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煤样的单轴压缩各向异性蠕变试验研究

时间:2016-05-03来源: 作者: 点击: 117次


(中天合创能源责任有限公司, 内蒙古 鄂尔多斯  017000)

摘要:在煤矿开采过程中,裂隙是水及瓦斯富集、存储、运移的场所,是诱发煤层底板突水和瓦斯突出的重要因素。本文通过应力场和裂隙场耦合作用下煤样的单轴压缩各项异性蠕变实验,研究了煤在单轴压缩作用下轴向载荷与裂隙的不同关系对瞬时应变、轴向应变速率和蠕变持续时间影响。研究结果表明:煤样在恒定载荷作用下,蠕变过程中衰减蠕变阶段不同于传统的衰减蠕变阶段,应变速率随时间的增加而减小,具有历时短,线性强的特点;随着轴向载荷与裂隙角度的增加,煤样瞬时应变呈减小的趋势,蠕变进入等速稳定阶段的持续时间随着裂隙角度的增加而减小。根据不同裂隙角度的蠕变试验曲线,分析其各项异性蠕变特性,引进能反映不同裂隙角度下加速蠕变特征的改进西原模型,通过Matlab软件对模型参数进行辨识,对比试验曲线和模型曲线,二者吻合较好,验证了模型的正确性。研究成果为深入研究裂隙角度对蠕变的影响以及预防煤层底板突水和瓦斯突出提供了理论依据。

关键词:各项异性;蠕变;裂隙;改进西原模型

Research on the anisotropy of coal samples under uniaxial compression creep test

 ZHENG Shan

 (TRW in gen energy liability co., LTD Inner Mongolia Erdos 017000)

Abstract: In the process of coal mining, fissure water and gas enrichment, storage, transport, water-inrush from coal floor and gas outburst is induced. With the coal samples under uniaxial compression creep experiment coupling of stress field and fracture field, different relations of axial load and crack instantaneous strain, axial strain rate and duration creep effect under uniaxial compression was studies. The results prove that, Creep stage of different from traditional decay creep stage, the strain rate decreases with the increase of time, has lasted a short, strong linear characteristic Under the constant loading. With the increase of axial load and fissure Angle, the instantaneous strain showed a trend of decrease , the duration of the stable creep into the uniform phase decreases with the increase of fracture Angle. According to the creep test curves of different fissure Angle, we Analysis the creep property of anisotropic and introduce the improvement of the original model reflecting the acceleration creep characteristics under different crack Angle. Through the Matlab software, the model parameters are identified, test curve and curve model are contrasted. The result is good, verify the correctness of the model. Research results for further research on crack Angle on the influence of creep and water-inrush from coal floor and gas outburst prevention provide a theoretical basis.

 Key words: anisotropic; creep; Fracture; the improved Nishihara model

0 引言

在煤矿生产过程中,地下水往往借助裂隙等通道突破煤层底板涌入巷道,矿井涌水量的增加,造成煤层底板突水;瓦斯突出是指随着煤矿开采深度的增加,在瓦斯释放的引力作用下,通过裂隙瞬时释放出大量的瓦斯,从而造成瓦斯突出等灾害。裂隙是水及瓦斯富集、存储、运移的场所,因此裂隙是诱导煤层底板突水还是瓦斯突出的重要因素之一。含裂隙煤样的性质可以用各向异性理论进行解释。各项异性[1]是指岩土材料的力学参数、结构特性和应力应变关系随方向的不同而改变的特性,是岩土类材料重要的物理特性。

地下岩体受到应力场、渗流场及其温度场的变化时,煤岩体蠕变特性表现为各项异性。针对岩体的各项异性蠕变特性,国内外学者展开了广泛深入的研究。付志亮[2]通过分级加载三轴蠕变试验,研究了油泥岩的弹性模量、泊松比对蠕变特性的影响;熊良宵和杨林德[3]通过对锦屏二级水电站辅助交通洞的绿片岩单轴压缩蠕变特性试验,研究了轴向荷载方向与层理之间的不同关系对瞬时应变、应力应变关系、轴向应变速率、衰减蠕变持续时间和蠕变破坏机理的影响;潘鹏志等[4]在经典弹黏塑性理论的基础上,提出黏塑性流动系数张量表达式,建立岩石各向异性弹黏塑性蠕变模型;Fabre[5]通过单轴压缩蠕变特性试验,研究了不同加载方式、轴向荷载与层理之间的不同关系对瞬时弹性变形、衰减蠕变阶段持续时间的影响。

