煤岩流变特性及其微观影响特征初探
第15 卷 第 4 期 岩石力学与工程学报 V ol. 15 N o. 4 1996
1996 年 12 月 Ch inese J ou rnal of R ock M echanics and E ng ineering 15 (1996) , 328—332
煤岩流变特性及其微观影响特征初探
吴立新 王金庄
(中国矿业大学北京研究生部 北京 100083)
摘要 以煤试块流变试验及其显微煤岩组分与微观损伤的图象分析测试为例, 介绍了煤岩作
为一种复杂的特殊力学材料的流变特性; 初步探讨了显微煤岩组分及其含量、煤岩内部微观
损伤裂隙含量(裂面面积率) 对煤岩强度的影响规律。煤的流变系数低于岩石材料, 且煤的单
轴抗压强度与煤的显微组分含量和微观损伤密切相关。
关键词 煤岩流变, 长期强度, 损伤裂隙, 显微煤岩组分
1 前言
与岩石材料一样, 煤岩材料的强度是时间的函数, 即在长期静载作用下, 其强度会逐
渐降低, 煤岩受载产生流变效应, 材料的长期强度低于其单轴抗压强度。但煤岩材料的流
变特性又不同于岩石材料, 因为煤岩本身组成和内部结构要比岩石材料复杂得多。关于这
方面的研究, 国内外尚无系统资料可查。
近年来, 国外有学者借助显微分析技术对岩石材料的断裂机制进行探索[1 ]。因而启发
我们从分析煤岩材料的显微组分及其微观损伤特征入手, 研究煤岩的强度特征。
我们近年来对华北某大矿? 号煤层的煤岩样品进行流变试验, 得到该矿所属井田两个
煤矿共 4 个煤层煤岩材料的显微煤岩组分及其微观损伤对煤岩强度的影响分析结果。
图 1 煤岩流变试验装置
F ig. 1 Device of coal2rock rheo logy experim ent
2 煤岩流变试验
试验过程中, 平均每块试样测试两个月,
两台试验装置同时工作, 每 5～ 7 天加载一次。
因煤岩材料裂隙及节理面发育, 即使采用干锯
法也难以将试块制为标准尺寸。在这种困难情
况下, 我们参照大试样原件的外观特征及煤柱
本身的几何特征, 将流变试块的尺寸基本按
80 mm ×80 mm ×60 mm 制作。流变试验前,
已 测 得 该 煤 岩 的 单 轴 抗 压 强 度 Rc 为 12.
6 M Pa。
1995 年 5 月 15 日收到初稿, 1995 年 7 月 23 日收到修改稿。
试验装置如图 1 所示, 千斤顶加载, 加载能力为 60～ 500 kN , 活塞行程 50～ 100 mm; 采
用底座弹簧感应式测力, 用千分表、百分表联合监测试块产生的压缩变形量。试验是在常
温常压条件下进行的, 试验期间为 4～ 10 月份, 室内平均温度为 19°C (15°C～ 23. 7°C) , 平
均湿度为 23. 5 (21. 5～ 25. 7)。试块变形后, 及时增加补偿压力。
试验表明, 当各试块受载达到其长期(极限) 强度的 60%～ 80% 时, 试块内部开始发生
零碎的劈裂声; 随后试块外侧出现裂纹并逐渐扩展、张开, 且下部边角开始片落, 如图 2
(a) 所示; 当试块受载达到其极限强度的 90% 以上时, 试块变形加速; 一旦接近或达到极限
强度时, 试块迅速溃屈, 加载装置失效, 溃屈体承受的载荷降至零, 如图 2 (b) 所示。
(a) 试块开始破裂 (b) 试块溃屈
图 2 煤块流变状态下的破坏形态
F ig. 2 Dam age shape of coal2rock under rheo logy state
试验数据绘成加载天数与压缩量(即 d —u ) 曲线, 见图 3 所示。
由于煤柱设计一般不考虑时间过程, 只关注煤柱是否具有长期稳定性 (特殊目的的煤
柱除外) , 因此, 结合矿山工程特点, 将煤试块的长期强度即流变试验中的极限强度 Rc 与煤
试块的单轴抗压强度 Rc 之比称为煤岩的流变系数 G, 即 G= Rl?Rc 。
(a) 试块 1 (b) 试块 2
图 3 ? 号煤流变试验压缩曲线
F ig. 3 Comp ression curves of ? coal′s rhelogy experim ent
·923·第 15 卷 第 4 期 吴立新等: 煤岩流变特性及其微观影响特征初探
(c) 试块 3
图 3 ? 号煤流变试验压缩曲线(续)
p ression curves of ? coal′s rhelogy experim ent (cont. )
通过实验得煤的流变系数较小 (< 0. 5) , 低于一般岩石材料的流变系数 (0. 6～ 0. 8)。
被测试的? 号煤层, 其煤岩试块的流变系数 G= 0. 467, 即该种煤岩的长期强度还不到其单
轴抗压强度的一半。
3 显微组分及微观损伤对强度的影响
从华北某煤田 4 个主采煤层取样作切片, 借助现代显微图象分析测试技术对其显微煤
岩组分及其微观损伤断裂进行了定性定量的分析测试, 并与相应的煤试块强度测试结果进
行了对比分析。测试照片见图 4, 5, 分析结果分别列于表 1, 2 中。
研究表明, 不仅煤岩材料内部的微观损伤断裂发育程度对煤岩强度有极大影响, 而且
煤岩材料本身的显微组分及其含量也对煤岩强度有较大影响 。由表 1 可见, 煤中镜质组、
