昆明盆地第四系上更新统褐煤物理力学特性研究.pdf

收稿日期 作者简介 寸春发 男 云南大理人 高级工程师 主要从事水文地质与工程地质研究工作 引用格式 寸春发 闫鼎熠 昆明盆地第四系上更新统褐煤物理力学特性研究 煤炭工程 昆明盆地第四系上更新统褐煤物理力学特性研究 寸春发 闫鼎熠 中国有色金属工业昆明勘察设计研究院 云南 昆明 摘 要 通过对昆明盆地第四系上更新统不同埋深处褐煤在不同饱水状态时的力学测试 重 点探讨褐煤的遇水软化规律 试验对不同埋深处的褐煤按照天然状态 饱水 及 的设计进行采样分析 测定了其吸水率变化 抗压强度变化及相应的抗剪参数变化 并同时 分析了埋深与饱水时间相互耦合时褐煤的力学特性 结果表明 天然状态下褐煤随着埋深的增大 其抗压强度 内聚力及内摩擦角随之增大 褐煤的吸水率随着饱水时间增大呈对数关系增大 不 同埋深处的褐煤抗压强度 内聚力及内摩擦角随着饱水时间的增大均呈现负指数函数形式降低 不同饱水时间时的褐煤应力应变曲线表征了褐煤遇水极强的软化效应 关键词 褐煤 力学特性 抗压强度 内聚力 内摩擦角 中图分类号 文献标识码 文章编号 褐煤又名柴煤 是一种煤化程度最低的矿物煤 其燃 烧时化学反应强 暴露于空气中极易风化 不易储存 燃 烧后可释放大量污染性废气 但是由于优质煤炭资源的逐 渐衰竭 褐煤已逐渐成为我国主要的燃烧性固态能源 作 为当下主要的煤炭资源品种 褐煤主要用以能源消耗开采 但是在某些城市地区 于高层建筑地基影响范围内亦存在 部分埋藏较浅 厚度较小 沉积不连续的褐煤地层 这些 地层的存在为地基的稳定带来了一定的安全隐患 由于自 身力学软弱特性及其高度水敏性导致其对上覆地基存在较 大的不均匀变形影响 因此 深入认识褐煤的天然及不同 饱水状态下的物理力学特性有助于为高层地基稳定性分析 计算及处治提供理论依据 纵观当前的研究成果 已有学者针对煤体材料进行了 不同侧重的力学特性研究 其在煤的力学特性探索方 面奠定了一定的基础 为认识煤体材料的力学特征积累了 丰富的试验技术和研究思路 但煤岩因沉积地点 沉积环 境 沉积时间的不同造成其本身特性的巨大差别 因此 对不同地区 不同时期 不同类型的煤体开展力学试验研 究是对煤体研究认识的拓展和积累 本文则以昆明盆地第四系上更新统不同埋深的褐煤为 第 卷第 期 煤 炭 工 程 研究对象 开展不同饱水状态时的煤体单轴抗压及抗剪试 验 分析水体对不同埋深的褐煤力学特性的影响作用 褐煤饱水力学试验设计 为探究不同埋深处褐煤于不同饱水状态时的力学特性 设计 褐 煤 饱 水 后 的 抗 压 及 抗 剪 试 验 抗 压 试 验 选 用 型岩石力学试验机 采用位移控制方式加载至峰 后阶段 抗剪试验选用 万能电子试验机 按位移 方式加载至峰后阶段 试验时保持恒定室温 试验用的试件源于昆明市上更新统地层中不同深度处 褐煤试样 将勘探获得的不同深度处 及 褐煤试样于室内进行切割 制作成两种类型岩样 用于抗压指标测试 用于抗剪指标测试 磨平岩样两端 确保试样两 端面的平整度 和两端面的平行度 试样制作完成后 对其进行初步筛选 选择外观性质基本 一致的试样 不同类型及不同埋深处的试样各自挑选得到 