型煤試件飽水前后三軸試驗(yàn)分級加載分析

摘 要：通過試驗(yàn)手段，研究型煤試件飽水前后分級加載下三軸試驗(yàn)的力學(xué)特性變化，主要的觀測參數(shù)為最大軸向力，分析重點(diǎn)是特性曲線的變化趨勢。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，型煤試件飽水后，對比未處理狀態(tài)，破壞前變化趨勢相似，但最大軸向力變小，同時(shí)軸向力到達(dá)峰值后呈繼續(xù)增加的趨勢。

關(guān)鍵詞：型煤 水弱化 分級加載

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

重慶科技學(xué)院研究生科技創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)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?yàn)榘踩夹g(shù)與工程。

0 前言

我國煤炭資源豐富，開采作業(yè)過程中，可能發(fā)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(cái)產(chǎn)損失，因此，研究水對煤巖的弱化十分重要。近年來，在實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度以及變形程度等方面雖然有一定的差異，但是其變化規(guī)律卻較為相似[1]。同時(shí)，由型煤試件進(jìn)行水弱化方面的試驗(yàn)研究，制作更簡單方便，并且有良好的重復(fù)性等優(yōu)勢，利于后續(xù)試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)裝置及方法

1.1試件制備

本次試驗(yàn)所使用的型煤試件制備方法為：將原煤煤樣用粉煤機(jī)將其粉碎，并用篩網(wǎng)進(jìn)行顆粒篩選，選取不同粒徑的篩網(wǎng)篩出40目、60目、80目（0.177mm-0.425mm）三種規(guī)格的煤粉，并將篩好的煤粉倒入標(biāo)準(zhǔn)模具內(nèi)，在2000kN材料試驗(yàn)機(jī)上，以100MPa的成型壓力穩(wěn)定 30min后，壓制成直徑50mm、高為100mm的成型煤試件，試件內(nèi)不添加任何黏結(jié)劑，只加入適量水，型煤試件大小按照國際巖石力學(xué)學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)制備。

1.2試驗(yàn)裝置

本次試驗(yàn)采用微機(jī)控制電液伺服三軸試驗(yàn)機(jī)，儀器可要用于煤、巖石、巖鹽等試樣的三軸實(shí)驗(yàn)，由計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)、液壓站、主機(jī)等部分組成。其中液壓站用于提供系統(tǒng)動力，計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)用于控制電液伺服加載，試件放于主機(jī)內(nèi)，并在計(jì)算機(jī)控制下進(jìn)行試件加卸載實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)機(jī)的最大軸向力為 400kN，最大圍壓為 30kN。

1.3試驗(yàn)方法及步驟

本次試驗(yàn)方案為簡單對比試驗(yàn)，僅設(shè)置型煤試件在未經(jīng)水浸泡和飽水兩種條件下的分級加載三軸試驗(yàn)，主要試驗(yàn)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(jìn)行分級加載的三軸試驗(yàn)，直至試件破壞；③整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別選取未處理和飽水兩個(gè)條件下效果較好的一組進(jìn)行分析。

分級加載三軸試驗(yàn)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(nèi)；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(gè)等級加載軸向力，達(dá)到目標(biāo)軸向力后，保壓一個(gè)小時(shí)，直至試件破壞；④按操作規(guī)定泄壓，取下試件，處理數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)束后由電腦軟件導(dǎo)出數(shù)據(jù)，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(yàn)的位移-軸向力圖，其中，橫坐標(biāo)位移單位為mm，縱坐標(biāo)軸向力單位為kN：

2.2 結(jié)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(guī)律，但在靠近軸向力臨界值時(shí)，與飽水試件相比，未處理試件有更為明顯的突變現(xiàn)象。其次，到達(dá)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(xù)增大。出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因應(yīng)該為飽水試件在水浸泡的過程中，受水的影響，試件內(nèi)的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，因此造成了力學(xué)性質(zhì)的改變。

（2）破壞臨界值

在分級加載的過程中，未處理試件經(jīng)過了6次完整的加載，在第7次時(shí)達(dá)到臨界值被破壞，此時(shí)臨界值約為32kN；而從飽水試件變化趨勢來看，僅經(jīng)歷了4次完整加載，第5次加載時(shí)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(yuǎn)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(jié)

本次試驗(yàn)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(yàn)，分為兩組處理型煤試件，選擇較好的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可得出以下兩個(gè)結(jié)論：

（1）未處理試件和飽水試件在分級加載過程中表現(xiàn)出相似的變化趨勢，但在到達(dá)臨界值破壞前，未處理試件有明顯的突變現(xiàn)象，同時(shí)飽水試件破壞后所受軸向力繼續(xù)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(yàn)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(guān)的試驗(yàn)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(xiàn)

[1] 夏超逸.煤體透水機(jī)制研究及應(yīng)用[D].重慶：重慶大學(xué)資源及環(huán)境科學(xué)學(xué)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(xué)與工程學(xué)報(bào)，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(xué)院學(xué)報(bào)，2015，15（6）：1～5