（应用数学专业论文）水压力作用下煤岩损伤弱化规律研究.pdf

1 论文题目：水压力作用下煤岩损伤弱化规律研究 专 业：应用数学 硕 士 生：郭海防 （签名） 指导教师：张嘉凡 （签名） 摘 要 我国是世界上煤炭储量最丰富的国家之一， 煤炭能源在国民经济发展中起着重要的 基础作用。随着煤炭资源开采强度的不断加大，煤层开采效率越来越受到关注。水溶液 对煤岩损伤弱化规律的研究是煤炭开采过程中的重大课题， 由于我国急倾斜煤层分布广 泛， 因此水压力作用下对煤岩损伤弱化规律的研究更是对急倾斜煤层的开采方法优化的 重要课题之一。 本文以水溶液及孔隙水压力作用对煤岩体损伤弱化规律为主要研究对象。首先，通 过水溶液对煤岩体强度损伤弱化的物理实验， 得到了不同水溶液对煤岩含水率的改变不 同及煤岩强度、弹性模量、泊松比与含水率的关系，试验表明：煤岩的强度、弹性模量 随含水率的增加而减小，煤岩泊松比随含水率的增加而增大；其次，总结了水溶液对煤 岩体力学性质三方面影响：从煤岩微元体强度服从 weibull 分布的角度及密度、弹性模 量变化的角度出发，建立了轴压与水压共同作用下煤岩体的统计损伤模型。引入孔隙水 压力影响因子，证明孔隙水压力对煤岩体损伤情况。利用水压致裂理论，分析煤岩体孔 隙水压作用原理， 得出了煤岩裂纹初裂强度值， 并对煤岩孔隙率进行了定性描述； 最后， 利用 f-rfpa2d 进行数值模拟，分析了孔隙水压力对煤岩加载损伤过程，对煤岩变形强 度的影响，研究表明：当孔隙水压力恒定时，煤岩强度随围压的增加而增大；当围压相 同时，孔隙水压力越高，煤岩强度越低。围压大小和起始水压力大小对孔隙水压力作用 的影响显著。 关 键 词：含水率；损伤弱化；孔隙水压力；数值模拟 研究类型：应用研究 2 subject : research of coal and rock damage weakening under the action of water pressure specialty : apply mathematics name : guo hai-fang (signature) instructor : zhang jia-fan (signature) abstract china coal reserves is one of the richest countries on the world, coal energy plays an important role in the development of national economy, with the coal resources exploitation strength increasing, coal mining efficiency has been paid more and more attention. aqueous to coal and rock damage weakening is the important topic of coal mining process, because chinas coal seam widely distributed, research the regularity of coal and rock damage to weaken under the action of water pressure is one of the important topics in steep coal seam mining method optimization. based on the water pressure of coal and rock damage effect to coal and rock damage weakening as the main research object. first, through the physics experiment of aqueous to coal and rock mass strength damage reduction, get the relationship of the solution to the moisture content of different coal and coal rock strength changes, the elastic modulus and poisson ratio and the moisture content, tests show: coal rock strength and elastic modulus decreases with the increase of the moisture content, petrographical poisson ratio increases with the moisture content; secondly, summarizes the solution of coal and rock mechanics properties in three factors: stress and strain