎后的塊數(shù)和重量,并按和D,D2相同的方法計(jì)表4試件壓碎塊度表算塊數(shù)分維D,和重量分維D,其結(jié)果列于表4中。D.r d>1md>lm |d<6 cm其中塊徑大于1 m和小于6 cm的煤塊是按幾何比編號(hào)/MP Ds/hg的塊教所占百所占百分比/%分比/%放大后的實(shí)際尺寸。.12.25 1.65490.0838 14.545.9 24.1表3抗壓強(qiáng)度與裂隙分維的關(guān)系10.70 2. 36690.2605 14.617.1| 32.2試件杭?jí)簭?qiáng)度初始值破壞值_ 工 4.6 1.90810.219 18.72 20.0 I 16.0編號(hào)0/MPa「D1工D:p/m.8寸 D. [ D2//m.-I10.762.39910.358 27.36 ] 13.8 36.79.411. 7025 0.254431. 6549.8 18.01| 12.25 0.48491.2464| 1033 0.9535|1.4410| 37010.33 2.378 0.305 31.713.7 41.02 | 10.70 0.83111.2828 1380 1.20641.6434 8765.28 1.95810.2041 40.4; 26.0 32.1， 10.76 0.5878|1.1491 780 1.2900|1.4937| 459.6 1.701 20.3481| 23.3543.7 15.410 7.481.84310.1525 37.459.41 0.4701|0.7255| 940 1.0571|1.4129|11 8.42 ] 1.911 0.3046 38.15 13 51.1 16.56 10.33 1.0161|1.3228| 1770 1.0605|1.4953| 42平均值9.36 1.982 30.2489 27.78 5.8 32 25.15.28 0.41151.0285 1980 0.867 9|1.1930|13結(jié)論|9.60 |1.0987|1.3725 1480 1.25971.4274 55010 7.48 |0.9074|1.2791| 700 0.9014|1.2544 360通過(guò)對(duì)中硬煤大煤樣的壓裂實(shí)驗(yàn),我們認(rèn)為中11 8.42 0.9211|1.2841| 22781.0584{1.581 1994硬煤原始裂隙的發(fā)育表現(xiàn)出與軟煤和硬煤不同的力平均值9.36 0.74761.1879 1368 1.0728|1.438 447學(xué)特性,概括如下。1)中硬煤的峰值強(qiáng)度比軟煤的大，比硬煤的由回歸分析得D2e(塊數(shù)分維D3與重量分維D、小,彈性模量比兩者的都小，破壞時(shí)的橫縱比μ較之和)與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系式為:兩者的偏低。實(shí)驗(yàn)所得王莊礦中硬煤的基本力學(xué)性D3, = 2. 045@.008.0.質(zhì)可作為類似條件下理論研究和工程實(shí)踐的依據(jù)。試件壓碎后的塊數(shù)、重量均符合分形規(guī)律,表明它們2)中硬煤的抗壓強(qiáng)度與試件的受載面積關(guān)系隨著塊度的增大而呈指數(shù)規(guī)律遞減。為:2.5頂煤放出率 的計(jì)算['5]ap = 75. 868 6A - 0330°.頂煤放出率計(jì)算公式為:3)中硬煤的裂隙演化是以加密為主的規(guī)律,分.K= 43.786 + 8. 1066D; + 20.維值隨支承壓力變形呈上升趨勢(shì)。4)中硬煤可放性好,適合于用綜采放頂煤開采。參考文獻(xiàn)[1] 吳鏈.我國(guó)綜采放頂煤開采的現(xiàn)狀及展望[C]. 煤炭工業(yè)部放頂煤開采技術(shù)中心編.見(jiàn);綜合機(jī)械化放頂煤開采論文集.1995.15~18.[2] 靳鐘銘.宋選民.薛亞?wèn)|等.頂煤醫(yī)裂的實(shí)驗(yàn)研究[]煤炭學(xué)報(bào)，1999 24(1):29~33.[3] 李勝利。靳鐘銘,魏錦平.軟煤大煤樣的壓裂特性研究[J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)1999,30(6) i567 ~ 570.4] 康天合.趙陽(yáng)升靳鐘銘.煤體裂歐尺度分布的分形研究[].煤凝學(xué)1952064)-393~398.[5]析鐘銘,康天合 弓培林等.煤體裂歐分形與頂煤胃放性的相關(guān)研究[中國(guó)煤化工143~18.YHCNMHG.(下轉(zhuǎn)第11頁(yè))(上接第7頁(yè))Experimental Study of Crack Characteristic ofBig Medium-hard Coal SamplesKang Weiyong ,Jin Zhongming , Wei Jinping(nstitute of Mining Techrology of TUT)Abstract : Through the crack test of big medium-hard coal samples from Wangzhang Mine onreal triaxial test machine，the fundamental pr中國(guó)煤化工rmation are obtainedand the crack evolutionary way is discussed . 'YHCN M H G has four stages ,thatis ,locally number-increasing ,relocally extending ,reincreasing and reextending.Key words :medium-hard coal ; crack characteristic ;crack fractal dimension(編輯:張紅霞)