練炭・原炭含有流体の強度特性の進化

Sep 24, 2023

Scientific Reports volume 13、記事番号: 593 (2023) この記事を引用

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流体を含む石炭の機械的特性は、軟炭層の安全な採掘に影響を与える重要な要素です。特にⅢ～Ⅴ種石炭では、ガス圧や地下水の影響により石炭やガスの噴出などの動的現象が発生しやすく、現場作業員の安全や生命を大きく脅かします。ただし、クラス III ～ V の石炭サンプルに対して行われる実験室試験では、通常、原料炭の代わりに練炭サンプルが使用されます。練炭と原炭の研究結論が一致しているかどうか、強度特性の研究において練炭が原炭の代替となり得るかどうかについては、さらに検証する必要がある。この論文では、流体を含む練炭と原炭の強度特性の進化を研究しています。一軸および三軸圧縮下での原炭および練炭の強度特性、不安定破壊特性、音響放射特性を詳細に分析します。さらに、クラスIII-Vの原料炭と練炭の強度特性に及ぼす水分含有量と間隙圧力の影響をさらに研究しました。結果は,原料炭の破壊特性は全体的に脆性破壊,主に軸方向の分割破壊であるのに対し,ブリケットの破壊特性は全体的に延性破壊,主に円錐形の連続剥離であることを示した。原炭と練炭の強度パラメーターは閉じ込め圧力下で向上しますが、原炭の内部差異は大幅に減少します。原料炭サンプルの凝集力は、最初は増加し、その後、含水量の増加とともに減少し、内部摩擦角は含水量の増加とともに増加します。さらに、練炭の強度、凝集力、弾性率、変形係数は、異なる間隙圧下では間隙圧の増加に伴って減少するが、III-V 種炭の強度差は間隙圧が増加すると減少することが確認された。上述の結果に基づいて、石炭体の強度パラメータは Hoek-Brown (H-B) 基準を使用して推定されます。石炭サンプルと石炭体の強度パラメータの比較に基づいて、石炭体の推定強度パラメータは現場での実際の値に近くなります。

流体を含む石炭の機械的特性は、特にクラス III ～ V の石炭の場合、軟炭層の安全な採掘に影響を与える重要な要素です。ガスの圧力や地下水などの影響により、石炭やガスの噴出やその他の動的現象が発生しやすく、現場作業員の安全や生命が大きく脅かされます。ただし、練炭サンプルは通常、クラス III ～ V の石炭サンプルの実験室試験に使用されます。練炭と原炭の研究結論が一貫しているかどうか、また強度特性の研究において練炭が原炭の代替となり得るかどうかについては、まだ検証されていない。長い間、中国および海外の多くの研究者が、石炭含有流体の機械的特性について数多くの徹底的で詳細な研究を実施してきました。石炭サンプルは石炭本体の重要な部分です。石炭サンプルの機械的性質の研究対象は、主に原炭と練炭の 2 種類に分けられます。クラス I および II の石炭の場合、石炭本体の構造は比較的硬く、原石炭サンプルを掘削するのに必要な条件を備えているため、通常、原石炭サンプルはこのような研究に使用されます。 III-V 種炭の場合、原料炭サンプルの調製が難しく、原料炭サンプルよりも練炭の方が入手しやすいため、このような研究では練炭サンプルがよく使用されます。ただし、練炭は二次的な練炭サンプルであり、原石炭サンプル自体の構造的特徴を破壊します。 III-V 級石炭は比較的壊れており、その特性はバルク構造に似ています。したがって、強度特性の研究において、3 種類の石炭サンプル間の差異がどの程度あるのか、原炭の代わりに練炭が使用できるかどうかについては、まだ検証する必要があります。