characteristic, coupling of strength and solid-liquid. from angles of coal tiny intensity obey weibull distribution and density, elastic modulus variation, establish statistical damage model of the axial compressive and pressure under the joint action of coal and rock. introduced the pore water pressure influence factor, proof damage of pore water pressure to coal and rock. using the theory of hydraulic fracturing to analyze the principle of pore water pressure effect to coal and rock, get coal and rock crack splitting strength value, and describe the coal and rock porosity, finally, using the f-rfpa2d numerical simulation and analysis the pore water pressure to coal and rock damage process, influence to coal and rock deformation, research shows that: when the pore water pressure constant, coal rock strength is increasing with confining pressure increases; when the same confining pressure, the higher of pore water pressure is, the lower of coal rock strength. confining pressure size and size of water pressure on initial 3 pore water pressure effect significantly. key words: moisture content damage the pore water pressure numerical simulation thesis: application research 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景及其研究意义 能源是人类社会发展的重要基础资源，在国民经济发展中起着重要的基础作用。但 随着世界经济的发展、人口的剧增和人民生活水平的不断提高，世界能源需求量持续增 大，由此导致对能源资源的争夺日趋激烈、环境污染加重、环境保护压力加大。2008 年年初我国出现的“煤荒” 、 “电荒”以及全球“油荒”所引起的 2008 年 7 月 11 日国际 市场出现的有史以来每桶 147.27 美元的最高油价， 加重了人们对能源危机的担心， 促使 我们更加关注世界能源的供需现状和趋势，也更加关注中国的能源供应安全问题。从总 体上看， 21 世纪世界能源的需求量仍将继续增长， 但能源开发结构无疑将由石油主导型 发展为多元共进型，可再生能源将迅速发展。但由于能源结构调整和变化的周期较长， 因此，在相当长的一段时期内，传统的矿物燃料仍将是世界较长一段时期内能源生产消 费的主体。 煤炭是保障国民经济平稳、 快速发展的能源安全基石。 中国是一个产煤大国， 煤炭在我国一次性能源消费结构中占 70%以上。根据我国国民经济发展规划预测，2010 年、2015 年、2020 年全国煤炭需求量分别为 2728.2 亿吨、3031.2 亿吨、32.837 亿吨；预测 2010 年煤炭占一次能源消费的比重不会有明显下降，仍维持在 67%左右； 2020 年煤炭占一次能源消费的比重在 60%左右。由此可见，煤炭占一次能源消费的比 重将缓慢下降，但作为主体能源的地位不可动摇，煤炭在未来几十年中仍将是中国的主 要能源。煤炭是我国的主体能源和重要原料，煤炭工业是关系国家经济命脉的重要基础 产业。在国内现已探明的能源储量中，煤炭占 94%。在一次能源生产和消费结构中，煤 炭占 60%以上。国民经济的快速发展对煤炭的需求日益增加。据初步预计，到 2015 年， 全国煤炭需求可能达到 35 亿吨左右。对地下各种赋存条件煤炭资源的开采将是一项长 期的任务1。 我国煤炭资源的分布也十分广泛， 平原、 丘陵、 山区的地下蕴藏着丰富的煤炭资源， 煤炭的赋存条件也千差万别，其中煤岩体是颗粒或晶体相互胶结或粘结在一起的聚集 体，而水溶液又是地质环境中最活跃的因素，水-岩共同作用其实质是一种从岩石微观 结构变化导致其宏观力学特性改变的过程， 这种复杂作用的微观演化过程是自然界岩体 强度软化直至破坏的关键所在。 