钻孔密封段异质结构变形破坏特征试验研究

发布时间：2021-03-09 00:59

　　瓦斯抽采钻孔密封段是由煤-水泥-抽采管组成的异质结构体,为了研究钻孔密封段煤-水泥异质结构的变形破坏特征,采用Vallen AMSY-6声发射信号采集系统和TAW-2000高温岩石三轴伺服试验机相结合的方法,对煤单体、水泥单体及煤-水泥组合试件进行了单轴载荷作用下的变形破坏全过程声发射试验。试验结果表明:煤-水泥组合试件的峰值应力介于煤单体试件和水泥单体试件之间,煤单体试件的强度是水泥单体试件强度的2.1倍;煤-水泥组合试件及煤单体试件的体应变突降点后伴随着声发射振铃计数的激增,而水泥单体试件的声发射指标增长较为平缓,且不同试件都在应力峰值处声发射指标达到最大值,煤-水泥组合试件的振铃计数峰值约为水泥单体试件振铃计数峰值的112倍;煤-水泥组合试件及煤单体试件的应力应变曲线表现出峰后的脆性变形特征,而水泥单体试件的应力应变曲线则表现出峰后的塑性变形特征,煤-水泥组合试件的破坏形态为剪切破坏,煤单体试件的破坏形态为"X"状共轭剪切破坏和拉伸破坏,水泥单体试件的破坏形态为拉伸破坏。现阶段我国煤矿瓦斯抽采钻孔封孔材料大多选取水泥基封孔材料,钻孔密封段煤-水泥异质结构的强度同时受到煤体和水泥材... 

【文章来源】：煤炭科学技术. 2020,48(06)北大核心

【文章页数】：7 页

【部分图文】：

煤单体试件的应力应变曲线和破坏形态

从图5a可以看出水泥单体试件的破坏形态以拉伸破坏为主，裂纹的发育形态平行于轴向应力的方向，这是由于在轴向应力的作用下，试件横向产生拉应力，横向拉应力超过抗拉极限引起了试件破坏。从图5b可以看出水泥单体试件在峰后表现出明显的塑性变形特征，应力峰值对应着较大的轴向应变，这是由于水泥单体试件中分布着孔洞气室，试件中的孔洞气室在应力作用下逐渐被压实。从图6a可以看出煤-水泥组合试件的破坏形态以剪切破坏为主，破坏裂纹贯穿整个试件，由于煤单体试件的强度较水泥单体试件大，所以在煤-水泥组合试件中，裂纹的扩展和延伸首先从水泥结构中开始，且水泥裂纹的快速扩展释放出大量能量，裂纹延交界面扩展到煤体结构中，最终导致煤-水泥组合试件整体失稳。从图6b可以看出煤-水泥组合试件的应力跌落明显，表现为脆性破坏，表明煤-水泥组合试件在峰值应力之前积聚了大量的能量。图6 煤-水泥组合试件的应力-应变曲线和破坏形态

图5 水泥单体试件的应力-应变曲线和破坏形态由上述分析可知煤单体、水泥单体及煤-水泥组合试件的受载破坏过程及声发射特征存在显著差异。煤-水泥组合试件的峰值强度介于煤单体及水泥单体试件之间，煤体及水泥材料的性质共同影响了煤-水泥组合试件的强度。目前瓦斯抽采钻孔封孔使用最为广泛的仍然是水泥基类材料，其封孔条件下瓦斯抽采钻孔密封段受力环境的变化易形成损伤裂隙，从而造成其密封性降低，钻孔瓦斯抽采效率低下。钻孔成孔后，围岩应力发生变化，围岩应力以集中的方式在钻孔围岩中重新分配，封孔后钻孔密封段受力环境的改变会导致密封段煤-水泥异质结构超过其强度极限而发生损伤破坏，钻孔密封段煤-水泥异质结构的损伤破坏是导致瓦斯抽采钻孔浓度衰减的原因之一。瓦斯抽采钻孔理想密封条件下，凝固后水泥基密封材料与钻孔煤壁紧密贴合，水泥密封介质对抽采钻孔提供一定的支护力，为了提高瓦斯抽采钻孔密封段的强度，可考虑选取凝固后和煤岩体强度差异较小的水泥基类封孔材料。

【参考文献】：
期刊论文
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[6]新老路基不协调变形模拟试验研究[J]. 黄琴龙,凌建明,唐伯明,蒙华.  公路交通科技. 2004(12)

博士论文
[1]地下开采中接触带复合岩体非协调变形及控制研究[D]. 王其虎.武汉科技大学 2015



本文编号：3071968