流動性石炭と原料炭は広範囲に研究されています。たとえば、Yang Ke et al.1 は、さまざまな水カット石炭サンプルに対して衝撃荷重下での動的分割テストを実施しました。破壊プロセス中の石炭サンプルのエネルギー散逸特性を,異なる含水量に対して取得し,破壊石炭サンプルのフラクタル次元に及ぼす含水量の影響を分析した。石炭サンプルのフラクタル次元は積載圧力の増加とともに増加し、増加速度は遅くなりました。同じ負荷圧力下では、飽和石炭サンプルのフラクタル次元が最も大きく、乾燥石炭サンプルのフラクタル次元が最も小さくなりました。 Lai Xingping2 は、含水量の異なる石炭と岩石のサンプルに対して一軸圧縮試験を実施し、一軸圧縮下では、含水量の異なる石炭と岩石のサンプルの破壊モードはせん断破壊であり、せん断亀裂はより複雑になる傾向があることを発見しました。水分含有量が増加します。 Yubing Liu3 は、さまざまな模擬地質条件下での完全石炭と破砕石炭の方向性透水性の変化を研究しました。石炭中に水が存在すると、浸透性が一桁低下する可能性があり、粗いマクロフラクチャのある石炭サンプルでは、浸透性が大幅に低下します。 Lu Aihong4 は、動的荷重下での岩盤の機械的特性とエネルギー散逸に対する含水量の影響について議論しました。含水率が0から2.58%まで増加するにつれて、大きな粒子の粉砕率は減少し、小さな粒子の粉砕率は徐々に増加しました。含水率が 2.01 ～ 2.58% の場合、フラクタル次元は直線的に増加し、含水率が高くなるほど砕けた砂岩のフラクタル次元が大きくなることを示しています。エネルギー計算の結果、砂岩サンプルのエネルギーは含水率が0%のときにピーク値に達することが分かりました。含水率が 2.01 ～ 2.58% の場合、反射エネルギーは増加しますが、透過エネルギーと散逸エネルギーは直線的に減少します。さらに、Qiangling Yao5 は、試験片の強度と変形特性に対する含水量の影響を分析しました。石炭サンプルの含水量が増加すると、全応力-ひずみ曲線は塑性変形の特性を示しました。ピークひずみと含水量の間には正の線形関係があり、圧縮強度と含水量の間には負の線形関係があります。 Wang Wen6 は、動的荷重と静的荷重を組み合わせた状態での含水石炭サンプルの機械的特性について議論し、天然石炭サンプルと 7 日間飽和させた石炭サンプルに対して、動的および静的荷重を組み合わせた 3 次元の動的荷重と静的荷重を組み合わせた 3 次元静的荷重の比較試験を実施しました。改良されたスプリットホプキンソンプレッシャーバー (SHPB) と RMT-150 テストシステム。その結果、水分飽和は石炭サンプルの強度に大きな影響を及ぼしましたが、ひずみ速度が主な制御役割を果たしたことが明らかになりました。中程度から高いひずみ速度の条件下では、破砕水と破砕との結合により剛性が大きくなり、三次元の動的荷重と静的荷重を組み合わせた場合、水で飽和した石炭サンプルの動的強度が増加します。 Jiang Jingdong ら 7 は、岩石の機械的性質と破壊メカニズムに対する水分含有量の影響を研究しました。彼らは、水分含有量が低いほど拘束圧力が小さくなり、泥岩内部の損傷が大きくなり、可塑性が弱くなることがわかりました。長年にわたり、多くの研究者が含水率の異なる石炭サンプルの機械的強度の観点から関連する研究を実施し、豊富な研究結果が得られています8,9,10,11。しかし、実験研究において、含水量の異なる石炭が原石炭の代替となるかどうか、含水量の異なる石炭サンプルの強度特性が石炭本体の強度特性を反映できるかどうかについては、ほとんど注目されていない。そこで本研究では、流動炭と原料炭の強度特性を検討した。一軸圧縮および三軸圧縮下での原炭と練炭サンプルの強度特性、不安定性、および音響放出特性の比較分析を通じて、異なる含水量および間隙圧力下での練炭と原炭の強度特性の変化を調査し、明らかにした流動性石炭と原炭の強度特性の進化。

原料炭と練炭サンプルの強度特性を比較するため、原料炭の加工の難しさを考慮して、完全な構造を持ち、粉砕しやすい高硬度の石炭サンプルを選択しました。石炭サンプルは、山西省長志市の火爾新河炭鉱の第 3 炭層から採取されました。比較的完全な構造を有する石炭サンプルが得られ、その破壊タイプはクラス II 石炭でした。まず、切断機で原料炭サンプルの輪郭を描くために平行な 2 つの平面を切断し、次にコアボール盤を使用して層方向に垂直な直径 50 mm × 100 mm の円筒状の石炭コアを穴あけしました。掘削した石炭サンプルの両端をグラインダーを使用して滑らかにしました。サンプルを換気の良い場所で 48 時間自然乾燥させ、いくつかの石炭サンプルを調製しました (図 1)。

