煤岩模拟材料的力学特性

任春平， 刘春生

(黑龙江科技大学 机械工程学院，哈尔滨150022)

0 引 言

由于煤岩力学性质具有不确定性，较难捕获其全部特征，所以，它的材料组分和配比皆会不同程度地影响其力学性质，据此，国内外学者对煤岩单轴实验及其材料配比进行了大量研究与分析。Dhaels 等探讨了煤岩试样高度对其抗压强度的影响变化［1］。A M．Hirt 等针对同一矿区的不同煤层开展单轴实验研究，给出不同性质煤岩抗压强度间的内在关联［2］。T．P．Medhurst 对四种不同尺寸的大煤样开展单轴压缩实验，研究煤岩抗压强度与尺寸关系［3］。刘宝深利用回归分析方法，给出煤岩抗压强度尺寸效应的数学模型［4］。陶驰东等利用人造模拟截割材料，在液压刨床和专用截割实验台上完成单齿截割系统的模化实验［5］。杜长龙采用天然煤粉、水泥和水为原材料进行了模拟截割材料的实验研究［6］。杨绍杰利用自制的煤岩，开展了三轴、单轴实验研究，给出了煤样抗压强度的经验公式［7］。郭东明给出了煤岩强度随不同煤岩体倾角的变化规律［8］。肖福坤等研究了含瓦斯煤在三轴作用下失稳破坏过程中的声发射特性［9］。在上述众多研究的基础上，笔者主要针对不同材料配比参数煤岩试件开展单轴加载实验，以探讨煤岩的强度和变形特征，为研制模拟煤壁强度特性奠定基础。

1 煤样制备

实际工况的煤层组分和结构复杂，其内部存在着层理、节理及空洞，较难捕获与原煤相似材料的全部特征。为获得与原煤特性相似的截割材料强度特性，以单向抗压强度为参考量，进行模拟煤样的研制。实验条件:水泥型号为425，第一次配比时，在不加石膏粉的情况下，煤粉和水泥按五种不同配比，通过改变水的质量，达到模拟煤岩抗压强度。

进行第二次配比时，煤粉与水泥在配比为1.5不变的条件下，通过改变石膏粉的质量，达到模拟材料抗压强度的目的，水的质量依据水泥、煤粉混合物达到黏稠状时所用质量为准，给出三组煤样，每组煤样试件为两个。两次模拟配比见表1，表1 中序号1～5 为第一次配比，序号6～8 为第二次配比。

表1 模拟煤岩材料配比Table1 Simulation material ratio of coal and rock

在制作标准煤样过程中，先把块状煤较平的一端转于底部，然后于ZS －100 型岩石钻孔机取芯钻下方垫板上放稳放平，用夹具将其固定后取芯，如图1b 所示。将取出的煤样经过切割、打磨等工序，制作成高度为100 mm、直径为50 mm(高径比为2 ∶1)圆柱体煤岩试样。为避免煤样混淆，在加工完成的煤样表面标上序号，如图1c 所示。

2 加载实验

实验采用TAW－2000KN 微机控制电液伺服岩石单轴实验系统，由计算机控制实验记录、实验测试结果，且自动进行实验数据采集及处理。同时配有轴压，液压伺服系统灵敏度及实验精度均较高。此外，配备的实心钢架，可以储存较小的弹性势能，用以开展刚性压力实验的研究。与煤岩试样连接的引伸仪，可以在140 MPa 高压及200 ℃高温的条件下使用，即可在高压和高温环境下，开展煤岩试样的应力－应变的精确测量实验;实验系统的加载速度可根据需要进行自动选择及调整。

针对八组煤样进行实验，加载速度设置为0.05 mm/min。煤岩的力学参数，即单向抗压强度σc及最大负荷FM的变化值，如表2 所示。

图1 煤样Fig．1 Coal samples

表2 煤样力学参数Table 2 Mechanical parameters of coal samples

为了进一步判别煤岩体类型，按照煤岩体在开采中被破坏的难易程度，将其分为六个等级，煤岩体坚固性系数见表3［10］。

表3 各煤岩体坚固性系数Table 3 Protodyakonov coefficient

抗压强度与坚固性系数的关系［10］:

式中:σc——抗压强度，MPa;

f——坚固性系数。

根据表3 和式(1)，结合通过单轴实验测试得到的力学参数，可得，第一组、第二组、第三组试样煤岩类型为中硬煤，其余煤岩类型属于软煤。根据实验获得单向抗压强度判别煤岩类型，从而确定煤岩材料的配比。

