不同沖擊傾向性煤樣變形場演化特征

呂玉凱,姜耀東,2

(1．中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院,北京 100083;2．中國礦業大學(北京)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,北京 100083)

不同沖擊傾向性煤樣變形場演化特征

呂玉凱1,姜耀東1,2

(1．中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院,北京 100083;2．中國礦業大學(北京)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,北京 100083)

煤樣破壞前出現的變形局部化現象,對研究其失穩破壞前兆有重要的意義。選取了沖擊和非沖擊傾向性煤樣進行單軸壓縮破壞實驗;基于CT掃描,可以預測樣品裂隙演化趨勢;通過實驗發現,沖擊與非沖擊煤樣劈裂破壞前變形局部化帶內相對拉伸和相對滑動分量都是從增大到急劇增大、并最終導致樣品失穩破壞;沖擊煤樣的變形局部化出現較突然、更接近破壞的時刻;沖擊煤樣的變形局部化帶內相對拉伸和相對滑動分量均較非沖擊煤樣變化小數倍;非沖擊煤樣在微破裂穩定發展階段的變形局部化帶內相對滑動表現較沖擊樣品復雜。

沖擊傾向;煤樣;CT;變形局部化;失穩破壞

煤體賦存在特定的地質條件下,會表現出不同的沖擊傾向性,在開采擾動下易導致強沖擊煤層發生動力失穩災害。由于其發生突然,較難獲取其前兆特征,且我國煤礦該種災害呈現逐年增加趨勢,因此對煤體失穩破壞前兆規律的研究意義重大[1]。

目前有多種獲取煤巖體失穩破壞前兆的方法[2-5],變形場是其中一種。不論是工程尺度還是實驗室尺度的煤巖體,在受到外荷載作用下,其失穩破壞前均會出現變形局部化現象,并以此作為其前兆特征;通過分析煤巖體變形局部化演化特征,可以獲取有斷層構造沖擊失穩發生前,斷層位移表現出間隔滑動特征[6];而硐室沖擊地壓發生由于變形局部化帶的拉伸和錯動共同作用導致[7];單軸剪切破壞實驗中,加載初期的變形局部化帶內應變基本無變化,樣品的破壞主要由于變形局部化帶內相對滑動應變導致[8]。

煤巖體具有非均質性,在其內部存在著節理、裂隙和孔洞等。利用數字圖像處理技術可以準確提取CT圖像中巖石的損傷特性[9]。根據一般意義上裂紋的物理含義,定義了裂紋寬度,借用二值形態學骨架提取算法對裂紋的長度進行了檢出和測量[10]。采用CT掃描技術,發現隨著實驗中樣品應變的不斷增大,裂隙先壓密后擴展;樣品破壞前,裂隙的基本停止擴展,而無裂隙區的微裂紋擴展開始活躍,經歷了裂紋匯合→貫通→加速擴展→迅速張開→破壞過程[11]。

不同沖擊傾向性煤樣,在相同外載荷作用下變形場破壞前如何演化?兩者間有何異同?目前較少有相關研究,為此文章進行了如下研究。

1 CT掃描實驗

實驗樣品分別選自大臺井-10開采水平3號煤層(無沖擊危險)和唐山煤礦T2193工作面的9號煤層(中等以上的煤巖沖擊失穩危險傾向)。樣品共加工6塊50 mm×50 mm×50 mm(長×寬×高)的立方體, 2種煤樣各3塊。在單軸加載實驗前,對TS-2(唐山煤礦)煤樣進行CT掃描,所得圖像如圖1所示。

圖1 TS-2煤樣CT掃描圖Fig．1 CT scan pictures of TS-2 coal sample

對圖1中圖片進行分析,得知白色區域為堅硬的巖石節理,黑色區域為煤質;在準靜態荷載作用下煤巖內裂紋擴展主要沿密度相對較大團塊(礦物、惰性組或殼質組)的邊緣開裂,并且會出現次生裂紋現象。重構出的三維圖像中不同顏色交界處(不同材質)為單軸壓縮實驗過程中變形局部化易產生位置,為了避免樣品破壞沿著交界處開裂,同時使得實驗結果具有一定的隨機性,特將加載面平行于節理平面。

