煤冲击破坏过程中动态破坏时间研究.doc

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1、文章编号：煤冲击破坏过程中动态破坏时间研究王润平1，孙铁明2(1.中煤平朔集团有限公司安全监察局，山西朔州036006；2.中煤平朔集团有限公司井工三矿，山西朔州036006)摘要：为研究煤的冲击破坏过程中的动态破坏时间，对试件进行了力控制的单轴压缩实验，得出煤的力学性质和裂隙发育程度为动态破坏时间的两个影响因素，分析出动态破坏时间越短，用于煤样破坏的弹性能越少，释放的弹性能越多，释放的弹性能转化为动能的效率越高，认为煤的动态破坏时间表示煤的脆性程度，是煤样强度和刚度的一个综合反映。关键词：煤层；冲击破坏；动态破坏时间0引言煤的动态破坏时间是评价

2、煤体冲击倾向性的指标之一[1]，指的是煤样在常规单轴压缩条件下，从极限载荷到完全破坏的时间。煤岩体本身及其他异相介质在加载至失稳前处于应力加速累积状态，该过程中内部裂纹会不断产生、扩展、延伸，最终发生破裂，从而引起岩体的地球物理效应的变化。国内外研究了冲击地压孕育过程中存在声发射的分形特征[2]和声发射的围压效应[3]；根据煤岩变形破坏过程中的声电效应规律，给出了冲击矿压危险前兆预测的声电判据[4]；测试研究了对受载煤体声发射的频谱特性及变化规律进行了[5]，从讨论声发射与岩石材料损伤关系出发，对冲击地压声发射前兆模式进行了初步的研究[6]。传统

3、对冲击过程动态破坏时间的研究多从微观结构方面进行分析，很少从能量转化角度和冲量方面对煤岩动态破坏过程进行分析。1煤层概况39107工作面位于井工三矿井田西北部，工作面标高1180～1285m。西部为39106工作面（已采），东部为39108工作面（未采），南靠9#煤东翼辅运大巷（西段），北部靠近大沙沟及风化露头。39107工作面埋深70~183m，切眼附近埋深70~110m，所采煤层为石炭系上统太原组9#煤层，煤层分布相对稳定，煤层结构复杂，工作面倾向长300m，走向长930m，平均煤厚12.22m，煤层倾角14～-5°，采用综合机械化放顶煤开采

4、。直接顶为砂质泥岩，厚度为4.45～12.31m，平均厚度为7.72m。基本顶为粗砂岩，厚度在10.93～16.70m之间，平均厚度为14.21m，成份以石英长石为主。2实验方案在39107工作面选取了2个约30cm×30cm×30cm的煤块。按照国际岩石力学试验建议的方法(IRTM)进行加工。试件为50×100mm圆柱体。试件表面要求光滑，对试件两端进行后研磨，要求不平行度和不垂直度均控制在0.02mm以内。共加工成5个实验煤样，编号为1-5，如图1所示。图1煤样全貌试验在MTS岩石电液伺服试验机上进行，试验机的精度、刚度均满足煤炭行业标准冲击

5、倾向性试验要求。实验采用单轴压缩的加载方法，并用981N/S的速度对试件进行载荷控制加载，直至试件破坏[7]。3实验结果分析3.1加载全应力应变曲线形态对实验数据进行处理，得到单轴压缩全应—力应变曲线如图2所示。Ⅰ全过程Ⅱ局部（a）1#煤样Ⅰ全过程Ⅱ局部（b）2#煤样Ⅰ全过程Ⅱ局部（c）3#煤样Ⅰ全过程Ⅱ局部（d）4#煤样Ⅰ全过程Ⅱ局部（e）5#煤样图2单轴压缩全应力应变、破坏阶段应力时间曲线3.2节理裂隙对动态破坏时间的影响机理1#煤样全应力应变曲线在破坏阶段比较陡峭，该阶段应力从4.51MPa降为1.00MPa，所用的时间为328ms，所得应

6、力下降速度为10.67MPa/S，说明煤样在该阶段抵抗变形的能力下降的较快，即煤样破坏的速度较快。细微观察，该破坏阶段又可大致分为两个阶段：应力从4.51MPa降为2.66MPa为第一阶段，该阶段所用的时间为266ms，应力下降速度为6.95MPa/S；应力从2.66MPa降为1.00MPa为第二阶段，该阶段所用的时间为62ms，应力下降速度为26.77MPa/S。可见，第二阶段的应力下降速度要明显高于第一阶段，从曲线上体现为第二阶段更陡峭。2#、3#、5#煤样强度均较低，说明煤本身存在原生的节理裂隙，降低了煤的强度。由于三个煤样均受节理裂隙影响

7、较大，且曲线形式类似，故仅以2#煤样为例分析：2#煤样全应力应变曲线在破坏阶段陡峭程度适中，该阶段应力从2.03MPa降为0.31MPa，所用的时间为515ms，所得应力下降速度为3.34MPa/S，说明煤样在该阶段抵抗变形的能力下降的较慢，即煤样破坏的速度较慢。细微观察，该破坏阶段又可大致分为两个阶段：应力从2.03MPa降为1.26MPa为第一阶段，该阶段所用的时间为78ms，应力下降速度为9.87MPa/S；应力从1.26MPa降为0.31MPa为第二阶段，该阶段所用的时间为437ms，应力下降速度为2.17MPa/S。可见，第一阶段的应力

8、下降速度要明显高于第二阶段，从曲线上体现为第一阶段更陡峭。4#煤样全应力应变曲线在破坏阶段较为陡峭程度适中，该阶段应力从4.71MPa降