煤岩地层岩石的力学特性分析（初稿）

煤岩地层岩石的力学特性分析

摘要：煤岩地层岩石的力学特性包括变形特征和强度特征。本文对煤岩的力学特性进行了系统的分析，探讨了岩石试件在各种载荷作用下的变形规律和开始破坏时的最大应力（强度极限）以及应力与破坏之间的关系，为煤矿的开采和煤层气的开发提供理论依据。

关键词：煤岩 力学特性 变形特征 强度特征 1、 煤岩的结构构造特征

岩石的组成成分、结构构造特征造成了岩石物质成分的非均质性、物理力学性质的各向异性和结构构造的不连续性。这是区别于其他力学材料的最突出特征，而煤岩层的这些特征尤为显著。

煤岩的非均质性和各向异性突出表现在其组成成分在同一煤层中纵向（垂直层理）和横向不同方向和深度上的差异，以及在其生成过程中所形成的明显层状构造和孔隙结构所体现出的差异。通常煤岩中存在有两组近于垂直的割理，主要裂隙组面割理发育较完善延伸可至数百米，而端割理发育在面理之间，沟通了面割理。两组割理与层理面近于垂交或陡角相交。由于煤岩层状构造发育，空隙结构特殊，构造作用对后期的改造或产生裂隙，都充分体现出了煤岩结构构造的不连续性。

2、煤岩地层岩石的强度特征

2．1单轴压缩条件下煤岩的强度特征

对鲍店矿3煤31个煤样和新河矿3煤48个煤样在MTS815.03岩石伺服试验机上采用1?10?5mm/s的轴向应变加载速度进行单轴压缩试验(加载方向均垂直于煤层层面),得出的详细力学参数见论文第3章表.33和.34,结果汇总在表4.1中。

煤岩强度较低且离散性大的原因除与试验条件、取样制样技术等外在因素有关外,第2章的研究结果表明,主要与其微组分、微孔隙裂隙、微结构等内在因素有关。对煤岩单轴抗压强度的试验结果表明,煤岩强度与其容重、空隙率、含水率、煤体结构以及煤岩变质程度等有关。具体来讲,煤块的单轴抗压强度随其容重的增加而增加;随其孔隙率的增加而减小;煤体节理裂隙越发育,其强度越低;受火成岩影响,煤的变质程度越高,其强度越高。

2．2三轴压缩条件下煤样的强度特征

岩石在三轴压缩条件下的最大承载能力称三轴极限强度或

三轴压缩强度氏,恒定围压下岩样破坏后,应力应变曲线中不随压缩变形增大而变化的轴向应力称残余强度氏。煤样中含有大量的裂隙,其变形将受到摩擦力的影响,而裂隙面上的正应力与围压有关,增加围压,相当于增加了裂隙面上的正应力,裂隙面的滑移受到增大了的摩擦力的抑制而减小,因而提高了煤样的极限强度。因此,煤样的三轴压缩强度?s和残余强度

?r均随围压的增大而增大。图4.12和图4.13分别为鲍店矿3

煤和新河矿3煤常规三轴压缩强度和残余强度与围压关系试验结果。可以看出,煤样三轴强度及残余强度均与围压呈近似正线性相关关系。

3煤岩地层岩石的变形特征 3.1单轴压缩条件下煤岩的变形特征

煤岩的弹性模量也与其单轴抗压强度一样,与煤样的微组分!微结构等密切相关,具体与其物理性质有关,如煤岩的孔隙率、含水率、煤体结构等。煤岩孔隙率、含水率愈高,煤岩弹性模量愈小,煤岩孔隙裂隙越发育,其弹性模量越小。另外,本次试验结果还表明,对于同一种煤岩,虽然其强度和弹性模量离散性较大,但两者之间具有明显的正线性相关性。图4.1为两矿3煤煤样单轴抗压强度与弹性模量之间关系的实测结果,由图可见,煤岩单轴抗压强度与弹性模量之间总体上呈线性相关关系。两矿3煤弹性模量与其单轴抗压强度实测结果的回归关系式分别为: 鲍店矿3煤:

E=89.865?c+1285.5(相关系数0.832)(4.1) 新河矿3煤:

E=87.398?c+1002.9(相关系数0.813)(4.2)

3.2单轴压缩条件下煤岩变形破坏演化过程

为了分析煤样内部裂隙的产生、发展、连通等演化及破坏过程,在进行单轴压缩试验时,对部分煤样同时进行了煤岩压缩破坏过程的声发射试验。

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