不同冲击倾向性煤样变形场演化特征

吕玉凯,姜耀东,2

(1．中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京 100083;2．中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京 100083)

不同冲击倾向性煤样变形场演化特征

吕玉凯1,姜耀东1,2

(1．中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京 100083;2．中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京 100083)

煤样破坏前出现的变形局部化现象,对研究其失稳破坏前兆有重要的意义。选取了冲击和非冲击倾向性煤样进行单轴压缩破坏实验;基于CT扫描,可以预测样品裂隙演化趋势;通过实验发现,冲击与非冲击煤样劈裂破坏前变形局部化带内相对拉伸和相对滑动分量都是从增大到急剧增大、并最终导致样品失稳破坏;冲击煤样的变形局部化出现较突然、更接近破坏的时刻;冲击煤样的变形局部化带内相对拉伸和相对滑动分量均较非冲击煤样变化小数倍;非冲击煤样在微破裂稳定发展阶段的变形局部化带内相对滑动表现较冲击样品复杂。

冲击倾向;煤样;CT;变形局部化;失稳破坏

煤体赋存在特定的地质条件下,会表现出不同的冲击倾向性,在开采扰动下易导致强冲击煤层发生动力失稳灾害。由于其发生突然,较难获取其前兆特征,且我国煤矿该种灾害呈现逐年增加趋势,因此对煤体失稳破坏前兆规律的研究意义重大[1]。

目前有多种获取煤岩体失稳破坏前兆的方法[2-5],变形场是其中一种。不论是工程尺度还是实验室尺度的煤岩体,在受到外荷载作用下,其失稳破坏前均会出现变形局部化现象,并以此作为其前兆特征;通过分析煤岩体变形局部化演化特征,可以获取有断层构造冲击失稳发生前,断层位移表现出间隔滑动特征[6];而硐室冲击地压发生由于变形局部化带的拉伸和错动共同作用导致[7];单轴剪切破坏实验中,加载初期的变形局部化带内应变基本无变化,样品的破坏主要由于变形局部化带内相对滑动应变导致[8]。

煤岩体具有非均质性,在其内部存在着节理、裂隙和孔洞等。利用数字图像处理技术可以准确提取CT图像中岩石的损伤特性[9]。根据一般意义上裂纹的物理含义,定义了裂纹宽度,借用二值形态学骨架提取算法对裂纹的长度进行了检出和测量[10]。采用CT扫描技术,发现随着实验中样品应变的不断增大,裂隙先压密后扩展;样品破坏前,裂隙的基本停止扩展,而无裂隙区的微裂纹扩展开始活跃,经历了裂纹汇合→贯通→加速扩展→迅速张开→破坏过程[11]。

不同冲击倾向性煤样,在相同外载荷作用下变形场破坏前如何演化?两者间有何异同?目前较少有相关研究,为此文章进行了如下研究。

1 CT扫描实验

实验样品分别选自大台井-10开采水平3号煤层(无冲击危险)和唐山煤矿T2193工作面的9号煤层(中等以上的煤岩冲击失稳危险倾向)。样品共加工6块50 mm×50 mm×50 mm(长×宽×高)的立方体, 2种煤样各3块。在单轴加载实验前,对TS-2(唐山煤矿)煤样进行CT扫描,所得图像如图1所示。

图1 TS-2煤样CT扫描图Fig．1 CT scan pictures of TS-2 coal sample

对图1中图片进行分析,得知白色区域为坚硬的岩石节理,黑色区域为煤质;在准静态荷载作用下煤岩内裂纹扩展主要沿密度相对较大团块(矿物、惰性组或壳质组)的边缘开裂,并且会出现次生裂纹现象。重构出的三维图像中不同颜色交界处(不同材质)为单轴压缩实验过程中变形局部化易产生位置,为了避免样品破坏沿着交界处开裂,同时使得实验结果具有一定的随机性,特将加载面平行于节理平面。

对TS-2样品CT扫描图像进行了三维重建,依据灰度值差异来定义不同材质属性,重建模型如图2所示。

图2 TS-2煤样Mimics三维重建模型Fig．2 Three-dimensional reconstruction model base on mimics of TS-2 coal sample

DT-3煤样(大台煤矿)的CT扫描结果如图3所示。图3可以发现,DT-3煤样中岩石节理杂乱且较分散;DT-3煤样三维重建模型如图4所示。

图3 DT-3煤样CT扫描图Fig．3 CT scan pictures of DT-3 coal sample

图4 DT-3煤样Mimics三维重建模型Fig．4 Three-dimensional reconstruction model base on Mimics of DT-3 coal sample

2 变形场实验

图5为样品变形场实验系统,主要包括压机、煤样、CCD相机;压机为CSS-44100电子万能材料试验机,最大荷载100 kN,精度±0．5%;CCD相机分辨率为1 624像素×1 236像素,采集速率为15帧/s。采用加载速度为0．3 mm/min的位移加载,直至样品破坏。

