畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）應(yīng)力載荷下煤塊破碎的力學(xué)特性演變研究

1、應(yīng)力載荷下煤塊破碎的力學(xué)特性演變研究摘要：利用電子力能試驗(yàn)機(jī)對(duì)四種典型煤種的煤塊進(jìn)行單軸壓縮破碎實(shí)驗(yàn)，并用高速攝像儀記錄破碎 過程中煤塊表面結(jié)構(gòu)演化的圖像,并對(duì)破碎特性和力學(xué)特性演變開展硏究。結(jié)果表明，單軸應(yīng)力載荷下 煤塊呈現(xiàn)出以沿縱向主裂隙劈裂破壞為主的組合破壞形式。同煤種煤塊的力學(xué)特性呈現(xiàn)出較明顯的各 向異性，這是由于煤塊內(nèi)部空隙、裂隙等缺陷分布的不均勻性；不同煤種之間表現(xiàn)出整體差異性，受 煤種組分、孔隙結(jié)構(gòu)、孔徑分布、變質(zhì)程度等內(nèi)在因索影響。納米級(jí)孔隙對(duì)煤塊壓縮破壞過程沒有明 顯影響，而微米級(jí)孔隙的孔徑大小與含量與破碎過程力學(xué)特性冇明顯關(guān)聯(lián)?？紫堵试酱螅讖皆酱?， 孔隙含戢越高，彈性模雖

2、與抗壓強(qiáng)度越低。應(yīng)力應(yīng)變曲線的圧密段長短與樣品孔隙率冇關(guān)。應(yīng)力應(yīng)變 曲線的峰值波動(dòng)現(xiàn)彖可能由其內(nèi)部孔隙并合所造成。關(guān)鍵詞：煤；單軸圧縮；力學(xué)特性；破碎；孔隙結(jié)構(gòu)meehanicai properties evolution dur ing fracture of coaicubes under stress load inghu song12, xu bo-yang1, su jin-long1, shan lian-ying1, wang yi2, jianglong2, su shengu2, xiang jun1,2(1: china-eu institute for clcan and

3、 renewable energy, huazhong university of science and technology,wuhan hubei 430074, china2: state key laboratory of coal combustion, huazhong university of scicnee and technology, wuhan hubei430074, china)abstract: sample cubes from 4 typical types of coal were tested under uniaxial compression wit

4、h an electronic universal testing machine the images of their surface structure evolution were recorded by a high-speed camera. the fracture characteristics and nmechanical properties evolution of coal cubes under uniaxial compression was investigated il is shown that coal cubes present an integrate

5、d collapse mode predominated by cleavage along major axial fissures mechanical properties shown diversities for cubes of the same coal type, which is resulted from the inhoniogcneity of the intcrnal gaps and fissures. it is also varied with different coal types, affected by inherent factors, such as

6、 composition, pore structure, pore size distribution and coal grades. relationship with nlechanical properties of coal cubes during compression was 收稿日期:基金項(xiàng)目：國家門然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(no.51576072> no.51576081);新世紀(jì)優(yōu)秀人才計(jì)劃(ncet-13-0226)作者簡介：胡松(1973)，男，教授博導(dǎo)，email: husongmailhust.crb屯話not spotted for

7、nanometer-scale fissures, but an obvious one was found for micrometer-scale fissures with their pore diameter and concenlralion. elasticity modulus and strength of compression reduced with the increase of porosity, fissures diameter and fraction the length of the initial consolidation stage in the s

8、train-stress curve was affected by porosity while the peak fluctuation was related to the coalescence of the internal cracks.keywords: coal; uniaxial compression; mechanical properties; fraction; pore configurationo引言冃前我國每年有至少30億噸煤在燃燒前須經(jīng)過破碎和研磨。而制粉系統(tǒng)能耗大， 如小儲(chǔ)式鋼球磨煤系統(tǒng)能耗高達(dá)廠用電大20%25%：l2,使得我國每年人磨煤能耗體量 巨大。降

