不同级配破碎煤岩体分形特性试验研究

《不同级配破碎煤岩体分形特性试验研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在应用文档-天天文库。

1、不同级配破碎煤岩体分形特性试验研究潘红宇周敖石涛张天军李树刚安科技大学安全科学与工程学院西安科技大学理学院研宄不同级配下的破碎煤岩分形特性及压实破坏前后煤岩分布分形维数变化规律。利用自制破碎煤岩压实装置，结合DDL600电子万能试验机和计算机采集系统等，对不同级配下破碎煤若进行压实特性试验研宄，分析了不同级配与轴向应力对破碎煤岩压实后粒度分布的影响规律，建立了破碎煤岩分形维数D与轴向应力的关系。结果表明:Talbol幂指数越大，粒度分布分形维数越小，分形维数随轴向应力增火而增人，且各级配下的分形维数逐渐趋于稳定;在同一

2、载荷K,随着Talbol幂指数的大，分形维数逐渐减小且孔隙结构趋于稳定。关键词：破碎纟某岩;级配;分形维数;轴向成力;采煤过程屮，随着工作而不断的推进，巷道围岩与采空区会形成大量破碎的煤岩体，在其破碎岩体中会形成大量的空隙，因上覆岩层垮落压实作用下，破碎的煤岩体会产生较为明显的压实变形。因此分析破碎岩体压实特性，对巷道的支护、顶底板的管理、采空区岩层控制和地表沉降预测等具有重要意义［1-6］。目前已经有一些学者针对破碎岩石压实特性试验进行了研究，并取得了相应的成果。谢和平、高峰等12^1基于脆性材料中裂纹尺度的分形分布

3、和最弱环原理导出分形维数与质量之间的关系，并应用统计力学原理，从理论上探讨了Weibull模量、岩石强度与分形维数之间的关系；马占国、陈有亮等［9-13］对饱和煤矸石的压实特性进行了试验研宄，得出破碎岩体的应力-应变、碎胀系数与应力之间的关系，分析了破碎岩石蠕变机理与颗粒破碎特性，以及对岩石蠕变断裂进行Y研宄;分析Y岩石分形损伤断裂切割岩块的块度形成机理;王利、高谦［14］利用能量守恒，建立了损伤-能量-破碎尺度理论关系式，提出了适合工程应用的损伤模型;茅献彪等对破碎告体进行压实试验研宄，得出破碎告体侧限压缩模量、孔隙

4、率、抗压强度以及碎胀系数之间的关系；苏承东等m研宄了煤层顶板破碎岩石压实特性，分析了岩石强度、块径、压实应力对破碎压实特性的影响，拟合出碎胀系数与块径之间的数学关系。目前对破碎岩体的研宂主要集中在测试变形性能、破碎岩体的应力-应变、压实后的粒径分布规律进行了研宄，然而对破碎若体分形维数与应力变化规律，以及不同Talbol幂指数下粒径随应力变化规律很少有研宄。文中通过级配与不同应力条件下实验，分析破碎岩体压实后的粒度分布规律，分形维数随应力变化规律，拟建立分形维数与轴向应力之间的理论关系，具体试验如下。1试验系统及试验方

5、法1.1试验系统试验系统由自制的破碎煤岩体压实装置与DDL600电子万能试验机和计算机采集系统组成，进行破碎煤岩的压实试验。图1为破碎煤岩压实装置，该装置主要由活塞、缸筒、底座等组成，缸筒的高度为220mm,内径为100mm,缸筒壁厚为21mm,内壁用淬火处理，以提高缸筒内壁的硬度和耐磨性;缸筒装破碎试样前，在缸筒内壁涂抹润滑油，以减少试验过程中试验与壁面的摩擦阻力。其中DDL600电子万能试验机是用于材料力学性能测试的新型机电一体化试验设备（图2）。本系统采用计算机系统和板卡式数字测量控制系统组成，自动、精确地测量和

6、控制试验应力、位移和变形等试验参数，是一种多功能、高精度的静态试验机。图1破碎煤岩压实装置Fig.1Compactiondeviceofbrokenrocks卜•载原图图2DDL600电子万能试验机Fig.2DDL600electronicuniversaltester卜载原图1.2试验原理根据破碎岩石的分型理论力学研宄，试样中粒径小于d的破碎岩石颗粒与试样总质量的比可以表示为假设破碎试样颗粒屮最小粒径i为0，则可以表示为式中虬为破碎岩石粒径小于d的颗粒质量，g;Ms%破碎岩石的总质量，g;d为破碎岩石颗粒的粒径，mm

7、;dM为颗粒的最大粒径，mm;D为颗粒的粒度分形维数。对式(2)两边同时取对数可得通过式(3)可以得出，lg(M,/Ms)-lg(d/dM)直线的斜率为3-D,根据筛选试样的结果，由lg(Md/Ms)-lg(d/dM)拟合的直线可以计算出分形维数D.1.3试样制备试验所采用的煤样是陕西澄合矿务局董家河煤矿，将煤样制作成50X100mm的标准样，测得其煤芯密度为1630kg/m.本次试验将完整的煤样破碎，再利用分选筛将破碎的煤岩颗粒进行筛分，分别筛出4个不同粒径的区间，分别为2.5〜5mm,5〜10mm,10〜15mm,

8、15〜20mm,单个试样所需要的破碎煤岩总质量为600g,每组试样不同粒径的破碎煤岩质量按照Talbol连续级配方程进行配比[16]。其表达式为式中P,为粒径小于4的破碎媒体颗粒的质量分数;di为碎煤颗粒的粒径，mm;dM破碎煤体颗粒最大粒径，mm.本次试骑Talbol幂指数分别取n=0.2,0.4，0.6,0.8.表1给出了不同