《煤样抗压、拉强度与点荷载指标关系的试验研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《煤样抗压、拉强度与点荷载指标关系的试验研究（5页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第 29 卷 第 4 期 采矿与安全工程学报 Vol .4 No. 29 2012 年 7 月 Journal of Mining coal sample; point load test; strength; conversion coefficient; dispersion coefficient 煤体强度是煤矿支护设计、采煤工艺选择和突 出鉴定最常用参数之一。煤样强度常用 4 种试验方 法测试：方法 1：单轴压缩试验测定煤单轴抗压强 度，该方法较复杂，对煤样要求较高，适合于中硬 强度以上煤类。 煤样受力状态较好， 测试精度较高， 但对于层理、节理裂隙发育软煤样的难以实现。方 法 2：捣
2、碎法测定煤坚固性系数，该方法简单，对 煤样要求低，测试结果可靠，离散程度较小，适合 第 期 苏承东等：煤样抗压、拉强度与点荷载指标关系的试验研究 2 于层理、节理裂隙发育的软煤。方法 3：巴西劈裂 测定煤抗拉强度， 该方法较简单， 对煤样要求较低， 适合于中硬以上煤类，受煤样层理、节理裂隙影响 较大，试验结果的离散程度较大。方法 4：点荷载 法测定点荷载强度，与上述 3 种方法相比，具有操 作简便、速度快捷、成本低、对煤样要求低等特点。 特别在煤矿井下利用不规则煤块进行大批量重复试 验，其优越性更能得到充分发挥。 在工程岩体分级标准(GB50218-94)的条文说明 中， 对试件尺寸和点荷载强
3、度指标 Is(50) 的确定作了 详细说明1。国内学者对不同种类岩石进行大量试 验并取得一些有价值研究成果2-9，对于结构松软、 节理裂隙发育煤样，采用不同方法测试煤样强度指 标相关性间关联性需要通过试验加以明确。有鉴于 此，本文对潞安章村煤矿 3#煤层煤样按上述 4 种测 试方法进行对比试验， 对其试验结果进行统计分析， 试图寻求单轴抗压强度、抗拉强度、坚固性系数与 点荷载强度的关联性，试验结果将为确定煤体强度 分级指标提供依据。 1 试样特征及试验方法试样特征及试验方法 为研究煤样单轴压缩强度、抗拉强度、坚固性 系数与点荷载强度之间的关系，在潞安章村煤矿 3# 煤层工作面采集大煤块，加工成
4、直径为 50 mm，高 度分别为 100 、 40 和 50 mm 的圆柱体试样。 其中， 高度 100 mm 用作单轴压缩试验，高度 40 mm 用作 巴西劈裂试验， 高度 50 mm 规则试样和块径为 40 70 mm 非规则试样用作点荷载试验。单轴压缩试样 端面不平行度不大于 0.05 mm， 满足 测试方法 10 要求。试样在室内自然干燥 7 天后，利用在 RMT-150B 型岩石力学试验系统上进行巴西劈裂、 单轴压缩试验，利用 XT015-11 数显点荷载仪进行 点荷载试验，剩余碎块采用捣碎法试验。其中：单 轴压缩、巴西劈裂和捣碎试验分别进行 5 次重复试 验。规则煤样分别采用平行层
5、理径向和垂直层理轴 向两种加载方式，非规则试样采用垂直层理方向加 载，点荷载试验均重复进行 10 次试验。 2 试验结果分析试验结果分析 2.1 单轴压缩试验结果分析单轴压缩试验结果分析 图 1 给出 5 个煤样单轴压缩过程应力-应变曲 线，表 1 同时给出试验结果。表 1 中：Rc为单轴抗 压强度，ET为弹性模量，E50为变形模量， 为泊松 比。为了便于对比，表 1 也给出了巴西劈裂和捣碎 法测定煤样的抗拉强度 Rt和坚固性系数 f。 从图 1 和表 1 可以看出，在单轴压缩时，煤样 与其他岩石的变形特征大致相同，在整个加载过程 经历了压密、弹性、屈服和破坏 4 个阶段。峰后应 力跌落较快，