针对煤各项异性蠕变特性的研究较少,本文根据裂隙煤在复杂条件下蠕变过程表现的各向异性特点,通过单轴压缩各项异性蠕变实验研究了不同角度的裂隙对瞬时应变、轴向应变速率和蠕变持续时间的影响,并提出采用改进西原模型[6-7]描述煤各项异性蠕变特性。

1煤样单轴压缩蠕变实验

1.1 煤样及其实验装置

试验所需试样取自山西潞安集团余吾煤业S2206进风顺槽距切眼280~326m处的煤样,根据国际岩石力学学会(ISRM)试验规程对岩样进行加工,制成直径50mm、高度100mm的圆柱体。实验前,用量角器测量出试验煤样所含裂隙的角度,选取出裂隙与竖直方向成0°、45°和90°的煤样。

本次试验采用YYL200型电子持久蠕变试验机,该由轴向加压系统、伺服控制系统、自动采集装置组成,见图1。


图1 YYL200型电子持久蠕变试验机及其试验环境

1.2 试验方法及其结果

实验前,利用DNS200电子万能试验机对其中4个试样进行单轴压缩试验,其力学参数测试结果见表1;

表1 煤样单轴压缩力学性质试验结果

序号

高度/mm

直径/mm

抗压强度/ Mpa

弹性模量/ Gpa

泊松比

1

83.30

49.00

11.81

8.88

0.31

2

99.70

49.20

16.62

10.88

0.23

3

99.10

49.00

12.64

9.56

0.34

4

93.70

49.00

18.99

10.58

0.28

平均值

93.95

49.05

15.02

9.97

0.29

按轴向载荷与裂隙的关系,将煤样分为4组进行单轴压缩蠕变实验,实验一加载过程中采用恒定载荷一级加载方式[8-9],即保持轴向应力为10MPa时,分别对2、3、4号煤样进行单轴蠕变实验。实验二加载过程中采用采用单体分级加载方式[10],首先根据常规压缩实验所获得的单轴抗压强度的75%—85%,将最大载荷分成若干级,然后在煤样上由小到大逐级加载,每级载荷的加载速率为0.5kN/s。

表2 煤样分组结果

煤样编号

分级加载

裂隙状况

轴向载荷与主裂隙的角度关系

1

7

2

5

0

3

6

45

4

5

90

 

1.3试样的破坏形态

试样的破坏形态如图2所示。从图中可以看出,试样的最终破坏面介于劈裂破坏和剪切破坏之间。从破坏过程看,最终破坏之前出现的宏观裂纹基本上都是纵向裂纹,应属劈裂破坏。一段时间之后发生的宏观破裂面有所倾斜,且在破坏时产生有大量的煤粉,表明破坏时发生了剧烈的剪切摩擦。宏观破裂面的各局部仍然是劈裂形态。因此,单轴压缩荷载下的蠕变破坏为劈裂破坏。因此单轴压缩下的各项异性蠕变破坏为劈裂破坏。煤样的断裂面比较粗糙,断裂面成脆性断裂的特点。

煤样在破坏过程中,裂隙经历了原生裂隙的压缩闭合阶段、裂隙的稳定扩展阶段和非稳定扩展阶段。在初始阶段,煤样中的裂隙在初始载荷作用下,原生裂隙被压缩,煤样体积减小,这也解释了在压缩初期应力下降的现象,随着载荷增大,新生裂隙开始产生,原有裂隙由裂隙端部沿加载方向起裂、扩张并呈增大趋势,煤样出现扩容现象,轴向和侧向蠕变量都随时间增加,其蠕变效果明显,当载荷临近峰值点时,新生裂隙与原有裂隙迅速扩展、贯通,煤样出现宏观破坏。

  

图2 煤样破坏形态及其断裂面

 

