型煤试件饱水前后三轴试验分级加载分析

摘 要：通过试验手段，研究型煤试件饱水前后分级加载下三轴试验的力学特性变化，主要的观测参数为最大轴向力，分析重点是特性曲线的变化趋势。由试验数据分析，型煤试件饱水后，对比未处理状态，破坏前变化趋势相似，但最大轴向力变小，同时轴向力到达峰值后呈继续增加的趋势。

关键词：型煤 水弱化 分级加载

中图分类号：TD712 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）01（a）-0000-00

重庆科技学院研究生科技创新计划项目，项目编号：YKJCX2014036

作者简介：王敬遥1991-），女，江苏宿迁，汉族，在读工程硕士，主要研究方向为安全技术与工程。

0 前言

我国煤炭资源丰富，开采作业过程中，可能发生的事故种类较多，其中，水害事故容易造成较大的人员伤害和财产损失，因此，研究水对煤岩的弱化十分重要。近年来，在实验室研究中，逐步开始使用由煤粉制成的型煤试件。型煤试件与原煤试件相比，空隙体积、峰值强度以及变形程度等方面虽然有一定的差异，但是其变化规律却较为相似[1]。同时，由型煤试件进行水弱化方面的试验研究，制作更简单方便，并且有良好的重复性等优势，利于后续试验的展开。本文采用型煤试件作为研究对象，通过简单的分级加载方法，分析饱水前后型煤试件的变化趋势。

1 实验装置及方法

1.1试件制备

本次试验所使用的型煤试件制备方法为：将原煤煤样用粉煤机将其粉碎，并用筛网进行颗粒筛选，选取不同粒径的筛网筛出40目、60目、80目（0.177mm-0.425mm）三种规格的煤粉，并将筛好的煤粉倒入标准模具内，在2000kN材料试验机上，以100MPa的成型压力稳定 30min后，压制成直径50mm、高为100mm的成型煤试件，试件内不添加任何黏结剂，只加入适量水，型煤试件大小按照国际岩石力学学会标准制备。

1.2试验装置

本次试验采用微机控制电液伺服三轴试验机，仪器可要用于煤、岩石、岩盐等试样的三轴实验，由计算机测控系统、液压站、主机等部分组成。其中液压站用于提供系统动力，计算机测控系统用于控制电液伺服加载，试件放于主机内，并在计算机控制下进行试件加卸载实验。试验机的最大轴向力为 400kN，最大围压为 30kN。

1.3试验方法及步骤

本次试验方案为简单对比试验，仅设置型煤试件在未经水浸泡和饱水两种条件下的分级加载三轴试验，主要试验步骤为：①按要求制备型煤试件，并将试件分为两组，一组不做任何处理，另一组放入水中浸泡，直至试件饱水；②记录试件的尺寸等基本信息，分别进行分级加载的三轴试验，直至试件破坏；③整理试验数据，分别选取未处理和饱水两个条件下效果较好的一组进行分析。

分级加载三轴试验主要步骤为：①检查仪器是否正常，并将试件按要求安装与仪器内；②增加围压至3MPa，并保持不变；③用位移控制逐步加载轴压，并以每5kN为一个等级加载轴向力，达到目标轴向力后，保压一个小时，直至试件破坏；④按操作规定泄压，取下试件，处理数据。

2 试验结果及分析

2.1试验结果

试验结束后由电脑软件导出数据，分析处理后可分别得到未浸水和饱水后，分级加载三轴试验的位移-轴向力图，其中，横坐标位移单位为mm，纵坐标轴向力单位为kN：

2.2 结果分析

（1）变化趋势

分析未处理试件和饱水的试件的位移-轴向力图，可明显看出在分级加载的过程中，位移均有相近的逐渐增大的变化规律，但在靠近轴向力临界值时，与饱水试件相比，未处理试件有更为明显的突变现象。其次，到达临界值试件破坏后，未处理试件的位移呈减小趋势，且所受轴向力不再超过最大值，而饱水试件在试件破坏之后，所受轴向力仍然继续增大。出现此现象的原因应该为饱水试件在水浸泡的过程中，受水的影响，试件内的结构发生了变化，因此造成了力学性质的改变。

（2）破坏临界值

在分级加载的过程中，未处理试件经过了6次完整的加载，在第7次时达到临界值被破坏，此时临界值约为32kN；而从饱水试件变化趋势来看，仅经历了4次完整加载，第5次加载时就被破坏，破坏临界值约为23kN。容易看出饱水试件的破坏临界值远小于未处理试件，表明水对型煤试件的弱化作用非常明显。

3 总结

本次试验主要简单研究型煤试件饱水前后在分级加载方法下的三轴试验，分为两组处理型煤试件，选择较好的数据进行分析，可得出以下两个结论：

（1）未处理试件和饱水试件在分级加载过程中表现出相似的变化趋势，但在到达临界值破坏前，未处理试件有明显的突变现象，同时饱水试件破坏后所受轴向力继续增加，而未处理试件破坏后所受的轴向力有减小的趋势；

（2）型煤试件饱水后，对比未处理试件，破坏临界值明显变小。

分级加载常被用于研究岩石的蠕变特性[2-4]，虽然本次试验仅简单得出型煤试件在分级加载下的变化趋势，但由于与型煤相关的试验较少，所以仍然对未来更深入的研究具有一定的参考作用。

参考文献

[1] 夏超逸.煤体透水机制研究及应用[D].重庆：重庆大学资源及环境科学学院，2014

[2] 张忠亭，罗居剑.分级加载下岩石蠕变特性研究[J].岩石力学与工程学报，2004，23（2）：218～222

[3] 杨红伟，许江，聂闻，彭守建.渗流水压力分级加载岩石蠕变模型[J].宜宾学院学报，2015，15（6）：1～5