研究水溶液及孔隙水压力对煤岩体的损伤，主要是对矿产资源开采提供可靠的依 据，煤层注水是以解决采煤工作面煤尘问题而发展起来的，后又逐渐应用于预防冲击矿 压、提高瓦斯抽放效率、预防煤与瓦斯突出及防自燃发火等方面，现已成为预防矿井煤 尘、瓦斯和顶板等重大事故的综合性安全措施。煤层注水以后，煤块在注水压力和毛细 作用力的共同作用下吸附水分，从而使煤块的内聚力和内摩擦角降低，当煤体的固有裂 隙面吸附水分后，其摩擦角也减小，从而使煤体强度降低，另外，当煤体注入压力水以 后，由于存在孔隙压力，使煤体内的有效应力减小，也使煤体的抗剪强度降低。所以煤 西安科技大学硕士学位论文 2 层注水不仅可以弱化煤层，还可以起到防尘、防自燃发火、预防瓦斯突出等综合效果， 而且操作方便，煤层条件适宜、注水压力合适时对煤层的弱化效果好，弱化均匀，是目 前在坚硬厚煤层放顶煤开采中应用十分普遍的综合技术。 特别是顶煤的可放性及其控制 技术措施，具有极其重要的意义。顶煤的可放性的主要因素包括两方面的因素，内因和 外因，内因即顶煤的物理力学性质，外因是其上所作用的矿山压力以及工作面上方煤岩 体的力学结构特征。 由于顶煤内含有较多的结构面， 而煤块较为完整或含有较小的裂隙， 因此顶煤的物理力学性质是煤块和结构面力学性质的综合反映， 顶煤物理力学性质的劣 化包含降低煤块和结构面的强度使顶煤达到易于放出的目的。 本文主要考虑内因中的水 溶液及其孔隙水压力对煤岩体的损伤研究。 1.2 国内外研究动态及趋势 1.2.1 岩体渗流试验研究现状 研究岩体中的渗流特征可通过对岩体进行室内渗流试验， 来测试岩体在各种状态下 的渗流特征，因此岩体的试验研究是岩体渗流研究的一个重要而直接的方法2。 岩体的渗流试验研究早期大多集中在单裂隙试验。 对于单裂隙的渗流特征研究是研 究复杂裂隙损伤岩体的基础，只有对单裂隙的渗流特征进行深入的学习，才能对裂隙损 伤岩体做出进一步的研究。 所以作为基础的单裂隙面渗流与应力耦合特性就成为试验研 究的重中之重，也是裂隙损伤岩体渗流场与应力场耦合分析研究的基础和关键环节3。 研究单裂隙最著名的试验是裂隙水流立方定律试验， 这个试验说明裂隙面上的单宽流量 与裂隙宽的立方成正比，其中立方定律是岩体裂隙渗流的基本理论。在立方定律中描述 渗流规律是以裂隙面光滑、平直且无任何填充物为前提的，与天然裂隙损伤面的实际情 况不吻合，随后许多学者对立方定律都进行了修正。曾亿山4采用岩体的强度等性能参 数与实际岩石类似的混凝土块作一般性具有贯通裂隙的流固耦合试验， 通过试验和理论 分析，得到了单裂隙岩体中流固耦合的渗流与应力统一公式。lomize5、louis6、 amadei7、速宝玉8等通过岩体的仿天然裂隙的试验研究，对裂隙水流立方定理进行了 修正。沈洪俊9对单裂隙轴向流试验进行了初步探讨，并对在应力作用下接触型岩体单 裂隙的渗流基本规律作了研究。此外周创兵10提出了广义的立方定律，能够较好的反映 单裂隙的渗流特性。 夏筱红等11通过对采场底板石灰岩的伺服渗透试验，得出石灰岩的应力、应变与渗 透率的关系，分析了全应力应变过程中岩石渗透性的特点，以及不同裂隙充填物质的 岩石渗透率应变关系。李全寿12等利用 mts 渗透试验系统测定了煤系地层岩石的渗 透性，指出岩石受渗透性与孔隙水压力、围压、饱和度等因素的影响较大。姜振泉、季 梁军13通过对软岩、硬岩全应力应变过程渗透性对比试验，认为岩石变形过程的渗透 性主要取决于变形破坏的形式和特点。 1 绪论 3 1.2.2 岩体渗流与应力耦合研究现状 传统的强度计算理论是人们长期以来对工程构件或结构进行计算的基础， 它的理论 基础为材料力学和结构力学14。传统的强度计算理论是假定构件为均质连续材料，认为 材料为各向同性体。计算时采用连续介质力学如弹性、弹塑性、粘弹塑性力学等理论方 法，对构件进行整体受力和变形分析，认为只要工作应力不超过材料的容许应力，构件 就处于安全状态，反之，则认为构件不安全。传统的强度理论虽然完备地描述了无损材 料的力学性能，如果用无损材料的本构关系来描述受损材料的力学性质，显然是不合理 的15。 断裂力学是近几十年来发展起来的新的力学分支。 它的主要任务是研究含有缺陷或 裂纹材料的强度问题。早在 20 世纪 20 年代，griffith16就提出固体材料的实际强度低于 理论强度是由于其内部存在裂纹或缺陷。20 世纪 50 年代。irwin17利用 westergraard 提 出的应力函数，求得了裂缝端部应力场和位移场的近似表达式，他还提出一个新的表达 裂缝端部应力场强弱的概念，即应力强度因子，从而奠定了断裂力学的基础。 岩体断裂力学是工程地质学与断裂力学交叉的边缘学科，它将岩体的断续节理、裂 隙模拟为裂纹， 把岩体不再看作是完整的均质体， 而看成是包含众多裂纹的复合结构体。 然后运用断裂力学的方法，追踪岩体中节理裂隙的起裂、扩展到相互贯通，岩体局部破 坏的过程，从而揭示出岩体失稳的渐进破坏机制。国内外许多学者主要针对岩石断裂韧 性测试、拉剪与压剪复合断裂、裂纹扩展方向、长度以及裂纹动态扩展的物理性状与微 观机理等方面作了研究。