半镜质组含量越高, 煤的单轴抗压强度也越高; 煤体内微损伤越发育, 即煤切面上微观损
伤裂隙总面积占煤块切面面积的比率越大, 则煤的单轴抗压强度和内聚力越低。这只是一
些初步的结论, 更进一步的研究与分析有待深入。
表 1 煤岩显微分析与强度测试数据表
Table 1 Data of m icro-analysis and strength test of coal-rock
序
号
煤层
名称
无机物
%
粘土
%
伊蒙石
%
镜质
半镜体
%
丝质
米丝体
%
裂面
率
%
Rc
?M Pa
c
?M Pa
U
?°
1 ì a 6. 1 6. 1 1. 46 81. 3 11. 4 - 15. 6 0. 95 25
2 ? a 12. 6 11. 4 2. 17 77. 7 9. 8 - 12. 6 - -
3 ê a 16. 6 16. 4 0. 33 72. 1 11. 3 - 9. 2 - -
4 ? b 3. 5 2. 1 - 91. 6 4. 8 3. 52 8. 1 1. 0 42
5 é a 1. 0 0. 6 0. 24 66. 7 32. 3 - 3. 6 - -
6 ì b 5. 6 4. 0 - 46. 8 42. 8 11. 44 0. 6 0. 17 40
·033· 岩石力学与工程学报 1996 年
(c) (d)
a—ì 号煤: 镜煤与丝炭孢腔中充填粘土矿物及似层状—长条状粘土夹层, 84 倍;
b—? 号煤: 镜煤与丝炭孢腔中充填粘土矿物, 42 倍;
c—ê 号煤; 镜煤与丝孢腔中充填粘土矿物及微薄层状粘土条带, 84 倍;
d—é 号煤: 镜煤与丝炭孢腔中充填粘土, 42。
图 4 4 层煤的显微镜分析照片
F ig. 4 Pictures of m icro2analysis to four layers of coal
表 2 B 矿ì 号煤微裂隙测试数据表
Table 2 Data of m icro-fracture test of ì coal in B m ine
裂隙类型 参数 最大值
?mm
最小值
?mm
平均值
?mm
取样数 协方差
内生裂隙
长度 2. 85 0. 209 0. 924 2 14 0. 822 5
宽度 0. 19 0. 003 8 0. 072 6 14 0. 075 3
后生裂隙
长度 19. 342 0. 38 - - -
宽度 0. 095 0. 001 - - -
致谢: 向给予我们研究和实验测试工作大力支持和热情帮助的中国地质大学(北京) 显微图
象测试分析室主任陈基娘高工、北京科技大学矿业研究所陈新万教授表示衷心的感谢!
·133·第 15 卷 第 4 期 吴立新等: 煤岩流变特性及其微观影响特征初探
(c) ì 号煤; 均质镜质体破碎成棱状碎块, 500 倍 (d) ì 号煤: 微三合煤中的后生裂隙, 500 倍
图 5 两层煤的微观损伤照片
F ig. 5 Pictures of m icro2fracture of two layers of coal
参 考 文 献
1 Perie P J, M onteiro F. Technical Note: determ ination of fracture m echanism by m icroscop ic observation of cracks.
Int. J. Rock M ech. M in. Sic. & Geom ech. A bstr. , 1991, 28 (1): 83- 84
2 谢和平. 岩石混凝土损伤力学. 徐州: 中国矿业大学出版社, 1990
3 吴立新, 王金庄等. 建(构) 筑物下压煤条带开采理论与实践. 徐州: 中国矿业大学出版社, 1994
PREL IM INARY EXPLORATION TO RHEOLOGY
AND M ICRO-EFFECT CHARACTER ISTICS OF COAL
W u L ixin W ang J inzhuang
(B eij ing G raduate S chool of C. M . U. T , B eij ing 100083)
Abstract The rheo logy experim ent, m aceral and m icrofracture im age analysis of coal
blocks are m ade, and the reo logical p roperty of coal2rock is p resented. The effect law of
coal m aceral, its quantity and ratio of fracture area on coal block′s strength are exp lo red.
Key words coal rheo logy, long2term strength, m icro dam age fracture, coal m aceral
·233· 岩石力学与工程学报 1996 年
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