2 蠕变实验结果及其分析

2.1一级加载条件下的不同裂隙单轴蠕变实验曲线

在恒定轴向应力10MPa作用下,分别对分别对2、3、4号煤样进行单轴蠕变实验,用轴向引伸计记录轴向位移随时间的变化关系曲线,如图3所示。

图3一级加载条件下单轴蠕变实验曲线

从图3中可见:煤样在恒定载荷作用下,其蠕变过程表现为衰减蠕变、等速蠕变和加速蠕变3个阶段,但衰减蠕变阶段不同于传统的衰减蠕变阶段,应变速率随时间的增加而减小,历时较短,线性强,蠕变曲线表现为弹性特征;等速蠕变阶段的蠕变实验曲线斜率近乎为0,蠕变历时最长,占总试验时间的4/5以上,原有裂隙由裂隙端部沿加载方向起裂、扩张并呈增大趋势;加速蠕变阶段具有时间短、应变率瞬间增大的特点,蠕变试验曲线的斜率由较大迅速增加到最大,裂隙迅速扩展、贯通,煤样出现宏观破坏。轴向载荷与裂隙的角度对煤样的蠕变特性有很大的影响,在轴向载荷与裂隙的角度为30°时,1号煤样在经过0.54h后进入等速蠕变阶段,煤样的总应变值是0.32×10-2,蠕应变为0.12×10-2,蠕应变量占总应变值的37.5%;2号煤样在经过0.64h后进入等速蠕变阶段,煤样的总应变值是0.28×10-2,蠕应变为×10-2,蠕应变量占总应变值的28.5%;3号煤样在经过0.78h后进入等速蠕变阶段,煤样的总应变值是0.26×10-2,蠕应变为0.06×10-2,蠕应变量占总应变值的23.1 %。不同裂隙角度的煤样蠕变曲线在形状上具有一定的相似性,仅在蠕变曲线的三个阶段的临界点蠕应变、各阶段的蠕变速率和持续时间上有所不同,这可能是裂隙角度的不同所致,试验中蠕变过程的等速蠕变阶段保持了较长时间,且随着轴向载荷与裂隙的角度的增大,煤样进入等速蠕变的时间变短,蠕应变值呈减小的趋势。

2.2 分级加载条件下不同裂隙单轴蠕变曲线

由煤样的瞬时强度试验得到泥岩的单轴抗压强为15.2 MPa,按其单轴抗压强度的50%—85%,将最大载荷分成若干级,用轴向引伸计记录轴向应变随时间的变化,如图4、5所示。由图4、5可知,随着轴向载荷的增加,其瞬时应变呈增加的趋势,在较低轴向载荷作用下,煤样存在明显的瞬时应变,随后进入等速蠕变阶段,在较高的轴向载荷作用下,煤样进入等速蠕变阶段后,不能稳定于某一极限值,快速进入加速蠕变阶段,随着时间的延长,其蠕变速率迅速增加,直到煤样的破坏。

1和2号试样单轴压缩压缩轴向蠕变曲线如图4所示, 1号煤样在3MPa轴向应力下,共持续0.56h,其瞬时应变为0.092%;在5MPa轴向载荷作用下,共持续0.56h,其瞬时应变为0.157%;在7MPa轴向载荷作用下,共持续0.52h,其瞬时应变为0.208%;在9MPa轴向载荷作用下,共持续1.07h,其瞬时应变为0.25%;在11MPa轴向载荷作用下,共持续1.74h,其瞬时应变为0.285%;在13MPa轴向载荷作用下,共持续0.92h,其瞬时应变为0.307%。2号煤样在3MPa轴向载荷作用下时,共持续2.14h,其瞬时应变为0.092%;在5MPa轴向载荷作用下时,共持续2.13h,其瞬时应变为0.157%;在7MPa轴向载荷作用下,共持续2.07h,其瞬时应变为0.208%;在9MPa轴向载荷作用下时,共持续1.35h,其瞬时应变为0.25%。1号无裂隙煤样在轴向载荷达到13MPa时蠕变曲线出现加速阶段,蠕变速率急速增加,0.06h后煤样出现蠕变断裂,2号有裂隙煤样则是在载荷加载到9MPa时进入加速蠕变阶段,出现蠕变断裂。通过相同蠕变条件下有裂隙和无裂隙的两种情况的对比试验发现,有裂隙的煤样长期强度比无裂隙煤样长期强度明显降低,瞬时应变比相应的无裂隙煤样的小。

        

1号煤样短程蠕变试验曲线                         1号煤样短程蠕变试验曲线

        