對TS-2樣品CT掃描圖像進行了三維重建,依據灰度值差異來定義不同材質屬性,重建模型如圖2所示。

圖2 TS-2煤樣Mimics三維重建模型Fig．2 Three-dimensional reconstruction model base on mimics of TS-2 coal sample

DT-3煤樣(大臺煤礦)的CT掃描結果如圖3所示。圖3可以發現,DT-3煤樣中巖石節理雜亂且較分散;DT-3煤樣三維重建模型如圖4所示。

圖3 DT-3煤樣CT掃描圖Fig．3 CT scan pictures of DT-3 coal sample

圖4 DT-3煤樣Mimics三維重建模型Fig．4 Three-dimensional reconstruction model base on Mimics of DT-3 coal sample

2 變形場實驗

圖5為樣品變形場實驗系統,主要包括壓機、煤樣、CCD相機;壓機為CSS-44100電子萬能材料試驗機,最大荷載100 kN,精度±0．5%;CCD相機分辨率為1 624像素×1 236像素,采集速率為15幀/s。采用加載速度為0．3 mm/min的位移加載,直至樣品破壞。

基于CT掃描實驗結果,將平行于試樣節理的平面作為加載的上下端面,在樣品前后觀測面中選取較平整一面作為應變場監測面,由于同種材質煤樣破壞特征相似,故選取了TS-2和DT-3煤樣進行研究。采用CCD相機來跟蹤煤樣表面白色斑點在加載過程中的運動,從而獲得變形場變化信息。

圖5 實驗系統示意Fig．5 The schematic of experimental system

3 實驗結果與分析

3.1 變形局部化區域劃分

煤體內部存在著節理、裂隙和孔洞等,在外載荷作用下,微裂隙開始活躍;隨著應變的增加,原先分散的微裂隙會向一條或多條裂隙帶靠攏,形成變形局部化帶。當樣品變形達到一定程度后,變形局部化帶中的應變值要明顯高于周圍區域,以此來進行了變形局部化區域劃分,詳見圖6及圖7中的小圖片所示。

圖6 TS-2煤樣變形場等值線Fig．6 Deformation field contour map of TS-2 specimen

目前,相關文獻對變形局部化帶中的拉伸和錯動演化規律研究較少,為此,實驗通過捕獲受載中的樣品觀測面白色斑點運動軌跡,來分析變形局部化帶中白色斑點沿條帶方向(相對滑動分量,以逆時針相對錯動為正值,如圖8所示)和垂直條帶方向(相對拉伸分量,以拉開方向為正值,如圖9所示)的相對位移。

3.2 變形局部化演化特征

經過上述實驗及數據處理過程,可以得到TS-2煤樣各加載時刻變形場云圖。破壞前樣品經過4個階段:彈性變形階段(0．198 0～1．341 2 MPa)、微破裂穩定發展階段(1．341 2～5．606 4 MPa)、塑性變形階段(5．606 4～8．404 4 MPa)及破裂后階段。

圖7 DT-3煤樣非均勻變形局部化演化Fig．7 Non-uniform strain localization contour map of DT-3 coal sample

圖8 TS-2試樣變形場數據分析區域Fig．8 Data analysis region of strain field of TS-2 coal sample

圖9 應變場數據分析區域Fig．9 Data analysis region of strain field

從圖6可以發現:不同加載時刻,樣品的變形局部化出現的位置均是由于內裂紋擴展主要沿密度相對較大團塊(礦物、惰性組或殼質組)的邊緣開裂,并向外擴展,產生的可能位置可以參照圖1,2;單軸應力達到8．008 8 MPa(圖6第2小圖片)時,首先在煤樣的中下部出現變形局部化帶;應力在8．072 4～8．271 2 MPa(圖6第3～7小圖片)階段,變形局部化帶由下向上逐漸擴展成型;應力8．271 2～8．318 0 MPa (圖6第7～17小圖片)階段,變形局部化帶在樣品底部演化較其它位置處劇烈,該處也是表面裂紋最先產生位置?；谏鲜龇治?得知TS-2樣品的變形局部化帶在塑性加載階段出現并成形。為揭示變形局部化帶內微裂隙的相對拉伸及錯動位移,如圖8所示,沿條帶走向依次選取5組測點進行分析。

