中硬煤大煤样的压裂实验研究

第32卷第1期太原理工大学学报Vol.32 No. 12001年1月JOURNAL OF TAIYUAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGYJan. 2001文军编号: 1007-9432(2001 )01-0005-04中硬煤大煤样的压裂实验研究康卫勇,靳钟铭,魏锦平(太原理工大学采矿工程研究所)情要:在真三轴压力机上通过对王庄矿中硬煤大煤祥的压裂实验,得出了中硬煤在强度、变形方面的基本力学特性，探讨了中硬煤的裂隙演化过程,即裂隙演化经历扩展、加密、再扩展和再加密等过程。关键词:中硬煤;裂隙特性;裂隙分雏中圈分类号:TD823.25* 2文献标识码:A综合机械化放顶煤采煤自1984年引进以来,在至太原理工大学采矿工艺研究所，加工后的煤样规不断的发展、推广之中,已被证明是一种高产高效的格见表1.实验是在该所XPS 1000型四柱真三轴机厚煤层开采法,并取得了很好的经济和社会效益。但上完成的。.是,这种采煤方法无论在理论研究还是在工程实践1.2实验过程上都存在着诸多问题急待解决,如顶煤破坏机理、顶试件均是双向加压,即在上下表面和两侧面加煤放出规律、放煤参数等向题,这说明对采场煤岩体压。加压时从零开始,至峰值强度后逐渐卸压,直至在压力作用下的变形、裂隙演化和运移规律还不够残余强度,实验结束。试件的受力状况相当于煤体受了解。无论是理论研究还是工程实践,都必须对煤支承压力作用,在实验室再现了支承压力对煤体作岩体在自然受载下的力学特性和裂腺演化规律有一用的全过程。 实验时在试件前后不加载方向上描下个正确的认识。为此,我们结合国家自然科学基金项各级载荷时的裂隙状况,实验所测数据为轴向、侧向目,采用潞安矿务局王庄矿的煤样,进行了中硬煤压压力,位移及压碎后的各级煤块数和重量.裂实验研究,探讨了中硬煤与硬煤和软煤的差异,以期为中硬煤综放开采提供必要的理论指导。2中硬煤大煤样变形特性分析2.1 中硬煤大煤样变形特性分析1实验方法表2为这次实验测得的中硬煤基本力学性质，1.1试样采集与准备可作为数值模拟等研究的基础。中硬煤峰值强度是煤样取自潞安矿务局王庄矿,采出后经密封运软煤B]的1.11倍,是硬煤甲]的66. 2%;中硬煤弹性表1煤样规格模量是软煤的47.1%(软煤E=1 611 MPa),是硬规格/mm煤的9.7%(硬煤E=7 856. 9 MPa)。这说明中硬煤202X 202X 251268X166X 259的抗压强度居中,而弹性模量比软煤和硬煤均低,破257X 169X310坏时中硬煤的纵横变形比平均为0.544,比软煤的250X 246X 306289X 250X304平均值0. 67和硬煤的平均值0.76低。这是由于王260X 298X311庄矿3号煤原始状态孔隙率(11.8%)比硬煤和软煤301 x 302X304258X 210x 300高的缘故。10252X 200X3012.2中国煤化工295X 293X29211 -293X 295X 300CHCNMHG有关,随着试件尺寸的增大保体强度非线形降低。这主要是因为煤基金项目;国家自然科学基金资助项目(59734090);山西省自然科学基金资助项目(991013)怍者篱介:康卫勇,男,1974年8胜,在读硕士.研究方向:工程力学及其应用,太原,030024收璃日期2000-04-03太原理工大学学报第32卷体内包含大量微小裂隙和节理。式(1)为试件抗压强升趋势,声波速度o为下降趋势。D,变化幅度比软度o,(MPa)与试件受载面积A(m2)之间的关系式，煤和硬煤的大,D;的变化幅度比软煤和硬煤的小，相同面积取平均值,回归得-幂函数:声波速度0的变化幅度比硬煤的大。由图1说明,中op= 75. 868 7A-0.307.(1)硬煤的裂隙演化是依加密为主的规律,从开始加压由式(1)可知,试件受载面积越大其抗压强度越小。至垂直应力5 MPa左右,分维值呈上升趋势,声波各试件的基本力学性质见表2.速度先减小后基本不变,煤体裂隙表现为局部加密表2煤体基本力学性质(ab段);随着应力增加到10MPa之前,分维值略有抗压强度破坏应奎弹性摸业:横纵应变比A下降趋势,声波速度急剧减小,这表明裂隐局部扩展o%/MPaE/MPa和加密(bc段);之后分维值迅速上升,声波速度变12.25[0.001 263 1 009.70. 