基于CT扫描实验结果,将平行于试样节理的平面作为加载的上下端面,在样品前后观测面中选取较平整一面作为应变场监测面,由于同种材质煤样破坏特征相似,故选取了TS-2和DT-3煤样进行研究。采用CCD相机来跟踪煤样表面白色斑点在加载过程中的运动,从而获得变形场变化信息。

图5 实验系统示意Fig．5 The schematic of experimental system

3 实验结果与分析

3.1 变形局部化区域划分

煤体内部存在着节理、裂隙和孔洞等,在外载荷作用下,微裂隙开始活跃;随着应变的增加,原先分散的微裂隙会向一条或多条裂隙带靠拢,形成变形局部化带。当样品变形达到一定程度后,变形局部化带中的应变值要明显高于周围区域,以此来进行了变形局部化区域划分,详见图6及图7中的小图片所示。

图6 TS-2煤样变形场等值线Fig．6 Deformation field contour map of TS-2 specimen

目前,相关文献对变形局部化带中的拉伸和错动演化规律研究较少,为此,实验通过捕获受载中的样品观测面白色斑点运动轨迹,来分析变形局部化带中白色斑点沿条带方向(相对滑动分量,以逆时针相对错动为正值,如图8所示)和垂直条带方向(相对拉伸分量,以拉开方向为正值,如图9所示)的相对位移。

3.2 变形局部化演化特征

经过上述实验及数据处理过程,可以得到TS-2煤样各加载时刻变形场云图。破坏前样品经过4个阶段:弹性变形阶段(0．198 0～1．341 2 MPa)、微破裂稳定发展阶段(1．341 2～5．606 4 MPa)、塑性变形阶段(5．606 4～8．404 4 MPa)及破裂后阶段。

图7 DT-3煤样非均匀变形局部化演化Fig．7 Non-uniform strain localization contour map of DT-3 coal sample

图8 TS-2试样变形场数据分析区域Fig．8 Data analysis region of strain field of TS-2 coal sample

图9 应变场数据分析区域Fig．9 Data analysis region of strain field

从图6可以发现:不同加载时刻,样品的变形局部化出现的位置均是由于内裂纹扩展主要沿密度相对较大团块(矿物、惰性组或壳质组)的边缘开裂,并向外扩展,产生的可能位置可以参照图1,2;单轴应力达到8．008 8 MPa(图6第2小图片)时,首先在煤样的中下部出现变形局部化带;应力在8．072 4～8．271 2 MPa(图6第3～7小图片)阶段,变形局部化带由下向上逐渐扩展成型;应力8．271 2～8．318 0 MPa (图6第7～17小图片)阶段,变形局部化带在样品底部演化较其它位置处剧烈,该处也是表面裂纹最先产生位置。基于上述分析,得知TS-2样品的变形局部化带在塑性加载阶段出现并成形。为揭示变形局部化带内微裂隙的相对拉伸及错动位移,如图8所示,沿条带走向依次选取5组测点进行分析。

对选取的5组测点进行数据处理,得到相应的相对拉伸及相对滑动分量变化特征,如图10所示。

图10 TS-2试样测点应力、拉伸分量-应变曲线Fig．10 Stress,tensile displacement-strain curves of TS-2 coal sample measuring point

由图10(a)可知在弹性阶段TS-2样品的5个测点的变形局部化演化规律基本相同。弹性阶段相对拉伸分量基本为0,相对滑动分量缓慢增大;微破裂稳定发展阶段,相对拉伸分量仍基本为0,相对滑动分量在大部分区域缓慢增大,在局部区域开始快速增大;塑性阶段,相对拉伸与滑动分量的变化比较复杂,相对滑动分量由开始的快速增大变为急剧增大,而相对拉伸分量由较长时间的无变化突然急剧增大。

图10(b)为样品在塑性阶段中变形局部化带测点的相对拉伸和滑动分量的变化曲线。从图中可以发现:随着载荷增大,样品变形局部化带先后经历了相对滑动主导(150～154 s)→相对拉伸主导(154～ 156 s)→相对拉伸和滑动共同主导(156 s后)3个阶段,并最终导致样品失稳破坏。试样下方测点的相对拉伸分量较上方测点变化明显;进入塑性变形后,样品上方测点的相对滑动较下方测点变化显著,继续加载,则下方测点重新有较大变化;这个特点也正好与图6中小图片揭示现象一致。TS-2煤样相对拉伸变化范围 0～0．5 mm,相对滑动变化范围为 0～0．25 mm。相对拉伸约为相对滑动的两倍。

图7为DT-3煤样单轴加载应力-应变曲线,依次经历了弹性变形(1．052 4～3．220 0 MPa)、微破裂稳定发展(3．220 0～6．056 0 MPa)、塑性变形(6．056 0～6．938 4 MPa)及破坏4个阶段。