對選取的5組測點進行數據處理,得到相應的相對拉伸及相對滑動分量變化特征,如圖10所示。

圖10 TS-2試樣測點應力、拉伸分量-應變曲線Fig．10 Stress,tensile displacement-strain curves of TS-2 coal sample measuring point

由圖10(a)可知在彈性階段TS-2樣品的5個測點的變形局部化演化規律基本相同。彈性階段相對拉伸分量基本為0,相對滑動分量緩慢增大;微破裂穩定發展階段,相對拉伸分量仍基本為0,相對滑動分量在大部分區域緩慢增大,在局部區域開始快速增大;塑性階段,相對拉伸與滑動分量的變化比較復雜,相對滑動分量由開始的快速增大變為急劇增大,而相對拉伸分量由較長時間的無變化突然急劇增大。

圖10(b)為樣品在塑性階段中變形局部化帶測點的相對拉伸和滑動分量的變化曲線。從圖中可以發現:隨著載荷增大,樣品變形局部化帶先后經歷了相對滑動主導(150～154 s)→相對拉伸主導(154～ 156 s)→相對拉伸和滑動共同主導(156 s后)3個階段,并最終導致樣品失穩破壞。試樣下方測點的相對拉伸分量較上方測點變化明顯;進入塑性變形后,樣品上方測點的相對滑動較下方測點變化顯著,繼續加載,則下方測點重新有較大變化;這個特點也正好與圖6中小圖片揭示現象一致。TS-2煤樣相對拉伸變化范圍 0～0．5 mm,相對滑動變化范圍為 0～0．25 mm。相對拉伸約為相對滑動的兩倍。

圖7為DT-3煤樣單軸加載應力-應變曲線,依次經歷了彈性變形(1．052 4～3．220 0 MPa)、微破裂穩定發展(3．220 0～6．056 0 MPa)、塑性變形(6．056 0～6．938 4 MPa)及破壞4個階段。

從圖7中可以發現:不同加載時刻的變形局部化出現位置可以參照圖3,4;變形局部化帶在樣品所受應力達到2．710 8 MPa(圖7中第1小圖片)時開始顯現;第1條變形局部化帶成型于5．264 4 MPa(圖7中第5小圖片);第2條變形局部化帶在4．525 2 MPa時開始出現(圖7第4小圖片),于6．427 2 MPa時基本成型(圖7第11小圖片);第2條變形局部化帶在應力達到6．736 4 MPa(圖7第15小圖片)時貫通樣品表面。樣品右側變形局部化帶由上向下逐漸形成,而左側變形局部化帶則突然形成?；谏鲜雒枋?可以發現DT-3樣品的第1條變形局部化帶出現在彈性加載階段,在微破裂穩定發展階段基本成型;第2條成型于塑性變形階段。

如圖9所示,沿著DT-3煤樣表面右側變形局部化帶方向依次選取4組監測點,分析各測點隨著荷載增大,其相對拉伸和滑動位移,從而揭示樣品變形場演化特征。

由圖11(a)可知在彈性階段,DT-3樣品的相對拉伸分量基本為0,而相對滑動分量快速增大;在微破裂穩定發展階段,相對拉伸分量開始仍為0,后期快速增大,相對滑動分量先快速增大后減小;塑性階段,相對拉伸分量急劇增大,而相對滑動分量表現平穩到急劇增大。

