陈绍杰团队利用自主研制试验装置揭示条带煤柱渐进破坏机制与力学特征

2019-05-20

  近日,山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室陈绍杰教授团队与中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院朱彦利用自主研制的条带煤柱渐进破坏试验装置,进行了不同加载速率下大尺寸原煤试件渐进破坏试验。试验直观展现了煤柱渐进破坏变形过程,并揭示了破坏规律与机制,以及不同加载速率对条带煤柱力学特征的影响。


  一直以来,条带法开采饱受资源回收率低的诟病,但作为建(构)筑物下压煤开采的有效方法,其仍在中国和世界上长期而广泛地被使用。全国目前存在条带法开采留设的煤柱上千个,而华东地区剩余可采bet28365体育资源被建(构)物所压占已达75%以上,条带煤柱的数量仍在增加。


  条带煤柱长期承受上覆岩层载荷,其破坏失稳是一个渐进的过程。但目前对条带煤柱的研究大多集中在条带煤柱的承载能力、应力转移、长期稳定性及突变失稳机理等方面。

  条带煤柱应力状态

  条带煤柱渐进破坏试验系统


  陈绍杰团队自主研制的条带煤柱渐进破坏试验装置包括上压头、下压头、侧向约束压头、位移传感器定位板、侧向约束丝杠、位移传感器、数据采集箱和数据储存及处理系统。


  实验装置中模拟煤柱的原煤实验尺寸设定为180mm×60 mm×100 mm。试验中可监测试件竖直压力与水平压力,以及无约束面上的横向位移。


  试验所用煤样试件采自内蒙古某煤矿。一部分加工成直径50 mm、长100 mm的圆柱体标准试件,用以获取其基本力学参数;另一部分加工成与实验系统相匹配的长180 mm、宽60 mm、高100mm的较大长方体试件,用以模拟条带煤柱,以求试验结果越能与实际相符。


  研究人员发现,所模拟条带煤柱的破坏是从边缘中部偏上位置首先发生并逐步向两侧进行,最后发生破坏的位置比最先发生破坏的位置在时间上滞后了近30%,煤柱下部侧向位移约为上部位移的50%。


  由于试验中模拟条带煤柱的较大尺寸试件包含了多组裂隙,煤柱体承压时能量积聚释放,使得煤柱体发生不连续破坏,模拟条带煤柱侧向变形呈现出阶梯式跃进,条带煤柱由边缘向内部渐进破坏,这一特征与现场监测到的煤柱破坏特征相类似。


  条带煤柱的抗压强度随加载速率的减小先增大后减小,侧向变形随加载速率的减小而逐渐增大。当加载速率由0.01 mm/s 减小到0.000 5mm/s时,抗压强度从8.346 MPa 先增大到16.491 MPa,后逐步减小到8.135 MPa,侧向变形增大了33.4%。


  这项研究得到了泰山学者工程、国家自然科学基金以及山东省自然科学杰出青年基金、山东省重点研发计划的资金支持,研究成果以《条带煤柱渐进破坏特征与机制试验研究》为题发表于《采矿与安全工程学报》2019年第3期。


  责任编辑:宫在芹
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