原料炭サンプルの処理。

練炭と原炭の強度特性の違いを比較するために、原炭サンプルを掘削した後に残った石炭を使用して練炭サンプルを作成しました。原料炭をボールミルで粉砕し、一体化した。次に、それを、ダイシリンダー、加圧ピストン、および脱型シリンダーで構成される標準的な金型に配置しました。ダイシリンダーの内径は５０ｍｍ、高さは２００ｍｍであった。微粉炭を金型シリンダーに入れ、加圧ピストンを挿入し、プレス機で100MPaの圧力を加え、圧力が安定した後30分間保持し、金型シリンダーをプレス機に設置して脱型しました。練炭サンプルを取得した後、そのサイズを測定して記録し、換気の良い場所で 48 時間自然乾燥させました。いくつかの練炭サンプルを図 2 に示します。

練炭サンプルの処理。

2 つの石炭サンプルに対して実施した一軸圧縮試験の応力-ひずみ曲線を図 3 に示します。縦軸は軸方向の圧力 σ1、横軸はひずみ ε です。図3に示す2つの曲線の変化傾向は基本的に同じです。ピーク強度に達する前に、圧縮段階、線形弾性段階、塑性段階を経ます。練炭は破壊段階を経験しますが、原料炭はこの段階で突然崩壊します。

一軸圧縮下の石炭サンプルの応力-ひずみ曲線。

圧縮段階では、2 種類の石炭サンプルには明らかな構造面がないため、内部の亀裂と細孔は軸方向の荷重の下で徐々に閉じ、曲線は非線形の成長を示し、応力の増加に伴ってひずみの増分は減少し、曲線は下に曲がります。この段階では、原料炭サンプルの圧縮はより明白であり、曲率は練炭サンプルの曲率よりも大きく、原料炭サンプルの元の内部欠陥の閉鎖がより明らかであることが明らかになります。この段階での曲線の曲率は、原料炭の気孔率と比較して練炭サンプルの気孔率のより均一な分布を反映している可能性があります。均一な粒子サイズと調製プロセスで使用される高圧により、ブリケットサンプルの内部は等方性であると見なすことができます。しかし、この段階での原料炭の曲線の傾きは、細孔、亀裂、空洞の存在によって生じ、大きな変化を引き起こします。原料炭サンプルはピーク応力の 14 ～ 22% で線形ステージに入りますが、練炭サンプルはピーク応力の 32% で弾性ステージに入ります。これらの結果は、練炭の亀裂の総数が原炭よりも多く、練炭の圧縮段階が原炭よりも長いという事実を反映している。

弾性段階では、応力とひずみは直線的に増加します。石炭サンプルの変形は、荷降ろし後に回復することができます。しかし、軸方向の荷重がかかった石炭サンプルには新たな微小亀裂が生じるため、準弾性段階としか考えられません。この段階では、練炭サンプル中の微粉炭粒子は微小亀裂の存在により再結合して変形し、練炭サンプルの曲率は原炭の曲率に比べて緩やかになります。原料炭サンプルと比較すると、練炭サンプルの可塑性はより強く、原料炭の剛性はより強いことがわかります。ただし、この段階では石炭サンプル全体の弾性変形が反映されます。

不安定な亀裂伝播段階とも呼ばれる塑性段階では、応力-ひずみ曲線が線形から非線形に変化し、摩擦によって内部亀裂がわずかに拡大し始め、粒子間の滑りによって新たな亀裂が生じ、石炭がサンプルは塑性変形を示します。この段階では、ブリケットの軸方向荷重曲線が増加します。

