型煤試件飽水前后三軸試驗分級加載分析

摘 要：通過試驗手段，研究型煤試件飽水前后分級加載下三軸試驗的力學特性變化，主要的觀測參數為最大軸向力，分析重點是特性曲線的變化趨勢。由試驗數據分析，型煤試件飽水后，對比未處理狀態，破壞前變化趨勢相似，但最大軸向力變小，同時軸向力到達峰值后呈繼續增加的趨勢。

關鍵詞：型煤 水弱化 分級加載

中圖分類號：TD712 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）01（a）-0000-00

重慶科技學院研究生科技創新計劃項目，項目編號：YKJCX2014036

作者簡介：王敬堃（1991-），女，江蘇宿遷，漢族，在讀工程碩士，主要研究方向為安全技術與工程。

0 前言

我國煤炭資源豐富，開采作業過程中，可能發生的事故種類較多，其中，水害事故容易造成較大的人員傷害和財產損失，因此，研究水對煤巖的弱化十分重要。近年來，在實驗室研究中，逐步開始使用由煤粉制成的型煤試件。型煤試件與原煤試件相比，空隙體積、峰值強度以及變形程度等方面雖然有一定的差異，但是其變化規律卻較為相似[1]。同時，由型煤試件進行水弱化方面的試驗研究，制作更簡單方便，并且有良好的重復性等優勢，利于后續試驗的展開。本文采用型煤試件作為研究對象，通過簡單的分級加載方法，分析飽水前后型煤試件的變化趨勢。

1 實驗裝置及方法

1.1試件制備

本次試驗所使用的型煤試件制備方法為：將原煤煤樣用粉煤機將其粉碎，并用篩網進行顆粒篩選，選取不同粒徑的篩網篩出40目、60目、80目（0.177mm-0.425mm）三種規格的煤粉，并將篩好的煤粉倒入標準模具內，在2000kN材料試驗機上，以100MPa的成型壓力穩定 30min后，壓制成直徑50mm、高為100mm的成型煤試件，試件內不添加任何黏結劑，只加入適量水，型煤試件大小按照國際巖石力學學會標準制備。

1.2試驗裝置

本次試驗采用微機控制電液伺服三軸試驗機，儀器可要用于煤、巖石、巖鹽等試樣的三軸實驗，由計算機測控系統、液壓站、主機等部分組成。其中液壓站用于提供系統動力，計算機測控系統用于控制電液伺服加載，試件放于主機內，并在計算機控制下進行試件加卸載實驗。試驗機的最大軸向力為 400kN，最大圍壓為 30kN。

1.3試驗方法及步驟

本次試驗方案為簡單對比試驗，僅設置型煤試件在未經水浸泡和飽水兩種條件下的分級加載三軸試驗，主要試驗步驟為：①按要求制備型煤試件，并將試件分為兩組，一組不做任何處理，另一組放入水中浸泡，直至試件飽水；②記錄試件的尺寸等基本信息，分別進行分級加載的三軸試驗，直至試件破壞；③整理試驗數據，分別選取未處理和飽水兩個條件下效果較好的一組進行分析。

分級加載三軸試驗主要步驟為：①檢查儀器是否正常，并將試件按要求安裝與儀器內；②增加圍壓至3MPa，并保持不變；③用位移控制逐步加載軸壓，并以每5kN為一個等級加載軸向力，達到目標軸向力后，保壓一個小時，直至試件破壞；④按操作規定泄壓，取下試件，處理數據。

2 試驗結果及分析

2.1試驗結果

試驗結束后由電腦軟件導出數據，分析處理后可分別得到未浸水和飽水后，分級加載三軸試驗的位移-軸向力圖，其中，橫坐標位移單位為mm，縱坐標軸向力單位為kN：

2.2 結果分析

（1）變化趨勢

分析未處理試件和飽水的試件的位移-軸向力圖，可明顯看出在分級加載的過程中，位移均有相近的逐漸增大的變化規律，但在靠近軸向力臨界值時，與飽水試件相比，未處理試件有更為明顯的突變現象。其次，到達臨界值試件破壞后，未處理試件的位移呈減小趨勢，且所受軸向力不再超過最大值，而飽水試件在試件破壞之后，所受軸向力仍然繼續增大。出現此現象的原因應該為飽水試件在水浸泡的過程中，受水的影響，試件內的結構發生了變化，因此造成了力學性質的改變。

（2）破壞臨界值

在分級加載的過程中，未處理試件經過了6次完整的加載，在第7次時達到臨界值被破壞，此時臨界值約為32kN；而從飽水試件變化趨勢來看，僅經歷了4次完整加載，第5次加載時就被破壞，破壞臨界值約為23kN。容易看出飽水試件的破壞臨界值遠小于未處理試件，表明水對型煤試件的弱化作用非常明顯。

3 總結

本次試驗主要簡單研究型煤試件飽水前后在分級加載方法下的三軸試驗，分為兩組處理型煤試件，選擇較好的數據進行分析，可得出以下兩個結論：

（1）未處理試件和飽水試件在分級加載過程中表現出相似的變化趨勢，但在到達臨界值破壞前，未處理試件有明顯的突變現象，同時飽水試件破壞后所受軸向力繼續增加，而未處理試件破壞后所受的軸向力有減小的趨勢；

（2）型煤試件飽水后，對比未處理試件，破壞臨界值明顯變小。

分級加載常被用于研究巖石的蠕變特性[2-4]，雖然本次試驗僅簡單得出型煤試件在分級加載下的變化趨勢，但由于與型煤相關的試驗較少，所以仍然對未來更深入的研究具有一定的參考作用。

參考文獻

[1] 夏超逸.煤體透水機制研究及應用[D].重慶：重慶大學資源及環境科學學院，2014

[2] 張忠亭，羅居劍.分級加載下巖石蠕變特性研究[J].巖石力學與工程學報，2004，23（2）：218～222

[3] 楊紅偉，許江，聶聞，彭守建.滲流水壓力分級加載巖石蠕變模型[J].宜賓學院學報，2015，15（6）：1～5