含水率及粒径对煤的抗剪强度影响研究  

作者:孙佳楠;范超 刊名:《煤炭技术》 上传者:何江艳

【摘要】为了研究不同粒径以及含水饱和度煤样的抗剪强度性质,通过直剪实验和理论分析发现:随着垂向应力σ的增大,抗剪强度丁随着增大;随着粒度的增大,内摩擦角沙和抗剪强度丁呈现先减小后增大的趋势,内聚力C先增大后减小;随着含水率ω的增大,不同试样的抗剪强度τ和内聚力C出现先增大后减小的趋势,而内摩擦角砂则是先增大后减小,到一定值以后又有所回升。

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强度特征是研究煤体物理力学性质的重要组成部分,以往对于散体煤的抗剪强度及其影响因素方面的研究甚少,为了合理、准确地研究煤体稳定性的内在机理,开展不同粒径煤的抗剪强度指标测定,掌握不同粒径煤的抗剪强度及其影响因素,具有一定的研究意义。本文选取郑煤集团大平矿煤样,进行不同条件下煤的抗剪强度实验研究,探究不同含水率,不同粒度范围内煤的稳定性。1实验方法1.1实验装置应变式直剪仪(SJ-1,测力环系数为1.888kPa/0.01mm)、环刀、秒表、削土刀、剪刀以及蜡纸等。1.2实验步骤(1)煤样的采集与加工试样取自郑煤集团大平矿f值为0.13、0.15和0.66的煤样进行试验,分别编号1#、2#、3#。将煤样进行研磨,筛选出粒度<0.3mm、0.3~1mm和1~4mm的煤样。将以上煤样水浸后,离心,将水倒净,并使多余水分浸出,使煤样达到过饱和状态,再使煤样自然晾干,控制含水率分别20%、15%、10%、5%。按原样、含水率5%、10%、15%、20%的顺序分别进行剪切实验。(2)安装试样在下盒放入洁净透水板和滤纸,将一带有试样的环刀刃口向上,对准剪切盒盒口,在试样上放滤纸和透水板,将试样小心地压入盒内。(3)试验准备移动传动装置,使上盒前端钢珠刚好与测力计接触,每组3个试样,加不同重量的砝码,使试样在50、100、200kPa3种不同的垂直压力下进行剪切。并将百分表归零。(4)试样剪切拔出固定销钉,开动秒表,记录。以1.2mm/min的速度均匀加荷载,并施加水平剪力,手轮每转2圈时记录测力计和位移读数,直至测力计读数出现峰值。2实验结果分析2.1计算剪切力t=DR(1)式中D测力计校正系数;R百分表读数。以抗剪强度为纵坐标、垂直应力为横坐标,绘制抗剪强度与垂直应力关系曲线,把不同试样的室内剪切实验绘制到同一张图上,直线的倾角为,直线在纵坐标上的截距为C。抗剪强度=tan+C(2)式中内摩擦角;C内聚力。不同粒径的煤样颗粒进行直剪破坏后,实验效果如图1、图2、图3所示。图1粒径<0.3mm直剪破坏效果图图2粒径0.3~1mm直剪破坏效果图图3粒径1~4mm直剪破坏效果图2.2粒径大小对煤体抗剪强度的影响如图4~图6所示,对于不同粒度的试样,其抗剪强度都随着垂向应力的增大而增大,一方面主要由于散体颗粒之间相对滑动所产生的阻力;另一方面颗粒之间,由于外力关系,产生相互剪切而表现出一种抗碎的能力。在粒径<0.3mm增大到1~4mm的过程中,其抗剪强度也呈现先减小后增大的趋势。这是由于1~4mm颗粒接触体积的增大,导致固体颗粒之间的咬合力增强,在进行剪切破坏时,颗粒挤压,造成煤体的骨架产生挤胀现象,摩擦阻力增大,抗剪强度也随之增大。图41#煤-关系图图52#煤-关系图图63#煤-关系图2.3粒径大小对煤体抗剪强度指标的影响内聚力是同种物质内部相邻各部分之间的相互吸引力,将影响到煤体颗粒的流动能力。根据Hamaker的理论,颗粒之间没有极性,但由于构成颗粒的原子或分子,特别是颗粒表面分子和原子的电子运动,颗粒将有瞬时极性,由于瞬时偶极的作用,两颗粒间将产生相互吸引的范德华力。当等直径的两颗粒相互接触时,颗粒间的范德华力Fvdw0=A24Z02d1d2d1+d2(3)式中d1、d2颗粒的直径;AHamaker常数;Z0颗粒之间的间距。由式(3)看出,当粒径处于一定范围内,随着颗粒粒径的增长,煤体颗粒之间的间距平方比值增长,因此,颗粒之间的吸引力(内聚力)呈递增趋势。超过某一范围后,粒径的增长与颗粒之间的间距平方比值降低,内聚力降低。选取不同粒径的煤样进行直剪破坏,抗剪

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