6、表现出明显脆性特征；5 个煤样单轴 压缩强度在 11.2118.76 MPa 之间，平均值为 14.85 MPa，标准差为 2.68 MPa，离散系数 0.18；弹 性模量在 3.413.82 GPa 之间， 标准差为 0.19 GPa， 离散系数 0.05；变形模量在 2.673.49 GPa 之间， 标准差为 0.34 GPa，离散系数 0.11。由于煤样层理、 节理裂隙存在，测试结果具有离散性。在煤样压密 阶段，其内部节理裂隙闭合对变形模量的影响明显 大于弹性模量，泊松比也表现出较大离散性，表明 煤样的非均质特征。 图 2 给出 5 个单轴压缩煤样的破坏特征，从图 2 可以看出，煤样外侧
7、出现多个裂纹，破坏形式比 表 1 煤样强度与变形参数测试结果 Table1 Mechanical parameters of coal samples 序号 RC /MPa ET /GPa E50 /GPa Rt /MPa f 1 14.93 3.82 3.42 0.34 0.65 0.53 2 14.98 3.75 3.02 0.31 0.64 0.48 3 14.38 3.41 3.49 0.31 0.74 0.51 4 18.76 3.69 3.30 0.21 0.80 0.50 5 11.21 3.41 2.67 0.33 0.89 0.51 平均值 14.85 3.62 3.18 0
8、.30 0.74 0.51 标准差 2.68 0.19 0.34 0.05 0.10 0.02 离散系数 0.18 0.05 0.11 0.16 0.14 0.04 0 5 10 15 20 02468 图 1 单轴压缩试验全程应力-应变曲线 Fig.1 Total stress-strain curves of coal samples in uniaxial compression tests 1 /10-3 1 /MPa 4 2 1 3 5 第 期 苏承东等：煤样抗压、拉强度与点荷载指标关系的试验研究 3 较复杂，既有剪切破坏又有胀性破坏，有些胀性破 裂面通过煤样端部，属于典型复合型破坏
9、形式。 2.2 巴西劈裂试验结果分析巴西劈裂试验结果分析 煤样抗拉强度是煤样强度的主要力学参数之 一，由于直接拉伸岩样夹持的困难性，抗拉强度通 常采用间接法测定，其中：巴西劈裂法是测试方 法10推荐的测试方法。试验采用位移控制，加载 速率为 0.002 mm/s，垫条直径为 3 mm 钢丝。基于 弹性力学分析，对径圆盘试样受集中载荷 P 的作用 下，在圆盘加载直径上存在均匀拉应力 x，在圆盘 试样中心存在压应力 y。 （1） （2） 式中 P-加载载荷，D-为圆盘直径，L-为圆盘厚度。 由于煤样抗拉强度远低于抗压强度，则圆盘中心处 拉应力 x达到煤样的抗拉强度 t时中心起裂破坏。 图3是5个煤
10、样巴西劈裂试验时中心处拉应力 -时间的曲线（拉应力以正值给出）。从图 3 可以看 出，虽然控制方式为位移控制，加载初期曲线呈上 凹趋势，拉应力速率不断增加，当拉应力增加至强 度的 20%后拉应力速率大致不变，一旦圆盘中心处 拉应力x达到煤样抗拉极限承载能力时应力跌落极 快，经历约 10 ms，表现出煤样的脆性特征。这里 需要说明的是煤样劈裂破坏后，试验机仍然按原加 载速率继续加载钢丝被压入劈裂缝隙中后，压头接 触劈裂半圆煤样继续承受一定径向载荷，图 3 中峰 值后应力大致保持不变并非残余抗拉强度。 从表 1 中可以看出，煤样抗拉强度在 0.64 0.89 MPa 之间，平均值为 0.74 MP
11、a，标准差为 0.11 MPa，离散系数为 0.14，煤样压拉强度比为 20.06， 表明煤样的脆性特征明显。图 4 给出 5 个煤样巴西 劈裂试验破坏特征， 从图 4 煤样破坏特征可以看出， 对径圆盘煤样劈裂均破坏成对称半圆盘，破坏面均 通过对径加载基线，破坏面较为平直。 2.3 坚固性系数测定结果分析坚固性系数测定结果分析 煤的坚固性是煤样抵抗外力破坏能力的综合性 指标，依据测试方法 10采用捣碎法测定。捣碎 法基本原理是根据脆性物体被破碎时的功能原理推 导出来的。 即破碎脆性材料时所耗费的功 W 与该脆 性体破碎后所增加的表面积s 成正比， 而粉末表面 积与粉末粒径、数量（体积）有关，也