3 煤岩变形及强度特征分析

为探究煤岩的破裂形式，判定煤岩的宏观变形特征，通过上述煤岩单轴加载实验，可以得出煤样的破碎形式为劈裂破坏［11－14］。

煤岩在不同材料配比条件下，观察其内部微观变形过程，实验给出了其中一组煤岩试样的应力－应变曲线，如图2 所示。

图2 可知，煤岩的变形可分为弹性变形、向塑性变形过渡直到破坏三个阶段。在实验初始阶段，由于对煤样有初始恒定预压力，所以应力并不是从零开始。随着应变的增加，应力呈线性增大，原因在于煤样中的微裂隙或节理面压密和闭合导致，当应变继续增大时，煤样的应力超过了其最大承载力，开始破裂，应力曲线下降，且下降速度较快，表征煤岩脆性特征比较明显。

为探求不同材料配比煤岩与抗压强度之间的定量关系，分析煤岩参数特性，确定不同材料配比下的煤岩强度特征。根据上述煤岩试样的研制配比结果，应用MATLAB 软件，得到煤岩抗压强度与材料配比及石膏之间的拟合关系，如图3 所示。

根据图3a，给出煤粉、水泥配比ξ 与抗压强度的拟合关系式:

从式(2)可知，煤岩抗压强度与煤粉和水泥配比呈指数下降关系。图3b 表明，在煤粉与水泥配比为1.5 的实验条件下，添加石膏能够降低煤岩的抗压强度，从而达到预期模拟煤壁力学特性的目的。

图2 煤岩变形过程曲线Fig．2 Coal and rock deformation curve

图3 强度特征Fig．3 Strength characteristics

4 结 论

(1)为研究煤岩抗压强度随其材料配比的定量关系，针对不同配比的φ50 mm ×100 mm 煤岩试件开展单轴加载实验，确定煤岩抗压强度与煤粉和水泥配比呈指数下降关系，拟合关系式为σc=92.124e－1.0969ξ。

(2)根据煤岩材料不同配比下的强度大小，结合煤岩坚固性系数，可判别煤岩体类型，为实验需要模拟煤壁强度特性提供依据。

(3)分析不同材料配比下煤岩的变形特征及劈裂形态，确定煤岩的变形可分为弹性变形、向塑性变形过渡直到破坏三个阶段，煤样的破碎形式为劈裂破坏。

［1］DHAELS J，MOORE LD．The ultimate strength of coal［J］．The Eng and Mining，1997，6(10):263 －268．

［2］HIRT A M，SAKOOR A．Determination of unconfined compressive strength of coal for pillar design［J］．Mining Engineering，1992，10(8):1037 －1041．

［3］MEDHURST T P．A study of the mechanical behavior of coal for pillar design［J］．Int J Rock Min Sci 1998，35(8):1 －2．

［4］刘宝深．岩石抗压强度的尺寸效应［J］．岩石力学与工程学报，1998，17(6):611 －614．

［5］陶驰东，陈 翀．采煤机滚筒模化实验研究［J］．中国矿业大学学报，1989，18(1):51 －58．

［6］杜长龙．煤岩模拟材料的实验研究［J］．中国科技论文，2012，7(2):116 －119．

［7］杨绍杰．煤岩强度与变形特征实验研究及其在条带煤柱设计中的应用［D］．青岛:山东科技大学，2005．

［8］郭东明．不同倾角组合煤岩体的强度与破坏机制研究［J］．岩土工力学，2011，32(5):1333 －1339．

［9］肖福坤，樊慧强，刘 刚．三轴压缩下含瓦斯煤样破坏过程的声发射特性［J］．黑龙江科技学院学报，2013，23(1):10－15．

［10］刘春生，于信伟，任昌玉．滚筒式采煤机工作机构［M］．哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社，2010．

［11］刘春生，任春平，鲁士铂，等．截齿截割载荷谱重构的正则参数优化策略［J］．黑龙江科技学院学报，2013，23(5):444 －448．

［12］刘春生，任春平，李德根．修正离散正则化算法的截割煤岩载荷谱的重构与推演［J］．煤炭学报，2014，39(5):981－986．

［13］刘春生，任春平．基于离散正则化的实验载荷谱重构与推演算法［J］．应用力学学报，2014，31(4):616 －620

［14］刘春生，王庆华，任春平．镐型截齿载荷谱定量特征的旋转截割实验与仿真［J］．黑龙江科技大学学报，2014，24(2):195 －199．