个 一共 个试样 试样制作准备好后 首先对不同埋深的原状试样进行 单轴抗压试验及抗剪试验 获取原状褐煤试样相应的抗压 强度及抗剪强度参数值 然后对其他不同埋深褐煤试样进 行不同饱水时间 饱水 及 的吸水试验 待吸水试验完成后对其进行相应抗压及抗剪指标的室内测 试试验 褐煤天然状态时物理力学特征 依照试验设计 结合其他试验手段 获得不同埋深处 褐煤于天然状态时的各物理力学指标及相关特征见表 表 天然状态时不同埋深处褐煤物理力学特性 埋深 重度 压缩 模量 单轴抗 压强度 内聚 力 内摩 擦角 图 天然状态时褐煤埋 深与单轴抗压强度关系 观察表 可知 随着褐 煤埋深的增大 其单轴抗压 强度 内聚力及内摩擦角均 随之增大 由此说明 处于 埋深较大的褐煤其内部更加 致密 其力学表现更加坚硬 强度更高一些 对褐煤埋深 与其相应的单轴抗压强度进 行拟合分析 得到褐煤埋深 与强度的正相关关系如图 所示 其相关关系可用式 幂 函数直线方程进行描述 同理 分析褐煤埋深与其内聚力 及内摩擦角关系 得到其试验数据与拟合数据对比如图 图 所示 其各自的相关关系可用式 与式 所示的幂 函数形式进行描述 式中 为褐煤原轴抗压强度 为内聚力 为内摩擦角 为埋深 图 天然状态时褐煤埋 深与内聚力关系 图 天然状态时褐煤埋 深与内摩擦角关系 褐煤不同饱水状态时物理力学特征 褐煤吸水特征 采用尺寸大致 块度 相似的不同埋深处褐煤 岩块 进行相应时间的吸水试验 测试其不同吸水时间后 的含水率 对其吸水时间及相应含水率数据进行处理分析 得到不同埋深处褐煤自然吸水率与时间的变化曲线如图 所示 通过观察曲线的变化特征 可应用对数函数式 对 褐煤自然吸水率与时间进行回归分析 其拟合结果见表 式中 为相关待定拟合系数 表 褐煤自然吸水率 与时间 的拟合结果 埋深 拟合方程 图 不同埋深处褐煤自然吸水率与时间的关系 研究探讨 煤 炭 工 程 年第 期 分析图 可知 褐煤的吸水能力较强 前 吸水速 度快 后期吸水速率逐渐降低直至吸水率因褐煤饱和而趋 于稳定值 褐煤不同饱水状态时抗压强度特征 对不同埋深处的褐煤进行不同时间的吸水试验后 对 其进行抗压试验 得到不同饱水时间时的褐煤抗压强度见 表 表 不同埋深处褐煤不同饱水时间时抗压强度 埋深 天然状态饱水 饱水 饱水 饱水 观察表 可知 不同埋深处的褐煤随着饱水时间的增 长 其抗压强度均表现出较大幅度的降低 对褐煤饱水时 间与抗压强度的数据进行作图 如图 所示 同时分析曲 线形态规律 采用指数形式的函数关系式式 对其进行回 归分析 得不同埋深处褐煤抗压强度与饱水时间的关系式 见表 式中 为相关待定拟合系数 图 不同埋深处褐煤抗压强度与饱水时间的关系 表 褐煤抗压强度与饱水时间拟合结果 埋深 拟合方程 观察图 与表 所展示的结果可知 随着饱水时间的 增长 不同埋深处的褐煤抗压强度均随之呈指数形式降低 观察表 中拟合方程的参数 随埋深的变化 参数 变 化较小 近似取 参数 则随埋深增大而增大 如图 所示 对参数 与埋深进行拟合分析 得到参数 与埋 深的关系式为 图 参数 随埋深的关系 结合式 与式 可以得到褐煤随饱水时间与埋深变化时 