煤岩强度与变形特征实验研究及其在条带煤柱设计中的应用

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本文在MTS岩石伺服试验系统上针对建新矿13煤进行了单轴压缩、常规三轴压缩、流变试验研究。通过单轴压缩试验,测得了单轴压缩下的力学参数,研究表明其在单轴压缩时的峰值强度阶段的应力—应变曲线相对平稳,在压力峰值持续高应力一段时间后,煤岩试件迅速破坏;尺寸效应可表示为σc=6.928+130.2698exp(-0.10595D),圆柱体标准试件强度比长方体标准试件的强度大。通过常规三轴压缩试验,分析了在静水压力增加过程中煤岩内部结构先失稳随后稳定的特征:研究表明三轴压缩下的应力应变曲线的压密阶段不是十分明显,甚至消失;随围压增大,煤岩逐渐向剪切破坏方式转化,但建新矿13煤的脆延性转变临界围压值要远远大于其单轴抗压强度;建新矿13煤的弹性模量与围压的关系可以用E=4955.984-3589.106exp(-σ3/1.923)来表达;围压对煤岩强度影响非常明显,随着围压的增加,煤岩的轴向破坏应力及破坏后的残余强度也随之增加;根据库仑准则,建新矿13煤在较低围压下最大主应力差与围压的关系为:σ13=9.71005+12.4716σ3。通过流变试验,研究了建新矿13煤的流变力学特性;研究表明煤岩整体以塑性破坏且存在破坏的空间不均匀性,在较高的应力水平上,试件发生两类微破裂:第一类是煤岩内的部分微结构达到了变形极限,试件的应变变小而应力变大,随后这些微结构破坏,第二类是煤岩内部的部分微结构在常速变形中达到极限,应变减小、应力也同时减小的忽然破坏;流变模型用四次多项式经验模型表示:ε(t)=0.00551+(2.033E-5)*t-(9.754E-8)*t2-(1.578E-9)*t3+(1.417E-11)*t4。基于已有理论和试验研究结果,分析了建新矿13煤的煤柱体长期强度为2.7088MPa,符合库仑—莫尔物理模型。结合试验研究结果,通过采用FLAC3D拉格朗日差分软件对煤柱稳定性进行模拟研究,对建新矿13煤条带开采进行了优化设计,认为在建新矿的地质情况下,开采13煤时选择25m的采宽和20m的留宽,可以保持煤柱的长期稳定有效性。
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