圖11(b)截取了樣品從微破裂穩定發展階段到樣品破壞階段的變形局部化帶中各測點的相對拉伸和滑動分量變化信息?？梢园l現,加載初期(0～282 s)測點相對滑動分量逐漸增大且達到峰值,而拉伸分量基本無位移變化;隨著荷載繼續增加(282～289 s),相對滑動分量快速減小、拉伸緩慢增大→相對滑動分量平緩變化、拉伸快速增大(289～314 s)→相對滑動和拉伸分量均快速增大(314～320 s)→相對滑動分量平緩變化、拉伸仍快速增大(320 s后)。

圖11 DT-3試樣測點應力、拉伸分量-應變曲線Fig．11 Stress,tensile displacement-strain curves of DT-3 coal sample measuring point

DT-3煤樣的相對拉伸分量變化范圍為0～ 2．5 mm、相對滑動分量變化范圍為0～0．4 mm,相對拉伸約為相對滑動的6倍。

4 結 論

(1)沖擊傾向性煤樣的變形局部化出現更接近其破壞時刻,也意味著較非沖擊煤樣更加難以預測樣品破壞。沖擊性煤樣的變形局部化出現在樣品塑性變形階段,而非沖擊性煤樣在彈性階段就已經出現,在微破裂穩定發展階段基本成型。

(2)非沖擊樣品變形局部化帶位移的相對拉伸和相對滑動分量變化范圍均要比有沖擊傾向性樣品大數倍且變化比例也大于沖擊性煤樣。

(3)沖擊與非沖擊樣品在破壞前,變形局部化帶位移的相對拉伸與相對滑動分量都是一直增大到急劇增大,并最終導致樣品失穩破壞;在加載各階段中,兩種樣品的相對拉伸分量變化規律基本相同;而非沖擊樣品的滑動分量從彈性階段就開始逐漸增大,沖擊樣品在塑性階段才開始增大,且非沖擊煤樣在微破裂穩定發展階段相對滑動出現增大和減小反復現象,變化較沖擊樣品復雜。

(4)基于CT圖像可以預測樣品裂隙演化趨勢。在垂直節理方向的單軸壓縮下,煤巖內裂紋擴展主要沿密度相對較大團塊(礦物、惰性組或殼質組)的邊緣開裂,且會出現次生裂紋。

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Evolution of the deformation fields of different outburst proneness coal specimens

Lü Yu-kai1,JIANG Yao-dong1,2
(1.School of Mechanics and Civil Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China;2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China)

Deformation localization which occurs before the destruction of coal specimens is of significance for the instability failure precursor of coal specimens．Outburst proneness and non-outburst proneness coal specimens were selected for uniaxial compression experiment．Based on the computed tomography(CT)scans,the fractured trends of specimens could be predicted．The experimental results reveal that the deformation localization of both outburst and non-outburst proneness coal specimens occurs before the splitting failure,and the relative tension and the relative sliding components inside deformation localization show from increase to increase rapidly,until the instability failure of the sample．The deformation localization of outburst specimens shows more suddenly and closer to the destruction moment than non-outburst ones．Both the relative tension and sliding components of the outburst specimens are several times smaller than non-impact ones．During the stable development stage of micro-fractures,the relative sliding components of non-outburst exhibit a more complex feature．

outburst proneness;coal specimens;computed tomography;deformation localization;instability destruction

TD315

A

0253-9993(2014)11-2172-05

2013-11-20 責任編輯:常 琛

國家重點基礎研究發展計劃(973)資助項目(2010CB226801)

呂玉凱(1982—),男,山西大同人,博士后。E-mail:lvyukai2006@126．com

呂玉凱,姜耀東．不同沖擊傾向性煤樣變形場演化特征[J]．煤炭學報,2014,39(11):2172-2176．

10．13225/j．cnki．jccs．2013．1703

Lü Yukai,Jiang Yaodong．Evolution of the deformation fields of different outburst proneness coal specimens[J]．Journal of China Coal Society,2014,39(11):2172-2176．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2013．1703