的抗压强度关系式 式中 为褐煤饱水时间 褐煤不同饱水状态时抗剪强度特征 本文对不同埋深处的褐煤试件 进行了不同饱水 时间下的抗剪试验 对试验结果处理分析得到了不同埋深 处褐煤于不同饱水时间下的内聚力 与内摩擦角 见表 观察表 可知 不同埋深处的褐煤随着饱水时间的增 长 抗剪参数随之降低 根据试验数据特点 采用式 所 示的指数函数关系式对抗剪参数与饱水时间进行拟合分析 其结果见表 试验数据与拟合数据对比如图 图 所示 表 不同埋深处褐煤不同饱水时间时 值 埋深 天然 状态 饱水 饱水 饱水 饱水 表 褐煤抗剪参数 与饱水时间拟合结果 埋深 拟合方程 拟合方程 由图 图 可以看出 随着饱水时间的增长 不同埋 深的褐煤其内聚力与内摩擦角均随之降低 由此说明水体 年第 期 煤 炭 工 程 研究探讨 图 不同埋深处褐煤内聚力与饱水时间关系 图 不同埋深处褐煤内摩擦角与饱水时间关系 对褐煤的软化效应十分明显 观察表 中内聚力 内摩擦 角与饱水时间的拟合方程参数与埋深的变化规律 两个参 数 均随着埋深增大而增大 而相应的参数 均随着埋深 的增大而减小 对参数 与埋深进行拟合分析 可以得 到参数 与埋深的关系式 结合式 与式 可以分别得到褐煤内聚力 内摩擦 角随着埋深及饱水时间变化的关系式 褐煤不同饱水状态时应力应变特征 以埋深 处的褐煤为例 在不同饱水时间情况下的 应力应变曲线如图 所示 观天然状态 饱水 及饱水 下的褐煤应力应变曲线呈现明显的峰后应变软化特征 而饱水 及饱水 的褐煤应力应变曲线峰后段软化特 征趋弱 图 不同饱水时间时褐煤应力应变曲线 从褐煤的应力应变曲线形态分析 饱水未超过 的 褐煤其应力应变曲线变化过程大致可以分为 孔隙压密阶 段 弹性变形阶段 微裂纹演化及屈服阶段 应变软化阶 段及残余强度阶段 而饱水 与 的褐煤应力应变曲 线变化阶段划分不明显 缺少明显的界线 由不同饱水时间时的褐煤应力应变曲线可以直观反映 出水体对褐煤的时效软化作用 饱水时间越长 褐煤力学 性质越弱 强度越差 结 论 天然状态的褐煤随埋深的增大而更加致密 煤体更 加坚硬 其强度随之增高 煤体的内摩擦角及内聚力均随 之增高 褐煤的吸水能力较强 褐煤的自然吸水率随着时间 的增长呈对数关系增大 随着饱水时间的增大 褐煤的抗 压强度随之降低 相应的抗剪参数 内聚力与内摩擦角 也 随之降低 褐煤的抗压强度 内聚力及内摩擦角与饱水时间关 系可用负指数函数进行描述 不同饱水时间下的褐煤应力应变曲线特征揭示饱水 时间越大 褐煤的软化效果越明显 其力学性质越弱 强 度越差 参考文献 李海涛 蒋春祥 姜耀东 等 加载速率对煤样力学行为 影响的试验研究 中国矿业大学学报 李 明 茅献彪 曹丽丽 等 高应变率下煤力学特性试 验研究 采矿与安全工程学报 张泽天 刘建锋 王 璐 等 煤的直接拉伸力学特性及 声发射特征试验研究 煤炭学报 梁忠雨 计振强 陈占清 等 煤的力学性能测定实验研 究 煤炭工程 李小双 尹光志 赵洪宝 等 含瓦斯突出煤三轴压缩下 力学性质试验研究 岩石力学与工程学报 王家臣 邵太升 赵洪宝 瓦斯对突出煤力学特性影响试验 研究 采矿与安全工程学报