アキシアル荷重が増加し続けると、原料炭がピーク応力に達した後、内部亀裂は短期間で拡大し続け、最終的にはマクロ亀裂に発展します。石炭サンプルの極限耐力は、これらのマクロ亀裂の形成により急速に減少します。この段階では、練炭サンプルには残留負荷応力があり、曲線上では応力減少がジグザグ形状を示しますが、原料炭サンプルの曲線は急激な減少を示します。これは、練炭サンプルのマクロ亀裂の形成に関連しています。石炭のサンプル。

代表的な原料炭サンプルを例として、一軸圧縮試験後のサンプルの破壊モードを図4に示します。ピーク強度に達した後、原料炭の剛性が大きいため、応力は急激に減少し、破壊後の応力-ひずみ曲線は記録できません。この現象は、実験機の剛性不足により極限軸受応力を失った後に実験機に記憶される12。石炭の弾性位置エネルギーが突然解放されると、石炭サンプルは大きなひずみを持ちます。

一軸圧縮下でのブリケットの破壊形態。

ピーク強度付近の応力のわずかな低下13は、圧縮中のせん断滑りの作用により引張応力が継続的に増加するためであり、これにより石炭サンプルの側壁が分離して圧縮棒になります。極限引張応力の作用下では、石炭サンプルは破損して崩壊し、全体として脆性破壊を示します。まず、サンプルの側壁が破壊され、次に石炭サンプルが貫通軸方向の亀裂に沿って分割されます。

一軸圧縮下でのブリケットの破壊モードを図 5 に示します。破壊段階におけるブリケットサンプルの応力-ひずみ曲線は、鋸歯状の減少パターンを示します。練炭は、粒子間の機械的閉塞と、加圧による粒状石炭の水結合効果によって形成されます。水の存在により粒子間に結合水膜の層があり、粒子間の潤滑効果が高まり、ブリケットの形成には役立ちませんが、製造プロセス中に少量の水を添加します。この後、ブリケットは換気の良い場所で乾燥され、ブリケットの全体的なマクロ性能が粒子の機械的閉塞を示すようになります。拘束圧力を持たない負荷プロセスでは、試料内の粒子は負荷の下で圧迫され、互いにこすれ合い、一部の粒子は再び壊れて異なるサイズの粒子を形成し、粒子間の咬合力が弱まります。この力が軸方向の荷重に耐えるのに十分でない場合、サンプルの側壁は端から継続的に剥離し、応力は徐々に減少します。クッションブロックの剛性は練炭の剛性よりも大きく、その内部弾性位置エネルギーは小さく、石炭サンプルの側壁の連続的な剥離とともに解放されます。エンド効果により、石炭サンプルの側壁は端から円錐状に剥離し、最終的には石炭サンプルの中央部分が支持力を失い、破壊につながります。

一軸圧縮下でのサンプル X2 の破壊形態。

練炭サンプルと原料炭サンプルの三軸圧縮応力-ひずみ曲線を図 6 に示す。図 6 の縦軸は軸圧力 σ1 と閉じ込め圧力 σ3 の差である。 2 つのグループの曲線の変化傾向はほぼ同じであり、強度パラメーターは一軸圧縮下のものより優れています。拘束圧力下では、練炭の圧縮段階は明らかではなく、石炭サンプルの亀裂や細孔は、一軸圧縮下よりもより密接に閉じられます。摩擦の増加により、粒子間のせん断滑りが減少します。拘束圧力が異なると、内部亀裂の閉鎖の度合いも異なります。閉じ込め圧力が増加すると、石炭サンプルのピーク強度が増加し、原料炭の弾性段階が長くなり、練炭の塑性段階が長くなります。一軸圧縮試験の結果と比較すると、原料炭の全体的な延性は大きくなりますが、全体的な破壊はまだ脆いです。練炭は粒状の石炭を圧縮して形成されます。閉じ込め圧力により石炭サンプルの塑性変形が増加し、粒子がより密に充填され、サンプル全体が依然として延性破壊を受けます。原料炭の封圧が15MPaに達すると、圧縮部と線形弾性部の曲線がほぼ一致する。拘束圧力が増加すると、曲線の伸びが異なり、拘束圧力の作用により石炭の内部構造が緻密になります。閉じ込め圧力により、石炭サンプルは深刻な損傷を受け、完全な破壊モードを取得できなくなります。

