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基于纳米压痕技术的破碎煤样力学特性实验研究 被引量：23
1
作者 孙长伦 李桂臣 +2 位作者 GOMAH Mohamed Elgharib 许嘉徽 荣浩宇 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第S02期682-691,共10页
在煤系地层中,与完整坚硬岩石不同,煤体松软破碎、强度低。受地应力和开采扰动的影响,松软破碎煤体内部裂隙进一步发育,强度进一步弱化,很难获得标准的完整煤样进行常规的拉压剪力学测试。煤体力学参数的缺失增加了采煤、掘进、支护和... 在煤系地层中,与完整坚硬岩石不同,煤体松软破碎、强度低。受地应力和开采扰动的影响,松软破碎煤体内部裂隙进一步发育,强度进一步弱化,很难获得标准的完整煤样进行常规的拉压剪力学测试。煤体力学参数的缺失增加了采煤、掘进、支护和瓦斯抽采等采矿活动的风险。因此,探究新的力学实验方法对于煤矿生产活动非常有必要。文章采用纳米压痕技术测试破碎煤体的硬度、弹性模量和断裂韧度,分析了不同力学参数之间的联系。纳米压痕实验设计4个峰值荷载,每个峰值荷载进行12次实验,阐述了煤的力学特性与峰值荷载之间的关系。结合X射线衍射和扫描电镜实验,讨论了煤样矿物组分对其力学性质的影响规律。实验结果表明,峰值荷载在1~30 mN,煤的硬度和弹性模量不随峰值荷载的增加而明显变化;然而,煤的断裂韧度随峰值荷载的增加有增大的趋势。峰值荷载为1,5,10和30 mN时,煤的平均断裂韧度为0.40,0.36,0.61和0.77 MPa·m0.5。煤的纳米压痕硬度、弹性模量和断裂韧度具有明显的线性关系。硬度和弹性模量之间的线性关系与峰值荷载无关;断裂韧度与弹性模量之间的线性关系受峰值荷载的影响。煤是以有机质为基体的非均质岩土材料,其力学性质和矿物组分密切相关。石英强度高,能够强化煤基质的力学特性;高岭石松软,使煤具有软弱大变形特性。采用纳米压痕技术研究破碎煤体力学特性,具有操作方便,数据可靠和测试精确的优点。 展开更多
关键词 破碎煤样 纳米压痕 力学特性 峰值荷载 矿物组分
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颗粒粒径对采空区破碎煤体压实破碎特征影响机制 被引量：12
2
作者 张村 赵毅鑫 +4 位作者 屠世浩 郝宪杰 郝定溢 刘金保 任赵鹏 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第S02期660-670,共11页
煤矿采空区垮落带一般由破碎煤岩体组成,在垮落带压实过程中,破碎煤岩体的破碎特征直接影响着垮落带的物理力学性质及孔隙渗流特征。为了研究不同粒径破碎煤样压实过程中的破碎特征及其影响机制,构建了基于曲率半径与接触应力的颗粒材... 煤矿采空区垮落带一般由破碎煤岩体组成,在垮落带压实过程中,破碎煤岩体的破碎特征直接影响着垮落带的物理力学性质及孔隙渗流特征。为了研究不同粒径破碎煤样压实过程中的破碎特征及其影响机制,构建了基于曲率半径与接触应力的颗粒材料屈服准则,进行了不同粒径破碎煤样的实验室压实试验与三维数值模拟研究。颗粒破碎准则表明影响颗粒破碎的主要参数为接触颗粒尺寸和接触颗粒的材料参数。得出垮落带相同压实应力条件下,破碎煤岩体尺寸越大,破碎煤岩体之间的接触应力越小。在实验颗粒粒径范围内,加载至相同应力状态下,颗粒粒径越大越不容易破碎,根据加载前后的级配数计算获得的破碎率越小。进而提出颗粒配位数(颗粒接触数)是加载过程中粒径对破碎率影响的主要原因。拥有较少配位数的小颗粒在传递相同应力的时候具有更大的偏应力进而导致相对于多配位数颗粒更容易破碎。加载过程中的量化模拟结果表明在初始粒径颗粒全部破碎时,3种粒径颗粒(10,15以及20 mm)中数量大于100子颗粒的占比分别为6.7%,24.6%,31.5%。随着破碎煤样的加载,不同粒径煤样最大颗粒对应的配位数不断增加,使得破碎煤样能够承受的应力远超过其自身强度。在颗粒配位数达到一定程度时,破碎煤样基本不再破碎,颗粒配位数基本保持不变。综合理论分析、实验室测试与数值模拟结果最终得出破碎煤样颗粒尺寸对破碎特征影响的主要决定因素是接触应力与配位数。在加载初期,破碎煤样配位数相差较小,破碎煤样尺寸越大,模型相同加载应力状态下的颗粒接触应力越小。在加载后期,大颗粒粒径的配位数要大于小粒径颗粒,使其更不容易破碎。 展开更多
关键词 采空区 破碎煤样 粒径大小 接触应力 配位数 破碎特征
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三轴应力作用下破碎煤体渗透特性演化规律 被引量：13
3
作者 尚宏波 靳德武 +5 位作者 张天军 李树刚 王治宙 赵春虎 周振方 柳昭星 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第4期1066-1075,共10页
深部破碎煤岩体受地应力和开采扰动常处于三向应力状态,其渗透特性是影响矿井突水灾害预防和瓦斯抽放的重要因素之一。为研究深部破碎煤体的渗透性能,采用自主研发的破碎岩石三轴渗流试验系统,并设计一套破碎煤体三轴渗流试验方案,进行... 深部破碎煤岩体受地应力和开采扰动常处于三向应力状态,其渗透特性是影响矿井突水灾害预防和瓦斯抽放的重要因素之一。为研究深部破碎煤体的渗透性能,采用自主研发的破碎岩石三轴渗流试验系统,并设计一套破碎煤体三轴渗流试验方案,进行三轴应力作用下破碎煤体渗流试验,得到破碎煤体渗透特性随围压及孔隙率的演化规律。试验结果表明:①三轴应力作用下破碎煤样渗流雷诺数最大值为47. 58,渗流速度与孔压梯度两者之间符合Forchheimer关系;②三轴应力作用下破碎煤样的孔隙率与围压的变化规律呈负相关,各级轴向位移下,两者服从对数函数关系;③随着有效应力的增大,各粒径下的破碎煤样孔隙率逐渐减小,破碎煤样孔隙率的理论计算值与试验结果较为吻合,表明文中给出的孔隙率计算方法可行;④各级轴向位移下,破碎煤样的渗透率随围压增大而减小,不同粒径的破碎煤样渗透率随围压的演化规律可用k=me^(nσ3)公式表示,颗粒粒径越大,破碎煤样的渗透率随围压的变化越敏感;⑤颗粒粒径及孔隙排列方式影响破碎煤样渗透性能,不同粒径破碎煤样随孔隙率的减小,渗透率整体减小,非Darcy流β因子呈增大趋势,其中渗透率的量级为10^(-14)～10^(-10) m^2,非Darcy流β因子的量级为10~7～10^(11)m^(-1)。所得研究结论有助于增强深部破碎煤岩体渗透特性演化规律的认识。 展开更多
关键词 三轴应力 破碎煤样 渗透特性 围压 孔隙率
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