2号煤样短程蠕变试验曲线                          2号煤样短程蠕变试验分级曲线

图4 试验二1号和2号煤样蠕变曲线

3和4号试样单轴压缩压缩轴向蠕变曲线如图5所示,从图中可见,3号煤样在3MPa轴向载荷作用下,共持续1.01h,其瞬时应变为0.076%;在5MPa轴向载荷作用下,共持续1.87h,其瞬时应变为0.156%;在7MPa轴向载荷作用下,共持续1.88h,其瞬时应变为0.23%;在9MPa轴向载荷作用下,共持续1.84h,其瞬时应变为0.275%;在11MPa轴向载荷作用下,共持续1.94h,其瞬时应变为0.31%。4号煤样在3MPa轴向载荷作用下时,共持续2.04h,其瞬时应变为0.047%;在5MPa轴向载荷作用下时,共持续2.05h,其瞬时应变为0.091%;在7MPa轴向载荷作用下,共持续2.02h,其瞬时应变为0.133%;在9MPa轴向载荷作用下时,共持续2.05h,其瞬时应变为0.196%。3号煤样在轴向载荷达到11MPa时蠕变曲线出现加速阶段,蠕变速率急速增加,1.94h后煤样出现蠕变断裂,4号有裂隙煤样则是在载荷加载到9MPa时进入加速蠕变阶段,出现蠕变断裂。通过相同蠕变条件下不同裂隙角度的蠕变对比试验发现,相对于裂隙煤样与无裂隙煤样之间的蠕变特性效果显著,轴向载荷与裂隙的角度对蠕变规律影响较小。随着轴向载荷与裂隙角度的增大,蠕变的长期强度逐渐变小,瞬时应变逐渐表小。

        

     3号煤样短程蠕变试验曲线                           3号煤样短程蠕变试验分级曲线

         

     4号煤样短程蠕变试验曲线                           4号煤样短程蠕变试验分级曲线

图5 实验二3号和4号煤样蠕变曲线

3流变模型

3.1 改进西原模型

施加轴向载荷后,煤样蠕变曲线中产生了瞬时弹性应变,所以蠕变模型中应有弹性元件;从蠕变曲线中可以看出,轴向应变与时间成正比例关系,所以蠕变模型中也应该有黏性元件;在较高的轴向载荷作用下,煤样进入等速蠕变阶段后,不能稳定于某一极限值,出现加速蠕变阶段,所以蠕变模型中应该有塑性元件。因此,可以用黏弹塑性模型来表征煤样蠕变全程曲线。经分析改进西原模型符合各项异性曲线的要求,如图6所示。西原模型难以描述岩石非线性加速蠕变阶段的流变特性,而改进西原模型不仅可充分反映岩石初期蠕变、等速蠕变阶段的流变特性,还可以很好地描述岩石加速蠕变阶段的蠕变规律。图中E1为弹性模量,E2为黏弹性模量,η1,η2为模型的黏滞系数,σs为屈服应力。

      图6 改进西原模型

改进西原模型中,当时,非线性牛顿体不起作用,该模型退化为西原模型,主要由衰减蠕变和等速蠕变组成,其蠕变方程为

                            (1)

时,岩石进入加速蠕变阶段,此时非线性牛顿体开始触发,经历衰减蠕变、等速蠕变和加速蠕变阶段,其蠕变方程为

                       (2)

3.2模型参数识别及验证

本文基于非线性优化算法的Matlab编程并依据试验数据实现了改进西原模型参数的直接识别。表1为改进西原模型不同应力水平下的蠕变参数值,将计算出的参数值带入式(1) (2)中,就可以得出不同应力水平下的应变与时间曲线,将试验曲线和模型曲线相对比可得,采用改进西原模型可很好的描述煤样的蠕变曲线,如图7所示。通过图1可以看出拟合相关系数平方均大于0.90,进一步说明改进西原模型可以很好的描述煤样的蠕变曲线。

表3 不同应力水平下的蠕变参数值

σ/MPa

E­­1/ GPa

η1/ GPa•h

η2/ GPa•h

R2

5

9.97

2.28

0.93

6

10.02

2.29

0.92

7

10.13

2.35

32.9

0.91

9

10.26

2.42

33.5

0.90

 图7 煤样在9MPa时的试验、模型曲线

4 结论

(1)在恒定载荷作用下,煤样衰减蠕变阶段不同于传统的衰减蠕变阶段,具有历时较短,线性强的特点,蠕变曲线表现为弹性特征。

(2)随着裂隙角度的增大,煤样瞬时应变呈减小的趋势,蠕变进入等速稳定阶段的持续时间也随之减小。在裂隙角度接近45°的时候,蠕应变有所升高,但低于裂隙角度0°时的蠕应变。

(3)根据煤样各项异性蠕变曲线的分析,提出采用改进西原模型描述煤样各项异性蠕变特性,通过Matlab软件的参数优化及其验证,改进西原模型可以很好的描述煤样各项异性蠕变各阶段的变形特性,尤其是衰减蠕变阶段和加速蠕变阶段。

参考文献

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