一軸圧縮下の石炭サンプルの応力-ひずみ曲線。

直接せん断試験には、含水量の異なるクラス III、IV、および V の典型的な原料炭サンプル 3 セットが使用されました。

クラス III、IV、および V の石炭サンプルは、設計された含水率 6 ～ 28% に従って 12 グループに分割され、重量が測定されました。 3 種類の石炭の含水率に基づいて、石炭サンプルの質量に応じて添加する水の質量を計算しました。平らな石炭サンプルに注射器で水を噴霧し、その後サンプルを均一に撹拌し、サンプルバッグに 24 時間密封しました。

石炭サンプルの重量を 24 時間測定した後、ワセリンをリングナイフの内側に塗布し、重量を測定しました。石炭サンプルはリングナイフで切断され、ゴムハンマーと統一された圧縮方法を使用して圧縮され、圧縮率が制御され、表面が繰り返し修復されました。準備したリングナイフサンプルをプラスチックのカバープレートで覆いました。

同じ含水率のサンプルを 12 個用意し、3 グループの直接せん断試験を実施しました。

III-V 級バルク原料炭の含水率による凝集力の変化を図 7 に示します。3 種類の石炭サンプルでは、凝集力は最初は増加し、その後含水量の増加に伴って減少します。水分含有量による第 III 種石炭サンプルの凝集力の変動範囲は、第 IV 種石炭サンプルおよび第 V 種石炭サンプルの凝集力の変動範囲よりも大きくなっています。クラス III 石炭の最適水分含有量は約 17%、クラス IV およびクラス V 石炭の最適水分含有量は約 15% です。クラス III 石炭の凝集力は、水分含有量の影響をより受けやすくなります。

凝集力と含水率の関係。

バルク原料炭中の水は主に自由水と結合水である。結合水は粒子表面の静電引力により石炭粒子の周囲にしっかりと吸着されるため、自由に流れたり静水圧を伝達したりすることはできません14。結合水は粒子間の距離に応じて、「強結合水」と「弱結合水」の2種類に分けられます。結合の強い水は静電気力の影響を強く受けますが、結合の弱い水は影響を受けにくく自由に動けるため、結合水膜の重要な部分となります。含水率が低いと結合水膜が薄く結合効果が弱く、凝集構造が形成できないため凝集力が低くなります15。 III 種石炭を例にとると、含水率が 0 ～ 17% に達すると、水膜結合効果が徐々に増加し、毛細管効果により水膜表面に表面張力が形成され、粒子内部の結合に有利になります。石炭のサンプル。含水率が17％を超えると粒子間の水膜が徐々に厚くなり、自由水により結合度も弱まります。さらに、水分飽和度の増加により、石炭サンプルのマトリックス吸引力が徐々に減少し 16、凝集力が徐々に減少し、これにより石炭サンプルの強度も向上します。

クラス III-V のルースコールサンプルの内部摩擦角と含水量の関係を図 8 に示します。内部摩擦角は含水量の増加とともに減少しますが、この関係の適合度は低く、全体的な相関関係は明らかではありません。。結果は,クラスIIIおよびIV石炭の内部摩擦角は含水量のフィッティング曲線とほぼ一致し,クラスV石炭の内部摩擦角は含水量に応じて大きく変化することを示した。

内部摩擦角と含水率の関係。

内部摩擦角は主に石炭サンプルの摩擦性能を表しており、粒子間の粗い表面によって引き起こされる摩擦を主に克服します。水分が多くなると粒子間の結合水膜が厚くなり、粒子間の結合効果が弱まり、粒子間の潤滑効果が高まります。したがって、内部摩擦角は含水量の増加とともに減少します。

実際の石炭採掘プロセスでは、石炭壁の安定性を向上させ、石炭やガスの噴出事故を防ぐために、軟炭壁に水が注入されます。石炭壁の最適な含水量を決定するために、異なる含水量の練炭サンプルが準備されました。含水率２％、４％、６％、８％、１０％の５種類のブリケットサンプルを用意した。ブリケットサンプルの分散が小さいため、水分含有量ごとにブリケットサンプルを調製する必要がありました。