9、低磨煤能耗，可以有效地降低發(fā)電成本，提高電廠經(jīng)濟(jì)性。傳統(tǒng)制粉系統(tǒng)存在 過程能耗高、粒徑分布不均、金屬耗量大等缺點(diǎn)，其根本原因是煤炭粉碎效率低導(dǎo)致能 量利用率低(約5%)。降低磨煤能耗的關(guān)鍵在于提高煤炭粉碎效率，即用更少的能量使 更多的煤粉碎至目標(biāo)粒徑范圍。經(jīng)典理論中通常用哈氏可磨性指數(shù)(iigt)來表示煤被破碎的能力。然而其只能從 宏觀角度以及統(tǒng)計(jì)學(xué)角度進(jìn)行評(píng)價(jià)，無法從細(xì)觀層而解釋煤的破碎機(jī)理。一些學(xué)者 認(rèn)為，可磨性指數(shù)并不能很好的表征煤的實(shí)際可磨性。因此要從煤顆粒的內(nèi)部力學(xué)特性 開展研究以準(zhǔn)確描述粉碎過程。最新研究表明煤顆粒是一種典型的復(fù)雜的含孔隙裂隙的 多孔介質(zhì)，孔隙分布從幾個(gè)納米到幾百個(gè)

10、微米，空間分布也復(fù)雜多變，體現(xiàn)明顯的非線 性特征其力學(xué)特性表現(xiàn)出極大的非均勻性和非連續(xù)性。煤的宏觀外部變形破壞是 煤內(nèi)部孔隙和缺陷在載荷下的擴(kuò)展與演化的結(jié)果。研究表明，破碎特性與粒徑、孔隙結(jié)構(gòu)等物理結(jié)構(gòu)特性相關(guān)"相關(guān)理論被提出 以試圖描述破碎過程'1m2j,認(rèn)為破碎能耗由新生表面積與原表面積之差決定。然而目前 這些理論直接建立破碎耗能與孔隙特性參數(shù)的聯(lián)系，并未考慮孔隙結(jié)構(gòu)特性對(duì)破碎過程 影響的動(dòng)態(tài)特性。rubin等人切在研究發(fā)現(xiàn)孔隙結(jié)構(gòu)及在應(yīng)力作用下的演化會(huì)明顯影響 顆粒的力學(xué)特性。在力學(xué)條件下，裂紋孔隙發(fā)生起裂、增長和貫通，最終致使損傷破壞 cho但是目前的研究尚未能明確不

11、同孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)力學(xué)特性演變的具體影響作用與機(jī)制。 前述的對(duì)破碎過程中力學(xué)特性的研究冃前主耍應(yīng)用在礦石巖石一類，少有對(duì)煤破碎的研 究。煤是一種含有復(fù)雜孔隙特征的脆性結(jié)構(gòu)體，同屬礦石巖石類，與巖石沒有本質(zhì)上的 區(qū)別，因此可以借鑒巖石研究方法來對(duì)煤開展研究。本文選取陽泉、神木、紅沙泉和五彩灣四種不同煤種，制成立方體煤塊樣品。在wdw -100e型電子萬能試驗(yàn)機(jī)上對(duì)煤塊施加單軸壓縮應(yīng)力載荷，并用高速攝像儀記錄破碎過 程中煤塊表面結(jié)構(gòu)演化的圖像。研究煤塊在應(yīng)力載荷條件下的孔隙結(jié)構(gòu)與力學(xué)特性演之 間動(dòng)態(tài)關(guān)系。1實(shí)驗(yàn)煤塊樣品實(shí)驗(yàn)選用四種典型煤種邙口泉無煙煤（y）、神木煙煤（s）、準(zhǔn)東紅沙泉煤（h）、準(zhǔn) 東五彩