580_10. 700.002 293478.90.870化甚微,裂隙再加密(cd段);然后分维值突然下降，10.76 0.00 480 2 358.2_0.302声波速度略有减小,裂隙迅速扩展,其中一些贯通9.410.001 638 670.70. 633(de段);接着分维值呈缓慢上升趋势,声波速度基10.33I 0.001 383 628.20. 55本不变,煤体裂隙由一次进人加密阶段(ef段);随5.28 二0.003434 125.70. 3089.600.001 143 938.10.545后分维值急剧降低,裂隙迅速扩展并贯通(fg段);7.48| 0.002 783 345.00.553最后进人塑性段,分维值先升后降低,声波速度不断8.420.002 799279.90. 549减小直至最低,最终仪器测不出来,即超声波由于内9.360.002 024 759.40. 544部空隙大而不能穿透煤试件,试件被压碎.掌握煤体2.3裂隙演化规律分析(J中裂隙的演化过程,对了解支承压力的分布规律及煤岩体的裂隙演化规律极为复杂,用传统的统煤层注水和瓦斯抽放钻孔的布置具有指导意义。计方法很难加以描述。近年来,许多学者用分形维数2 000描述裂隙分布取得了可喜的成就。本文运用裂隙长。1500,度-条数分维DI和裂隙长度格数分维Dz对煤样的1 00裂隙演化进行分析,它们均可表示为:D.2 =- In,/Inl.(2)式中:l--统计裂隙的不同长度,依试件尺寸大小15划分为5种尺度;糖向应力o/MPsn;-尺度为l;时的贯通裂隙条数。B2 平坞离波速度的变化曲她实验时在试件前后两侧上分别描绘裂隙变化以图3为抗压强度和初始分维值、破坏分维值之测得D,D2,取10个煤样的平均值绘成图1、图2(9间的关系图。这里使用的是裂隙长度-格数分维。由号煤样实验不成功不取其值).图3、表3看出,中硬煤体的抗压强度与两者之间均.0.s-D，1.5.5-0.5|◆初蝓值▲菠坏值10轴向应力o/MPa抗压强度a,/MPa图1平均裂隙分维的变化曲线圈3抗压蛋度与分维的关系由图1、图2回归得:无明显中国煤化工2上下波动,破D1=0.0026σ+1.4050,.坏分维}维值均大于初Dz= 0.0166σ + 0. 8782,始分维CNMHC密为主的裂隙=62.073σ+1404.2..上式表明,条数分维D、和格数分维D2均为上演化规律。第1期康卫勇等:中硬煤大煤样的压裂实验研究2.4煤样破坏后块数和重f 分析式中:K一顶煤 放出率,%;煤样压碎后各级块径的煤块所占的比例直接显D':一现场所得 块数分维值。示了现场顶煤的可冒性和可放性。分形维数恰能很代人测得Ds值(2. 2889) ,得放出率K为82. 34%，好地描述这一比例。本次实验按8级(> 200,>120,表明中硬煤厚煤层可放性好,适合于用综采放顶煤> 80,> 45,> 30,> 20,> 10,≤10,单位:mm)统计开采。压碎后的块数和重量,并按和D,D2相同的方法计表4试件压碎块度表算块数分维D,和重量分维D,其结果列于表4中。D.r d>1md>lm |d<6 cm其中块径大于1 m和小于6 cm的煤块是按几何比编号/MP Ds/hg的块教所占百所占百分比/%分比/%放大后的实际尺寸。.12.25 1.65490.0838 14.545.9 24.1表3抗压强度与裂隙分维的关系10.70 2. 36690.2605 14.617.1| 32.2试件杭压强度初始值破坏值_ 工 4.6 1.90810.219 18.72 20.0 I 16.0编号0/MPa「D1工D:p/m.8寸 D. [ D2//m.-I10.762.39910.358 27.36 ] 13.8 36.79.411. 7025 0.254431. 