煤岩模拟材料的试验研究

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1、煤岩模拟材料的试验研究杜长龙(中国矿业大学机电学院，江苏徐州221008)摘要：为进行煤岩的模拟截割试验，基于相似理论，进行了模拟截割材料的配制。在以天然煤样抗压强度为基准的基础上，采用天然粉煤、水泥和水为原材料进行模拟截割材料的研制,研究了模拟截割材料抗压强度和粉煤与水泥配比间的关系。研究结果表明，随着粉煤与水泥配比的增大，截割材料的抗压强度呈指数形式下降。关键词：煤岩；模拟材料；抗压强度；相似理论屮图分类号：TD821ExperimentalresearchonanalogymaterialsofcoalrockDuC

2、hanglong(CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou22100&China)Abstract:Basedonthesimilaritytheory,ananalogycuttingmaterialwasmadeforcuttingtest.Thecompressivestrengthofnaturecoalwastakedasacriterion,andtheanalogycuttin

3、gmaterialwasdevelopedwithfinecoal,cementandwaterasstartingmaterials.Therelationshipbetweenthecompressivestrengthoftheanalogymaterialandtheratiooffinecoaltocementwasstudied.Theresultsindicatethatthecompressivestrengthoftheanalogymaterialdecreasewiththeratiooffineco

4、altocementincreasing,showinganexponentform・Keywords:coalrock;simulatedmaterials;compressivestrength;similaritytheory0引言为进行煤岩的截割试验研究，材料的特性具有重要地位，其特性与天然煤岩的各项特性是否一致，将直接影响试验结果的准确性⑴。但是，由于影响煤岩性质的因素较多，要保证模拟截割材料与真实煤岩特性Z间所有的相似关系，往往很难做到。因此，笔者采用近似的方法來研究。模拟煤岩可采用2种方法。一种是采用天然煤岩

5、作截割材料，即用原型材料來进行试验，但采用此方法会使截割材料的特性不能满足相似准则的要求而使试验完全成为畸变模型试验，导致问题变得更为复杂。同时，由于截割材料强度不变而模型的几何尺寸减小,必然会引起滚筒模型强度不足。因此采用天然煤岩作截割材料不是理想的方法，并且大块天然煤岩很难获得。另一种方法是根据対截割效果有决定意义的煤岩特性参数配制模拟截割材料，通过控制不同材料的配比而使其特性尽可能满足相似准则，尽量减小模型的畸变，从而使试验结果更为准确。基于上述分析，笔者采用第二种方法配制模拟截割材料。1选取天然煤样为了使试验结果具

6、有重现性及试验的一致性，模拟截割材料应具有尽可能均质的结构。这样可排除一些次要因素的干扰，简化问题，突出主要矛盾，使结果更具典型性。并口人为配制的非均质材料，将使影响试验结果的因索增多，具有不确定性，甚至出现畸变。为此，配制均质截割材料是进行模型试验的最佳选择，也具有实际意义。但是，配制材料的成分越多，各成分的配比选取越困难，且不易把握。为此，笔者以粉煤为本体，以525#水泥、水为黏合剂，进行模拟截割材料的配制。相关试齡资料表明，由于煤层中存在层理、节理和裂基金项目：江苏省高校科研成果产业化推进项目(JHB2011-31)

7、作者简介:杜长龙(1958—),男，教授，主要研究方向：机械设计及理论,jdjxx3@cumt.edu.cn隙，而人造模拟截割材料质地较均匀，因而人造均质模拟截割材料的抗压强度大约为天然煤的2.5倍⑵，即抗压强度为10MPa的人造模拟截割材料，相当于抗压强度为25MPa的天然煤。模拟截割材料的配置过程如下。配置模拟截割材料首先应以天然煤的密度、抗压强度、泊松比和弹性模量为依据，进而根据相似系数的计算得到模拟截割材料的相关量。为此，进行了天然煤样的选取和试样的研制，如图1所示。图1天然煤样Fig.1Naturecoalsam

8、ples图2煤样测试系统Fig.2Testsystemofcoalsamples试样的密度为1356.67kg/iw。由于脆性材料存在尺寸效应，其强度随着高径比的不同而不同，为此根据文献［3］确定天然煤样为圆柱体，其高径比为2:1,即试样高度为l()()mm、直径为50mm,并在MTS815.02试验系