12、灣煤（w）為研究對(duì)彖，其工業(yè)分析見表1,元素分析見表2。根據(jù)國標(biāo)gb2565-87 （哈徳格羅夫法），測(cè)得四種煤的哈氏可磨性指數(shù)（hgt）,結(jié)果見表3。原始煤塊經(jīng)切割 機(jī)切割成型，砂輪和打磨機(jī)進(jìn)行表面磨光，自然風(fēng)干24小時(shí)，制成邊長約為3cm的立 方體煤塊樣品。表1煤樣的工業(yè)分析（wt%）mui%fc陽泉煤3. 008. 2917.7870. 9310. 47神木煤3. 4430. 834. 3861.3433.45紅沙泉14. 3424.916. 8453.9131.60五彩灣12. 4725. 784. 6457. 1131. 10表2煤樣的元素分析（wt%）cadih臨sodojcdaf

13、陽泉煤73. 832. 560. 920. 341.5793. 20神木煤61.693.710. 780. 2525. 7666. 93紅沙泉63. 004. 100. 660. 6710. 3879. 94五彩灣61.454. 290.460.4216. 2773. 59派氧含量結(jié)果由差量法得出表3煤樣的哈氏可虧性指數(shù)（hgi）煤樣陽泉神木紅沙泉五彩灣iig162.6067. 7289. 0395.81利用壓汞法和吸附法測(cè)定四種煤的孔隙結(jié)構(gòu)，所用儀器分別為micrometer公司生 產(chǎn)的autoporetv 9500型壓汞儀、asap-2020型吸附分析儀，得到四種煤的孔隙率（s） 與bet

14、比表面積數(shù)據(jù)（表4）。由壓汞實(shí)驗(yàn)與氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)得到的孔徑分布圖，分別為圖 1,圖2。由上述孔隙結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)可見，陽泉煤孔徑分布主要為2nm和815nm的微孔、 loolooonm的中孔；神木煤孔徑分布主要為rionm的微孔和20100nm的小孔，大于 loooonm的大孔，并且微孔孔徑峰寬，峰面積較大，范圍分布較廣；紅沙泉煤孔徑分布 主要為15100nm的小孔和1001000nni的中孔，且小孔孔徑分布較廣；五彩灣主要為 loooonm的小孔和大于loooonm的裂隙，且小孔較多，孔徑范圍分布廣。0h-0m-(g陽泉煤pw wv(fw)(c)紅沙泉煤(b)神木煤(d)五彩灣煤表4煤樣的孔隙率與bi

15、訂比表而積煤種陽泉神木紅沙泉五彩灣孔隙率£15. 837%11. 799%20. 252%11.537%比表面積(m'/g)13. 12881.03501.29610. 79890*嚴(yán)004-0a圖1壓汞實(shí)驗(yàn)孔徑分布圖30(g6)/euj0 ol) qp/ap2520陽泉煤 神木煤 紅沙泉煤 十五彩灣煤1 10 100d (nm)圖2氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)孔徑分布圖12實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置分為力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和細(xì)觀觀測(cè)系統(tǒng)兩部分，實(shí)驗(yàn)臺(tái)架示意圖見圖3。力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用wdw-100e型電子萬能試驗(yàn)機(jī)，將制好的煤塊樣品放置于其萬彖底座上進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，采用控制位移施載（施載速度5mm/min）

16、,獲得煤塊受載過稈中的應(yīng)力應(yīng)變曲線。細(xì)觀觀測(cè)系統(tǒng)由photron fastcam sa4型高速攝像儀、尼康高清微距鏡頭和pfv計(jì)算機(jī)采集處理系統(tǒng)三部分組成，以50幀/s的速度同步記錄煤塊受載過程中表面結(jié)構(gòu)演化的圖像。測(cè)試過程中每種煤樣分別進(jìn)行了 4次重復(fù)實(shí)驗(yàn)以避免試驗(yàn)誤差。圖3單軸載荷力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架示意圖2 結(jié)果與分析2. 1破碎特性由高速攝像機(jī)拍攝的典型煤塊樣品在破碎過程中表面結(jié)構(gòu)的圖像如圖4所示。在單 軸應(yīng)力載荷下，煤塊樣品只受到軸向壓力作用，側(cè)向沒有壓力而不受約束(圖5(a), 煤塊樣品在側(cè)向上擴(kuò)張，原有孔隙結(jié)構(gòu)不斷變化，新生孔隙不斷生長，直至孔隙貫通后 破碎成直徑大小不一的碎塊與粒徑大小