poston(1978)利用 griffith 能量准则首次分析了类似于岩体的脆 性材料压剪断裂过程中裂纹扩展方向与原生裂纹走向的关系18。 lajtai(1977)认为裂纹受 压剪应力作用时，除了拉应力集中外还有压应力集中，并产生垂直于受力方向的正剪切 裂纹，考虑裂纹端部的不均匀应力场，通过应力梯度模型，建立了压剪断裂新的强变理 论19。 断裂力学是研究裂隙岩体渗流的基本理论， 多年来国内外学者运用断裂力学对岩体 渗流问题进行了广泛的理论研究。 douranary(1990)20等利用流固祸合理论讨论了水力压 裂的起裂、扩展和闭合全过程的流固耦合现象，指出流固耦合在水力压裂中应用的重要 性。bruno 和 nakagawa(1991)21利用 biot 理论研究孔隙水压力对岩石张性断裂的影响。 jeffrey(2000)22等用分离裂缝模型模拟研究水压致裂过程。黄润秋(2000)23和朱珍德 (2000)24结合有效应力原理研究了水压力对裂纹扩展的力学机制。 邓广哲(2001， 2003)25 针对坚硬煤体预裂问题，宏、细观实验分析了封闭型裂隙扩展与地应力、水压的关系， 并依据能量原理建立了煤体注水软化判据，成功的运用水压致裂理论解决工程实际问 题，促进了水压致裂理论的发展。张嘉凡(2009)26针对苇湖梁煤矿试验工作面煤层中硬 的特点，提出主要对滞放关键域，兼顾底板侧顶煤实施限量保压注水弱化的观点，给出 了具体实施方案，通过工程实践取得了良好效果。 20 世纪 80 年代后，国外学者首先将损伤力学理论引入节理岩体，发展了损伤岩体 力学。损伤岩体力学的基本思想是将岩体中各类损伤缺陷(节理、裂隙)视为岩体的损伤， 西安科技大学硕士学位论文 4 用损伤力学的观点、理论和方法获得岩体的力学特性。孙均和周维恒(1990)提出了裂隙 岩体弹塑性损伤本构模型的一般形式。徐靖南、朱维申(1993)27从功的互等定理出发， 推导出多裂隙岩体的本构关系，并建立了多裂隙岩体的损伤演化方程及强度准则。邓广 哲(1999)28从实验出发，探讨和发展了裂隙岩体非线性蠕变断裂损伤分析理论，深入研 究了复杂变载条件下岩体的断裂损伤问题，丰富了断裂损伤理论。在损伤力学的裂隙岩 体渗流方面，朱珍德、孙钧(1999)29建立了裂隙岩体非稳定渗流场与损伤场耦合分析模 型。杨天鸿、唐春安(2004)30对岩石破裂过程中渗流损伤耦合作用进行了研究。易 顺民、朱珍德(2005)31进一步研究了渗透水压对裂隙岩体损伤演化，给出了渗流场与损 伤场的耦合方程。 1.2.3 水溶液及孔隙水压力作用下煤岩强度及变形特征的实验研究现状 目前，国外学者认为，水对岩石的软化作用主要有以下几种力学机制：化学效应 (newman，1983 年)，水中的成分与岩石成分发生化学效应，成岩矿物被溶蚀，溶解于 水中或者溶解后再在其它地方重新沉淀，使岩石强度降低，岩石发生软化；这种理论对 很长的地质时期，岩石 rongye 长期泡水软化有较好的作用；砂岩中的应力垮塌作用 (hadizadeh 和 law，1991 年)，微裂隙尖端的很高强度的 si-o 键发生水解作用弱化，使 得裂隙扩展。这一进程也需要在长时间的浸泡过程中实现，它取决于水分子扩散到裂隙 尖端的速率；rhebinder 效应，水分子被吸附到岩石颗粒表面，使岩石表面特性发生 变化。从而岩石强度降低，发生软化。该过程也需要长时间作保证；毛细管压力作用 造成的岩石泡水软化作用(delage et al.)。将水的弱化作用与岩石表面吸附水分子层后 性质改变相联系(rrisnes，2003 年)。 岩体遇水强度降低已成为工程地质学界不争的事实。 自然界中岩体都存在着大量裂 纹等缺陷，有宏观的，也有微观的。这些缺陷的存在，使得岩体的力学性质如抗压、抗 剪、弹性模量等表现出复杂性，如各向异性、非均质性、强度随水-岩相互作用而变化 等特性32。水作用损伤机制及其对岩石断裂力学效应方面的研究也有重要进展33-36，但 主要针对花岗岩、红砂岩和板岩实验研究，而对于水及化学溶剂作用下煤岩强度及变形 特征的实验研究很少。 汤连生等37-39系统研究了水-岩化学作用对岩石的宏观力学效应，是在常温常压、 不同循环流速条件下，对不同化学性质的水化学溶液作用下的花岗岩、红砂岩和灰岩进 行了单轴抗压强度试验，取得了时效性的定量结果，结果表明：水化学作后，三种岩石 的强度均出现了不同程度的下降。冒海军、杨春和等40，以南水北调西线的板岩为研究 对象，进行了不同泡水条件下的三轴压缩实验，通过引入相对吸水率的定义，分析了吸 水率变化对岩石强度、弹性模量及泊松比等力学参数的影响，并从微观的角度分析了试 样发生变化的机理，得出如下结论：(1)板岩在泡水后三轴抗压强度发生降低，最大降低 辐度达 46%左右， 抗压强度随相对吸水率的变化可以用函数式来有效的描述； (2)在泡水 后， 板岩的弹性模量与泊松比随着吸水率的增大而增大， 但由于板岩自身各向异性明显， 规律性不是特别明显，只能近似用关系式来模拟；(3)理论分析证实：实际泡水条件下的 1 绪论 5 岩样，在受力挤压后，会经历排水与不排水两种过程，随着吸水率的提高，弹性模量与 泊松比增大，验证了实验结果；(4)利用微观力学模型初步证实：泡水后板岩颗粒的吸水 性与颗粒间毛细管力的减小是造成板岩泡水后发生软化的原因。 