从图7中可以发现:不同加载时刻的变形局部化出现位置可以参照图3,4;变形局部化带在样品所受应力达到2．710 8 MPa(图7中第1小图片)时开始显现;第1条变形局部化带成型于5．264 4 MPa(图7中第5小图片);第2条变形局部化带在4．525 2 MPa时开始出现(图7第4小图片),于6．427 2 MPa时基本成型(图7第11小图片);第2条变形局部化带在应力达到6．736 4 MPa(图7第15小图片)时贯通样品表面。样品右侧变形局部化带由上向下逐渐形成,而左侧变形局部化带则突然形成。基于上述描述,可以发现DT-3样品的第1条变形局部化带出现在弹性加载阶段,在微破裂稳定发展阶段基本成型;第2条成型于塑性变形阶段。

如图9所示,沿着DT-3煤样表面右侧变形局部化带方向依次选取4组监测点,分析各测点随着荷载增大,其相对拉伸和滑动位移,从而揭示样品变形场演化特征。

由图11(a)可知在弹性阶段,DT-3样品的相对拉伸分量基本为0,而相对滑动分量快速增大;在微破裂稳定发展阶段,相对拉伸分量开始仍为0,后期快速增大,相对滑动分量先快速增大后减小;塑性阶段,相对拉伸分量急剧增大,而相对滑动分量表现平稳到急剧增大。

图11(b)截取了样品从微破裂稳定发展阶段到样品破坏阶段的变形局部化带中各测点的相对拉伸和滑动分量变化信息。可以发现,加载初期(0～282 s)测点相对滑动分量逐渐增大且达到峰值,而拉伸分量基本无位移变化;随着荷载继续增加(282～289 s),相对滑动分量快速减小、拉伸缓慢增大→相对滑动分量平缓变化、拉伸快速增大(289～314 s)→相对滑动和拉伸分量均快速增大(314～320 s)→相对滑动分量平缓变化、拉伸仍快速增大(320 s后)。

图11 DT-3试样测点应力、拉伸分量-应变曲线Fig．11 Stress,tensile displacement-strain curves of DT-3 coal sample measuring point

DT-3煤样的相对拉伸分量变化范围为0～ 2．5 mm、相对滑动分量变化范围为0～0．4 mm,相对拉伸约为相对滑动的6倍。

4 结 论

(1)冲击倾向性煤样的变形局部化出现更接近其破坏时刻,也意味着较非冲击煤样更加难以预测样品破坏。冲击性煤样的变形局部化出现在样品塑性变形阶段,而非冲击性煤样在弹性阶段就已经出现,在微破裂稳定发展阶段基本成型。

(2)非冲击样品变形局部化带位移的相对拉伸和相对滑动分量变化范围均要比有冲击倾向性样品大数倍且变化比例也大于冲击性煤样。

(3)冲击与非冲击样品在破坏前,变形局部化带位移的相对拉伸与相对滑动分量都是一直增大到急剧增大,并最终导致样品失稳破坏;在加载各阶段中,两种样品的相对拉伸分量变化规律基本相同;而非冲击样品的滑动分量从弹性阶段就开始逐渐增大,冲击样品在塑性阶段才开始增大,且非冲击煤样在微破裂稳定发展阶段相对滑动出现增大和减小反复现象,变化较冲击样品复杂。

(4)基于CT图像可以预测样品裂隙演化趋势。在垂直节理方向的单轴压缩下,煤岩内裂纹扩展主要沿密度相对较大团块(矿物、惰性组或壳质组)的边缘开裂,且会出现次生裂纹。

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Evolution of the deformation fields of different outburst proneness coal specimens

LÜ Yu-kai1,JIANG Yao-dong1,2
(1.School of Mechanics and Civil Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China;2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China)

Deformation localization which occurs before the destruction of coal specimens is of significance for the instability failure precursor of coal specimens．Outburst proneness and non-outburst proneness coal specimens were selected for uniaxial compression experiment．Based on the computed tomography(CT)scans,the fractured trends of specimens could be predicted．The experimental results reveal that the deformation localization of both outburst and non-outburst proneness coal specimens occurs before the splitting failure,and the relative tension and the relative sliding components inside deformation localization show from increase to increase rapidly,until the instability failure of the sample．The deformation localization of outburst specimens shows more suddenly and closer to the destruction moment than non-outburst ones．Both the relative tension and sliding components of the outburst specimens are several times smaller than non-impact ones．During the stable development stage of micro-fractures,the relative sliding components of non-outburst exhibit a more complex feature．

outburst proneness;coal specimens;computed tomography;deformation localization;instability destruction

TD315

A

0253-9993(2014)11-2172-05

2013-11-20 责任编辑:常 琛

国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2010CB226801)

吕玉凯(1982—),男,山西大同人,博士后。E-mail:lvyukai2006@126．com

吕玉凯,姜耀东．不同冲击倾向性煤样变形场演化特征[J]．煤炭学报,2014,39(11):2172-2176．

10．13225/j．cnki．jccs．2013．1703

Lü Yukai,Jiang Yaodong．Evolution of the deformation fields of different outburst proneness coal specimens[J]．Journal of China Coal Society,2014,39(11):2172-2176．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2013．1703