17、不一的顆粒。(a) o =0 mpaa(a)(b) o 二2. 3 mpa(c) o =4 mpa圖4 h2煤塊樣品表面結(jié)構(gòu)演化圖像(b)(c)(d) o =6. 9 mpa圖5單軸壓縮試騎試件受力和破壞形式示意圖實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，單軸應(yīng)力載荷下煤塊的破壞形式與巖石類似，觀察到存在三種破壞形式 1151：劈裂破壞(圖5(b)、剪切破壞(圖5(c)、錐形破壞(圖5(d)。由圖像進(jìn)行統(tǒng) 計(jì)分析(見表5)后發(fā)現(xiàn)，煤樣的破壞通常不是單一的破壞形式，而是以一種破壞為主 導(dǎo)的組合破壞形式；普遍呈現(xiàn)出以沿縱向主裂隙的脆性劈裂破壞為主的組合破壞形式, 少部分呈現(xiàn)以剪切破壞為主的組合破壞。上述現(xiàn)象是rh于煤塊內(nèi)部有原始

18、缺陷、表面有 孔隙和裂隙，在受載后沿軸向生長至貫通，同時(shí)斷面約束小于橫向膨脹的應(yīng)力。所以煤 塊表面的孔隙分布決定其破碎特性。表5實(shí)驗(yàn)破壞形式統(tǒng)計(jì)破壞形式以劈裂破壞為主的組合破壞以剪切破壞為主的組合破壞試樣統(tǒng)計(jì)w1w4、 y3 y4、 s1、 s3、 s4、 hl、 h2、 h4yl、 y2、 si、 h3字母y、s、h、w分別農(nóng)示陽泉、神木、紅沙泉、五彩灣四種煤種，數(shù)字農(nóng)示煤塊樣品編號(hào)。2. 2力學(xué)特性演變實(shí)驗(yàn)得到四種煤塊的應(yīng)力應(yīng)變特性曲線，如圖6所示。結(jié)果驗(yàn)證了煤塊在單軸壓縮 載荷條件下的變形破壞過程一般分為四個(gè)階段“鐵 壓密、線性彈性、屈服和塑形破壞。 4種煤的應(yīng)力應(yīng)變曲線具有總體相似的演

19、化趨勢(shì)，即有壓密段，應(yīng)力住煤樣強(qiáng)度的20%70% 階段表現(xiàn)為線性關(guān)系，之后進(jìn)入屈服階段直到煤樣破壞應(yīng)力快速下降，此結(jié)果與蘇承東 曲研究結(jié)果吻合。而同時(shí)其應(yīng)力應(yīng)變曲線又在不同變形階段呈現(xiàn)出差異：（1）部分曲線 峰前斜率較陡，不具有明顯的壓密段（如yl、s1）,這是由于煤種內(nèi)部孔隙裂隙較少， 較堅(jiān)硬（y煤hgi值62.60、s煤hgi值67. 72）,變形以彈性變形為主；（2）部分曲線 峰前有較大波動(dòng)，出現(xiàn)多次應(yīng)力下降（如y2、si、s2、hk w4）,主要因?yàn)槊簤K內(nèi)部結(jié) 構(gòu)不均勻、存在缺陷，試樣在未達(dá)到承載能力前，內(nèi)部骨架缺陷己開始破裂；（3）部分 曲線在峰值附近出現(xiàn)持續(xù)的較大波動(dòng)或者產(chǎn)生多峰（