12、就是说对于 粒径一定、做相同功的粉末，体积越大，表明抗破 坏能力越小，粉末体积可采用标准直径量筒量出。 捣碎法首先将煤样用小锤进行机械破碎，然后 用孔径为 2030 mm 的筛子筛选，称 50g 为一份， 每 5 份为一组，共分 3 组。然后将捣碎筒置于水泥 地上，放入煤样一份，将 2.4 kg 的重锤提高到 600 mm 高度，使其自由落下冲击煤样，每份冲击 3 次， 把5份捣碎后一起倒入孔径为0.5 mm的分样筛中进 行筛分。将筛分粉末倒入计量筒内，轻轻敲打计量 筒使其密实，轻轻插入具有刻度的活塞尺，计量粉 末高度。煤的坚固性系数按下式计算： （3） 式中：f-煤的坚固性系数；n-每份冲击
13、次数，次； L-粉末计量高度，mm。从表 1 中可以看出：煤的坚 固性系数在 0.480.53 之间，平均值为 0.51，离散 系数仅为 0.04，与单轴压缩和巴西劈裂试验结果相 20n f L 图 4 巴西劈裂试验煤样破坏形态 Fig.4 Failure characteristics of coal samples in Brazilian tests 图 2 单轴压缩试验煤样破坏特征 Fig.2 Failure characteristics of coal samples in uniaxial compression tests DL P y 6 2 x P DL 0.0 0.2 0
14、.4 0.6 0.8 1.0 05101520253035 t /MPa T /s 图 3 巴西劈裂试验中心拉应力-时间曲线 Fig.3 Tensile stress-time curves of coal samples in Brazilian tests 5 4 1 2 3 第 期 苏承东等：煤样抗压、拉强度与点荷载指标关系的试验研究 4 比，其离散程度明显降低。 2.4 点荷载强度试验结果分析点荷载强度试验结果分析 点荷载试验采用长春新特公司的 T015-11 数显 点载荷仪，最大加载载荷为 100 kN，精度为 1%。 试验时将煤样置于点荷载仪上、下两锥头之间，用 手动油泵缓缓施加荷
15、载使煤样破坏，数显仪记录峰 值荷载。依据 1985 年国际岩石力学学会(ISRM)公 布点荷载强度建议方法11，点荷载强度指标 IS 按下式计算： （4） 式中：P 为破坏荷载，D 为煤样等效直径。这里需 要说明的是平行层理加载时 D 为煤样实际直径；垂 直层理或非规则煤样加载时，D 为等效直径，按下 式计算： （5） 式中：a 和 b 分别加载点破裂最小截面的高度与宽 度。点荷载强度指标不但与煤样形状有关，而且还 是煤样尺寸(或 D)的函数。为了便于比较，将直径 为50 mm径向加载测得点载荷强度值IS(50)为标准试 验值，非规则尺寸煤样根据以下公式进行修正： （6） （7） 式中：D 为
16、等效直径；IS为非规则点荷载强度。 表 2 给出了规则和非规则煤样点荷载强度测试 结果。从表 2 中可以看出，平行层理测得点荷载强 度为 0.310.65 MPa，平均值为 0.45 MPa，标准差 为 0.12 MPa，离散系数为 0.12；垂直层理测得点荷 载强度为 0.260.79 MPa，平均值为 0.45 MPa，标 准差为 0.14 MPa，离散系数为 0.31；尽管两种加载 方向测定结果存在离散性， 重复 10 次测定的平均值 完全相同，离散程度大致相当。而非规则煤样测得 点荷载强度为 0.210.75 MPa， 平均值为 0.41 MPa， 标准差为 0.18 MPa，离散系数为 0.44。与规则煤样 相比，非规则煤样