異なる含水量の石炭サンプルの一軸圧縮試験結果を表 1 に示し、一軸圧縮応力-ひずみ曲線を図 9 に示します。

一軸圧縮下でのさまざまな水分含有量の練炭サンプルの応力 - ひずみ曲線。

含水率を変化させた石炭サンプルの一軸圧縮強度と弾性率の曲線を図10に示します。含水率が一定の範囲内で増加すると、練炭の強度と弾性率は増加します。水分含有量が 6% の場合、石炭サンプルの強度と弾性率は最大値に達します。含水率が 0% から 6% に増加すると、強度は 28% 増加し、弾性率は 27% 増加します。水分含有量が 6% を超えると、石炭サンプルの強度と弾性率は低下する傾向を示します。ただし、水分は必須の成分であり、適度な水分含有量は練炭の製造プロセス中に石炭粒子間の凝集性を高める可能性があります。

含水量対 (a) 一軸圧縮強度および (b) 弾性率のフィッティング曲線。

石炭サンプルの強度は、主に石炭自体の凝集力と荷重によって発生する摩擦力で構成されます17。石炭サンプルの水分含有量が低い場合、石炭サンプル中の粒子間には自由水がほとんど存在せず、結合した水によって形成される液橋は有効な力をほとんど発生しません。荷重がかかると、石炭サンプル内の粒子は相互に移動できなくなり、緻密な構造を形成し、サンプルの強度が低下します。このときの強度は主に摩擦に依存します。含水率が高すぎると、石炭サンプルの内部亀裂と粒子間の水膜が厚くなり、粒子間の結合が弱くなり、サンプルの強度が低下します18。適度な量の水分は、石炭サンプル中の粒子間の潤滑の役割を果たします。ブリケットは高圧下で成形されるため、荷重がかかると粒子同士が擦れやすくなります。小さな粒子が大きな粒子の間の空間に入り、粒子間の機械的吸蔵によって生成される凝集により、石炭サンプルの構造がより緻密になり、これにより石炭サンプルの強度が最大に達します19,20。したがって、適切な水分含有量を決定することは、石炭サンプルの強度を向上させるのに役立ちます。

異なる間隙圧力と拘束圧力の下でクラス III-V 石炭サンプルの三軸強度特性を取得するために、間隙圧力 0.2 MPa、0.4 MPa、0.6 MPa、および 0.8 MPa が選択されました。結果を、間隙圧力のない以前に提示された石炭サンプルの強度特性と比較するために、0.6 MPa、0.8 MPa、および 1.0 MPa の圧力が選択されました。最後に、同じ間隙圧力と拘束圧力の下でのクラス III-V 石炭サンプルの強度特性の違いを比較しました。

この試験システムは主に、RMT-150B 岩石力学試験機、改良されたサンプルチャンバー、高圧 CO2 ガス源 (安全上の理由から CH4 の代わりに CO2 が使用されました)、および CY-60 ガス圧力センサーで構成されていました。

石炭サンプルの強度特性と比較できるようにするために、同じ閉じ込め圧力と荷重方法を採用しました。 Xu Jiang et al.21 は、ガスと窒素の条件下で比較実験を行うことにより、ガス吸着飽和は石炭サンプルの変形度やピーク強度にほとんど影響を及ぼさないことを確認しました。したがって、石炭サンプルが飽和しているかどうかは実験結果にほとんど影響しません。石炭サンプルを設置後、目標値まで拘束圧力を加え、CO2ガスを導入しました。ガスが石炭サンプルを通して装置外に排出され安定した後、排気弁を閉じて実験を行った。

設計された実験スキームに従って、異なる閉じ込め圧力、ガス圧力、および石炭サンプルの種類を使用した合計 10 グループの三軸圧縮実験が実行されました。実験結果を表 2 に示します。拘束圧力 1 MPa の一定時の 3 軸応力-ひずみ曲線を図 11 に、間隙圧力と強度のフィッティング曲線を図 12 に示します。

三軸圧縮下での異なる間隙圧力を持つ石炭試験片の応力-ひずみ曲線。

三軸強度対間隙圧力のフィッティング曲線。

石炭サンプルの強度は間隙圧力の増加とともに低下します。図 12 からわかるように、間隙圧力が増加するにつれて、石炭サンプルの塑性変形段階の継続時間は増加します。これは、初期段階での石炭サンプルの通気中の固定閉じ込め圧力の強化によるものです。実験の様子。