20、如si、s2）,原因?yàn)樵嚇釉诜逯蹈?近發(fā)生宏觀破裂和釋放彈性變形能量冋。(a) y 煤(b) s 煤（c） ii 煤（d） w 煤圖6煤塊樣品的單軸載荷應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)比同一煤種煤塊的應(yīng)力應(yīng)變曲線，發(fā)現(xiàn)其力學(xué)特性呈現(xiàn)出較明顯的各向異性，主 要原因?yàn)槊簤K在形成過程中結(jié)構(gòu)具有明顯的層理方向，以及大節(jié)理裂隙方向。這種各項(xiàng) 異性在煤塊樣品的力學(xué)特性參數(shù)（抗壓強(qiáng)度丐n、彈性模量e,見表6）上得到了較好的 體現(xiàn)。y煤最大和最小的知分別為21.89'%和2.72%,相差約8倍；e最大和最小分 別為864mpa和83mpa,相差約10倍。s煤最大和最小的知分別為9. 18mpa和2. 29mpa, 相

21、差約4倍;e最大和最小分別為685mpa和224mpa,相差約3倍。h煤最大和最小的分 別為14. 5mpa和2. 7mpa,相差約5倍;e最大和最小分別為367mpa和194mpa,相差約 2倍。分析發(fā)現(xiàn)，雖然煤樣的和e離散性較大，但卻具有明顯的正線性相關(guān)性（見圖 7）。煤樣的、e等力學(xué)參數(shù)等具有較大離散性，體現(xiàn)了煤樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)異性，主 要與其組分、孔隙裂隙結(jié)構(gòu)、變質(zhì)程度等內(nèi)在因素有關(guān)。己有的煤炭力學(xué)研究表明，煤 由有機(jī)質(zhì)、無機(jī)質(zhì)和孔隙-裂隙系統(tǒng)組成，是一個(gè)極其復(fù)雜的非均質(zhì)、不連續(xù)、各向異 性的雙重孔隙介質(zhì)。這也是導(dǎo)致煤與較為均勻性巖石的力學(xué)特性不同的重要原因。結(jié)果顯示不同煤種z間也表現(xiàn)

22、出整體性的差異性，整體強(qiáng)度上，y煤qs煤h煤"v 煤，與前述可磨性測(cè)定結(jié)果一致（hgi可磨性y煤as煤h煤煤）。顯然煤巖力學(xué)強(qiáng) 度與可模型之間存在一定關(guān)聯(lián)，而這種關(guān)聯(lián)域煤巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)及變質(zhì)程度有關(guān)表6煤塊樣品的力學(xué)特性參數(shù)試樣編號(hào)抗壓強(qiáng)度0 /mpa彈性模量e/mpa試樣編號(hào)抗壓強(qiáng)度0 r./mpa彈性模量e/mpay121.89864s19. 18685y26. 52258s2& 73565y34. 30356s33. 49297y42. 72s3s42. 29224h114. 50367w13. 79911126. 92365w23.65146h33. 50194w33.3

23、182hl2. 73227w42. 1775圖7煤塊樣甜的抗斥強(qiáng)度和彈性模量關(guān)系圖2. 3孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)力學(xué)特性演變的影響從實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析煤塊樣品的孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)破碎過程及力學(xué)特性演變的影響。樣品屮孔 隙根據(jù)其孔徑可主要分為兩類：（1）孔徑大于lpm的微米級(jí)孔隙，包括大孔和裂隙，可 由壓汞儀測(cè)出；（2）孔徑小于looonm的納米級(jí)孔隙，包括微孔（小于15nm）小孔 （loloonm）和中孔（100、1000nm）,可由氮?dú)馕絻x測(cè)出。實(shí)驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)納米級(jí)孔隙對(duì) 煤塊壓縮破壞過程有明顯影響，而微米級(jí)孔隙的孔徑大小與含量與破碎過程力學(xué)特性有 明顯關(guān)聯(lián)，與目前研究一致如。微米級(jí)孔隙的孔徑越大，樣品的力學(xué)性能越差昭