关于水岩相互作用使其劣化的宏观力学效应，能量观点认为，水岩作用实际上 也是岩石矿物的能量平衡变化的过程， 利用岩石矿物由于水环境的影响而产生相应的能 量变化可解释并定量分析水岩反应的力学效应。文献41中 boozeretal(1963 年)和 swolfs(1971 年)等在石英的裂隙渗透试验与砂岩的抗压试验中发现，由于水环境的作用 而造成被测矿物的表面自由能减少。westwood(1974 年)利用静电势差模型解释液体对 固体的变形强度性质的影响。从动力学的角度来分析，logan and blackwell(1983 年)发 现，有水存在时，砂岩的摩擦系数下降 15%。文献24借助于有效应力原理考虑了渗透 水压力对受力岩石宏观力学效应的影响。 无论是从动力学角度，还是从能量学的角度，由于岩石矿物之间存在化学不平衡导 致了水岩之间不可逆的热力学过程，此过程改变着岩石的物理状态和微观结构，削弱 了矿物颗粒之间的联系，腐蚀晶格，使受力岩体变形加大、强度降低。因此，煤岩体及 岩石劣化的损伤机制取决于水岩共同作用下岩体内裂隙面物理损伤基元及其颗粒、 矿 物结构之间的耦合作用。 水岩相互作用的结果导致了岩石微观成分的改变和原有微观 结构的破坏，从而改变了岩石的应力状态和宏观力学性质42。其中地质灾害(岩爆，地 震，滑坡，泥石流等)的发生机制与这种复杂的过程息息相关。 岩体内部孔隙水渗透过程及其孔隙水压力的存在，使得岩石力学性质异常复杂。 1968 年 brace43开创了结合应力状态研究岩石渗透率的先例，使人们认识到岩石材料的 破坏及其渗透性质演化是一个与细观损伤演化和宏观裂纹产生密切相关的过程。 国外的 patsouls、keighin44，国内的李世平45、张守良46等学者在这方面的工作局限于实验研 究。理论上对于岩石变形、微破裂、直至宏观破裂的演化过程以及渗流应力相互作用 机理尚没有深入的认识和有效的模拟方法47。 综上所述，由于煤岩微结构及微组分复杂多样，煤岩的物理力学性质复杂多变，强 度较低，离散性大，国内外学者对此进行了大量的实验研究工作，对工程实际也起到了 积极的推动作用。但是水及水溶液对煤岩强度及变形特征的作用机理尚缺乏系统地研 究，如水对含结构面(裂纹或节理)煤体的断裂力学效应的作用，包括直接与间接两方面， 直接作用来源于裂纹中的静水压力或动水压力； 间接作用来源于水对裂纹面上的剪切强 度(粘聚力与内摩擦角)的损伤，即实验研究与理论分析两方面均缺乏相应的研究。 1.3 研究的主要内容及技术路线 本文主要是水压力作用下的煤岩为研究对象。 (1)通过煤岩物理试验，进行现场煤岩浸润性和力学性质试验，得出水溶液对煤岩的 弱化性质有重要影响及煤岩强度、弹性模量与含水率间的关系。 (2)首先讨论了水溶液对煤岩体力学性质的影响， 从微元体强度出发， 定义损伤变量， 讨论建立轴向压力与水压共同作用下煤岩损伤本构模型。引入了孔隙水压力影响因子， 西安科技大学硕士学位论文 6 讨论孔隙水压力对煤岩体损伤的影响。利用水压致裂理论，分析煤岩体孔隙水压作用原 理，得出了煤岩裂纹初裂强度值，并对煤岩孔隙率进行了定性描述。 (3)运用 f-rfpa2d 软件， 模拟孔隙水压力和荷载作用下煤岩损伤破裂过程及讨论对 煤岩变形强度的影响，并分析了影响孔隙水压力作用的两方面因素。 本文研究的技术路线： 本文作为一项应用型研究，目的是掌握水压力作用下煤岩损伤规律的研究，为现 场煤岩开采提供可靠依据。采用的研究技术路线如图 1.1。 图 1.1 论文技术路线 水 压 力 作 用 下 煤 岩 损 伤 弱 化 规 律 研 究 物理实验 理论分析 数值模拟 不同的溶液对煤岩含水率的影响 不同含水率的溶液对煤岩强度、弹性模量的影响 煤岩遇水软化后的强度与变形特征 煤岩含水率与孔隙率、孔隙水压力间的关系 水溶液对煤岩体力学性质的影响 轴压与水压作用下煤岩损伤本构模型建立 阐述煤岩孔隙水压作用原理分析 孔隙水压力作用下煤岩加载损伤过程 孔隙水压力作用下煤岩变形强度影响 围压、起始水压力大小对孔隙水压力作用的影响 结 论 2 水溶液对煤岩体强度损伤弱化的物理实验 7 2 水溶液对煤岩体强度损伤弱化物理实验 2.1 前言 煤岩体是颗粒或晶体相互胶结或粘结在一起的聚集体， 而水及化学溶剂又是地质环 境中最活跃的因素， 水岩共同作用其实质是一种从岩石微观结构变化导致其宏观力学 特性改变的过程， 这种复杂作用的微观演化过程是自然界岩体强度软化直至破坏的关键 所在。 本次实验研究的目的就是探讨煤岩体遇水及化学溶剂的损伤分析， 从而探寻指导工 程实例，具有一定的实践研究意义。如苇湖梁煤矿顶煤的浸润性以及水对顶煤物理力学 性质的影响，从而指导注水弱化顶煤工业性试验，使其顺利完成并取得良好的效果。 2.2 煤岩损伤物理试验 2.2.1 标准试件的制备 标准试件的制备对煤体参数确定起着决定性作用，将试件制备为直径 50mm，高 100mm 的圆柱形标准试件。 (1)煤样的选取 为研究煤岩的损伤弱化特性，煤样选自苇湖梁煤矿 e2e+592b1+2煤层，共取约 300 300 500mm 大小的煤块 2 块，重约 60kg，分别编号为 1#和 2#煤块。 (2)标准试件的制备 标准试件通过自动取芯机、箱式切割机及磨光机进行制备。由于煤岩的结构构造、 矿物组成和受力特性等千差万别，故在采样、取样和制样过程中，均选取致密块状相对 均匀的无裂隙、无变形和无杂质的样品，使其具有代表性。按国际规范标准切制成径高 比 12 圆柱形试样。制备中尽量避免隐蔽裂隙、临界裂隙或 griffith 裂隙，确保试件质 量。特别是试件与加荷板接触部位应反复研磨，力求光洁。否则会造成趾端效应，降低 岩石强度，影响应变状态。由于煤岩脆性表现明显，制作标准试件的过程中耗损较大， 制作成功 18 个标准试件(图 2.1)，并分别编号，分组。编号形式如下：第*号-第*组-第* 个。对 18 个标准试件分别编号为：1-1-1，1-1-2，1-1-3，1-2-1，1-2-2，1-2-3，1-3-1， 1-3-2，1-3-3；2-1-1，2-1-2，2-1-3，2-2-1，2-2-2，2-2-3，2-3-1，2-3-2，2-3-3。 西安科技大学硕士学位论文 8 图 2.1 标准试件 (3)标准试件的基本数据测定 标准试件制作完成后，对 1 号煤样和 2 号煤样进行了基本数据测定，测定结果见表 2.1，2.2 所示。 1)1 号煤样基本数据采集 表表 2.1 1 号煤样基本数据号煤样基本数据 试样试样 编号编号 直径直径(mm) 长度长度(mm) 质量质量(g) 直径 直径 平均值 长度 长度 平均值 浸前 1-1-1 49.09 49.16 49.13 101.40 100.95 101.18 242.47 1-1-2 49.13 49.11 49.12 106.26 106.22 106.24 253.89 1-1-3 49.33 49.31 49.32 104.52 104.48 104.50 251.19 1-2-1 49.03 49.13 49.08 104.35 104.31 104.33 248.80 1-2-2 49.01 48.86 48.94 101.55 101.59 101.57 242.59 1-2-3 49.06 49.13 49.10 111.63 111.61 111.62 267.59 1-3-1 49.07 49.11 49.09 106.81 106.70 106.76 255.65 1-3-2 49.16 49.07 49.12 106.35 106.67 106.51 255.69 1-3-3 49.20 49.10 49.15 99.89 99.30 99.60 239.89 2 水溶液对煤岩体强度损伤弱化的物理实验 9 2)2 号煤样基本数据采集 表表 2.2 2 号煤样基本数据号煤样基本数据 试样试样 编号编号 直径直径(mm) 长度长度(mm) 质量质量(g) 直径 直径 平均值 长度 长度 平均值 浸前 2-1-1 49.04 49.08 49.06 99.25 99.11 99.18 243.59 2-1-2 49.22 49.42 49.32 103.85 103.98 103.92 246.72 2-1-3 49.11 49.34 49.23 91.15 91.08 91.12 242.98 2-2-1 49.13 49.18 49.16 102.90 102.93 102.92 239.94 2-2-2 49.10 49.11 49.11 105.23 105.32 105.28 255.44 2-2-3 49.04 49.05 49.05 102.68 102.50 102.59 246.92 2-3-1 49.12 49.18 49.15 89.49 89.39 89.44 208.44 2-3-2 49.08 49.05 49.07 103.98 103.71 103.85 252.85 2-3-3 49.19 49.26 49.23 103.40 103.34 103.37 241.45 2.2.2 煤岩浸润性及化学添加剂试验 (1)实验仪器设备及溶剂选择 煤岩浸润性试验实质就是测定煤岩在浸泡过程中含水量随时间的变化规律， 主要设 备包括电子天平和烘箱。添加化学试剂的目的有二：其一是探寻能够有效提高煤岩浸润 性的化学溶剂， 即浸润剂的选择问题； 其二是找出不同溶剂对煤岩物理力学性质的影响， 即弱化剂的选择。 实验分别采用自来水和浓度为 10%的 nahco3溶液、na2co3溶液、十二烷基苯磺 酸钠、醋酸对煤样试件进行浸泡。 (2)实验数据采集 通过水及化学溶液对煤岩浸泡后，每隔一段时间对煤样试件的质量进行测量，直至 浸泡后煤样的质量不再增加时为止，表明试件已达到饱和含水量。试样浸入溶液后质量 变化的数据采集见表 2.3。 