6549.8 18.01| 12.25 0.48491.2464| 1033 0.9535|1.4410| 37010.33 2.378 0.305 31.713.7 41.02 | 10.70 0.83111.2828 1380 1.20641.6434 8765.28 1.95810.2041 40.4; 26.0 32.1， 10.76 0.5878|1.1491 780 1.2900|1.4937| 459.6 1.701 20.3481| 23.3543.7 15.410 7.481.84310.1525 37.459.41 0.4701|0.7255| 940 1.0571|1.4129|11 8.42 ] 1.911 0.3046 38.15 13 51.1 16.56 10.33 1.0161|1.3228| 1770 1.0605|1.4953| 42平均值9.36 1.982 30.2489 27.78 5.8 32 25.15.28 0.41151.0285 1980 0.867 9|1.1930|13结论|9.60 |1.0987|1.3725 1480 1.25971.4274 55010 7.48 |0.9074|1.2791| 700 0.9014|1.2544 360通过对中硬煤大煤样的压裂实验,我们认为中11 8.42 0.9211|1.2841| 22781.0584{1.581 1994硬煤原始裂隙的发育表现出与软煤和硬煤不同的力平均值9.36 0.74761.1879 1368 1.0728|1.438 447学特性,概括如下。1)中硬煤的峰值强度比软煤的大，比硬煤的由回归分析得D2e(块数分维D3与重量分维D、小,弹性模量比两者的都小，破坏时的横纵比μ较之和)与抗压强度之间的关系式为:两者的偏低。实验所得王庄矿中硬煤的基本力学性D3, = 2. 045@.008.0.质可作为类似条件下理论研究和工程实践的依据。试件压碎后的块数、重量均符合分形规律,表明它们2)中硬煤的抗压强度与试件的受载面积关系随着块度的增大而呈指数规律递减。为:2.5顶煤放出率 的计算['5]ap = 75. 868 6A - 0330°.顶煤放出率计算公式为:3)中硬煤的裂隙演化是以加密为主的规律,分.K= 43.786 + 8. 1066D; + 20.维值随支承压力变形呈上升趋势。4)中硬煤可放性好,适合于用综采放顶煤开采。参考文献[1] 吴鏈.我国综采放顶煤开采的现状及展望[C]. 煤炭工业部放顶煤开采技术中心编.见;综合机械化放顶煤开采论文集.1995.15~18.[2] 靳钟铭.宋选民.薛亚东等.顶煤医裂的实验研究[]煤炭学报，1999 24(1):29~33.[3] 李胜利。靳钟铭,魏锦平.软煤大煤样的压裂特性研究[J].太原理工大学学报1999,30(6) i567 ~ 570.4] 康天合.赵阳升靳钟铭.煤体裂欧尺度分布的分形研究[].煤凝学1952064)-393~398.[5]析钟铭,康天合 弓培林等.煤体裂歐分形与顶煤胃放性的相关研究[中国煤化工143~18.YHCNMHG.(下转第11页)(上接第7页)Experimental Study of Crack Characteristic ofBig Medium-hard Coal SamplesKang Weiyong ,Jin Zhongming , Wei Jinping(nstitute of Mining Techrology of TUT)Abstract : Through the crack test of big medium-hard coal samples from Wangzhang Mine onreal triaxial test machine，the fundamental pr中国煤化工rmation are obtainedand the crack evolutionary way is discussed . 'YHCN M H G has four stages ,thatis ,locally number-increasing ,relocally extending ,reincreasing and reextending.Key words :medium-hard coal ; crack characteristic ;crack fractal dimension(编辑:张红霞)