24、，包 括彈性模量和抗壓強(qiáng)度等。但結(jié)果顯示力學(xué)特性不僅與微米級(jí)孔隙的孔徑有關(guān)，還受其 含量的影響。研究表明孔隙輪廓尖部的銳利與粗鈍會(huì)影響樣品的力學(xué)強(qiáng)度，鈍化其尖部 可增強(qiáng)材料的抗壓強(qiáng)度創(chuàng)。粗鈍程度即是各向異性的體現(xiàn)，因此對(duì)于同煤種樣品力學(xué)特 性體現(xiàn)出的離散性，與其內(nèi)部孔隙的各向異性有關(guān)。應(yīng)力應(yīng)變曲線的壓密段長短與樣品孔隙率有關(guān)。y煤和h煤壓密現(xiàn)象明顯，應(yīng)力應(yīng) 變曲線的壓密段較長；s煤和w煤壓密現(xiàn)象不明顯，壓密段較短。這是因?yàn)?，相比于s 煤和w煤，y煤和h煤具有更高的孔隙率（y煤15.8%、h煤20.2%,而s煤與w煤孔隙 率約12%）,擁有更多的可壓縮空隙空間。彈性模量和抗壓強(qiáng)度的影響因素復(fù)雜，

25、樣品的 孔隙率、孔徑大小與孔隙含量均產(chǎn)生影響，通?？紫堵试酱?，孔徑越大，孔隙含量越高， 其彈性模量與抗壓強(qiáng)度越差。其中彈性模量e還與樣品的水分含量有關(guān)，水分越高，e 越低，由丁水分的存在導(dǎo)致裂隙長度增長并造成破碎做功降低，這與van eeckhout的 研究如相一致。應(yīng)力應(yīng)變曲線在達(dá)到峰值時(shí)通常不是穩(wěn)定在抗壓強(qiáng)度，而是在其附近波 動(dòng)。這是市于樣品在單軸壓縮載荷下的破碎是眾多孔隙并合的結(jié)果，而非單一孔隙生長 的結(jié)果閥。在峰值應(yīng)力強(qiáng)度下，孔隙并合造成局部瞬時(shí)孔徑增大，抗壓強(qiáng)度突然降低, 導(dǎo)致應(yīng)力波動(dòng)。3結(jié)論本文對(duì)煤塊樣品在單軸應(yīng)力載荷條件下的破碎特性與力學(xué)特性演變進(jìn)行了研究，得 到主要結(jié)論：(1)

26、 單軸應(yīng)力載荷下煤塊的破壞形式與巖石類似，普遍呈現(xiàn)出以沿縱向主裂隙的 脆性劈裂破壞為主的組合破壞形式。(2) 同煤種煤塊的力學(xué)待性呈現(xiàn)出較明顯的各向異性，主要與其組分、孔隙裂隙 結(jié)構(gòu)、變質(zhì)程度等內(nèi)在因素有關(guān)。雖然煤樣的力學(xué)特性參數(shù)(抗壓強(qiáng)度、彈性模量e) 的離散性較人，但卻具有明顯的止線性相關(guān)性。不同煤種z間也表現(xiàn)出整體性的差異性, 整體強(qiáng)度上，y煤煤h煤“v煤。(3) 納米級(jí)孔隙對(duì)煤塊壓縮破壞過程沒有明顯影響，而微米級(jí)孔隙的孔徑大小與 含量與破碎過程力學(xué)特性有明顯關(guān)聯(lián)。同煤種樣品力學(xué)特性的離散性與其內(nèi)部孔隙的各 向異性有關(guān)。(4) 應(yīng)力應(yīng)變曲線的壓密段長短與樣品孔隙率有關(guān)。通?？紫堵试酱螅?/p>

27、徑越大， 孔隙含量越高，彈性模量與抗壓強(qiáng)度越差。樣品水分含量越高，彈性模量越低。應(yīng)力應(yīng) 變曲線的峰值波動(dòng)現(xiàn)象可能由其內(nèi)部孔隙并合所造成。參考文獻(xiàn)：1j zuo w, zhao y, he y, et al. relati on ship between coal size reduct i on and energy input in hardgrove mi 11. inter natio nal jour nal of m inin g scie nee a nd tech no log y. 2012, 22(1): 12 廣 1242 nichols a b, lange d a. 3

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