西安科技大学硕士学位论文 10 表表 2.3 浸入溶液中质量的变化浸入溶液中质量的变化 编号 溶液 浸前 1h 2h 3h 4h 5h 6h 1-1-1 碳酸 氢钠 242.47 248.87 249.15 249.02 249.34 249.34 249.30 1-1-2 253.89 256.75 256.95 256.80 257.19 257.04 257.00 1-1-3 251.19 254.36 254.90 254.72 255.09 255.09 255.10 1-3-1 碳 酸 钠 255.65 258.65 259.10 259.09 258.89 259.02 259.17 1-3-2 255.69 258.60 258.85 258.67 258.87 258.92 258.92 1-3-3 239.89 247.80 248.57 248.70 249.07 249.32 249.30 1-2-1 洗 衣 粉 248.80 253.00 253.30 253.24 253.37 253.32 253.39 1-2-2 242.59 249.20 249.70 249.69 249.84 249.84 249.87 1-2-3 267.59 271.30 271.97 271.67 272.10 271.97 272.05 2-3-1 醋 酸 208.44 210.90 211.10 211.37 211.69 211.60 211.45 2-3-2 252.85 257.34 257.70 257.80 257.87 257.99 258.00 2-3-3 241.45 245.20 245.60 245.80 245.77 245.92 245.94 2-2-1 自 来 水 239.94 244.72 245.04 245.10 245.20 245.29 245.45 2-2-2 255.44 260.02 260.39 260.57 260.70 260.72 260.88 2-2-3 246.92 251.97 252.30 252.29 252.55 252.40 252.62 表表 2.3 续续 1 浸入溶液中质量的变化浸入溶液中质量的变化 编号 溶液 30h 48h 72h 96h 120h 1-1-1 碳酸 氢钠 249.594 249.744 250.044 250.178 250.328 1-1-2 257.463 257.594 257.680 257.669 257.743 1-1-3 255.548 255.695 255.825 255.871 255.902 1-3-1 碳 酸 钠 259.618 259.777 259.738 259.777 259.769 1-3-2 259.282 259.392 259.420 259.374 259.390 1-3-3 249.605 249.759 249.906 250.003 250.171 1-2-1 洗 衣 粉 254.035 254.219 254.309 254.354 254.418 1-2-2 250.262 250.439 250.597 250.718 250.909 1-2-3 272.738 272.933 273.034 273.056 273.145 2-3-1 醋 酸 212.895 213.251 213.682 213.911 214.055 2-3-2 258.583 258.644 258.709 258.662 258.700 2-3-3 246.450 246.668 246.961 247.146 247.335 2-2-1 自 来 水 245.761 246.022 246.267 246.480 246.690 2-2-2 261.208 261.384 261.470 261.459 261.488 2-2-3 252.839 253.058 253.133 253.142 253.220 2 水溶液对煤岩体强度损伤弱化的物理实验 11 表表 2.3 续续 2 浸入溶液中质量的浸入溶液中质量的变化变化 编号 溶液 144h 168h 192h 216h 240h 1-1-1 碳酸 氢钠 250.416 250.522 250.561 250.577 250.585 1-1-2 257.781 257.808 257.832 257.797 257.778 1-1-3 255.993 255.959 255.996 256.019 255.990 1-3-1 碳 酸 钠 260.015 259.881 259.875 259.933 259.938 1-3-2 259.427 259.478 259.537 259.437 259.449 1-3-3 250.300 250.318 250.379 250.384 250.402 1-2-1 洗 衣 粉 254.487 254.508 254.545 254.520 254.550 1-2-2 251.035 251.135 251.209 251.225 251.252 1-2-3 273.226 273.246 273.298 273.263 273.298 2-3-1 醋 酸 214.182 214.242 214.292 214.308 214.342 2-3-2 258.765 258.744 258.745 258.704 258.689 2-3-3 247.486 247.519 247.591 247.595 247.679 2-2-1 自 来 水 246.865 246.953 247.039 247.008 247.055 2-2-2 261.559 261.593 261.554 261.530 261.519 2-2-3 253.296 253.352 253.347 253.227 253.252 表表 2.3 续续 3 浸入溶液中质量的变化浸入溶液中质量的变化 编号 溶液 264h 288h 312h 336h 1-1-1 碳酸 氢钠 250.604 250.628 250.623 250.672 1-1-2 257.853 257.851 257.842 257.823 1-1-3 256.055 256.024 256.022 256.045 1-3-1 碳 酸 钠 259.876 259.855 259.885 259.859 1-3-2 259.503 259.484 259.510 259.490 1-3-3 250.395 250.433 250.402 250.432 1-2-1 洗 衣 粉 254.569 254.557 254.575 254.589 1-2-2 251.261 251.297 251.300 251.282 1-2-3 273.312 273.316 273.350 273.372 2-3-1 醋 酸 214.378 214.409 214.439 214.447 2-3-2 258.694 258.683 258.736 258.647 2-3-3 247.645 247.682 247.697 247.750 2-2-1 自 来 水 247.105 247.148 247.197 247.183 2-2-2 261.530 261.567 261.581 261.566 2-2-3 253.274 253.265 253.308 253.334 西安科技大学硕士学位论文 12 2.2.3 煤岩力学性质试验 (1)实验设备 本次实验采用 wdw-l100 型微机控制电子万能实验机，可以通过手动、遥控盒和 程序三种方法进行工作。本次实验过程中采用 testsoft-degdbv1 软件控制加载，可以 不对 edc 控制器进行任何操作，直接通过对计算机进行操作便可实现用户任何想做的 事情，快捷、方便、直观地实现实验要求的各种操作，并可以自动记录实验过程中的所 有数据。实验中用千分表测定横向变形，精度为 0.001mm，磁性表座可吸附于实验机的 表面，将千分表固定于表座上。 (2)实验过程简介 首先，将岩样置于压力机的上、下承压板的中心位置。第二，打开电脑，启动程序， 进入实验状态，设定参数，纵向最大位移量为 10mm，荷载控制(0.2kn/s，1kn/s)或位移 控制(设定 0.05mm/s)。第三，打开进油阀门，使上部承压板下降，当其靠近岩样下部端 面时，使用微调阀门使两者能缓慢接触，迅速关闭进油阀。第四，打开进油阀和加载开 关，给岩样加压同时观察岩样的破坏情况。第五，实验结束时，关闭进油阀，保存数据 文件和图形文件， 计算机自动数据提取系统如图 2.2 所示， 试件压裂破坏过程如图 2.3-2.5 所示。 图 2.2 计算机自动数据提取系统 图 2.3 试件初始加载 图 2.4 试件表面剥落破坏 图 2.5 试件瞬间脆性破坏 2 水溶液对煤岩体强度损伤弱化的物理实验 13 煤岩在单轴压缩实验过程中，当压力增加一定值时(各试件不同)，依稀可以听见试 件的内部发出断续、清脆辟啪声，响声渐趋增大，试件的表面开始出现煤屑剥落，剥落 面积急剧增加，随即发出沉重猛烈声响，试件在瞬间发生脆性破坏。表明在煤岩的破坏 过程中伴有能量的耗散，破坏方式和破损程度的不同能量耗散随之也在发生变化。 (3)实验过程中横向变形数据记录 对于横向变形的记录是针对在进行实验时，万能试验机中的程序设置，根据其力的 变化，分别在 3kn、6kn、9kn、12kn、15kn、18kn、21kn、24kn、27kn、30kn 处，记录千分尺的数据，每次有 10 秒的记录时间。如果到 30kn 时煤样试件未被压裂， 应继续记录，直至煤样试件被压裂。 (4)实验过程含水量的测定 在煤样试件被压裂后，采集试件中的碎片，放入烧杯之中(之前，烧杯质量已经被 用电子天平称量)称量其初始总质量，之后将其放入烘箱，每隔一定的时间测量其质量 的变化，直到其质量不再变化为止。最后得出煤样试件的含水量，结果见表 2.4。 表表 2.4 对烘箱处理过的试件的含水量的改变对烘箱处理过的试件的含水量的改变 编号编号 含水量含水量(g) 编号编号 含水量含水量(g) 编号编号 含水量含水量(g) 1-1-1 0.675 1-3-1 1.306 2-3-1 1.512 1-1-2 1.259 1-3-2 1.03 2-3-2 0.957 1-1-3 0.927 1-3-3 1.541 2-3-3 1.378 1-2-1 1.452 2-2-1 1.85 原煤 0.331 1-2-2 0.926 2-2-2 1.182 / / 1-2-3 1.288 2-2-3 1.611