0.8 MPa および 0 MPa 未満のタイプ IV 石炭サンプルの三軸応力-ひずみ曲線を表 2 に示します。間隙圧力がかかると、圧縮段階で石炭サンプルの曲線は上に曲がります。これは、石炭サンプルの曲線は、内部に間隙圧力があるためです。セクション OA の石炭サンプルの細孔。このとき、アキシアル荷重が増加すると、間隙圧力の方向が拘束圧力と逆になり、間隙圧力は拘束圧力の一部を相殺して気孔の形成・発達に有利となる。したがって、圧縮段階はほとんど存在しません。図１１から、間隙圧力が減少するにつれて、圧縮段階で曲線が上向きの曲がりから下向きの曲がりに徐々に変化することがわかります。

間隙圧力および従来の条件下でのタイプ III ～ V 石炭サンプルの三軸圧縮応力-ひずみ曲線を図 13 に示します。3 つの石炭サンプルは、従来の三軸圧縮実験では明らかな強度の違いを示しました。ただし、間隙水圧下では 3 つの曲線は一貫しており、ピーク強度とその差異はさらに減少します。さらに、間隙圧下では 3 種類の石炭サンプルの内部構造の差が減少します。

異なる間隙圧と三軸圧縮下でのクラス III ～ V 石炭サンプルの応力 - ひずみ曲線。

練炭と原料炭の機械的環境の違いを証明する効果的な理論的方法はありません。現場の岩盤では、一般化されたフック・ブラウン (H-B) 基準と地質強度指数 (GSI) を使用して、岩盤の機械的パラメーターを推定し、その後、岩盤の機械的特性を研究します。 Brown は石炭サンプルに対して多数の三軸試験を実施し、石炭サンプルのピーク強度は H-B 基準を使用して推定できることを発見しました。特殊な岩石である石炭の機械的パラメータは、岩石力学実験を使用して測定されます。次に、一般化された H-B 基準を使用して石炭塊の強度パラメーターが推定され、石炭の強度特性を研究するための参照が提供されます。

一般化された H-B 基準:

\(\sigma_{1} = \sigma_{3} + \sigma_{ci} (m_{b} \frac{{\sigma_{3} }}{{\sigma_{ci} }} + s)^{a }\)、σ1 は岩盤破壊の場合の最大主応力 (MPa); σ3 は岩盤破壊の場合の最小主応力 (MPa) です。 σci は無傷の岩石の一軸圧縮強度 (MPa) です。 mb は完全な岩石の経験的パラメータ mi の減価償却です。 a は節理のある岩盤の固有定数です。 s は岩石の断片化の程度を表します。

原料炭と練炭サンプルに対する上記の一軸および三軸圧縮データは、一般化された H-B 基準を使用して石炭体の強度パラメータを推定するために使用されました。石炭サンプルが採取された石炭体の特徴を説明することにより、GSI は 55 と推定されました。石炭体の強度パラメーターは、一般化された H-B 基準を使用して計算されました。データを表 3 に示します。

石炭体の主成分は石炭ブロックです。さらに、石炭体を不連続な石炭ブロックに分割する、接合部と亀裂で構成される構造面が含まれています。原料炭サンプルと石炭体の主な違いは、構造面によって石炭体の応力と応力変形が複雑になり、それによって両者の機械的特性が異なることです。

石炭サンプルと石炭体の機械的パラメータを表 3 に示します。表 3 から、原料炭と練炭サンプルの凝集力、内部摩擦角、および一軸圧縮強度はすべて、対応する推定値よりも大きいことがわかります。石炭本体用。石炭体の内部には弱い構造面が存在するため、石炭体の一軸圧縮強度は石炭サンプルのそれよりもはるかに低くなります。石炭サンプルを使用して推定された石炭体の一軸圧縮強度は、原料炭サンプルおよび練炭サンプルの約 3 倍です。凝集力と内部摩擦角の推定値にはほとんど差がありません。この式から、凝集力は内部摩擦角の大きさ、石炭サンプルの強度、石炭構造の GSI 値の選択に関係していることがわかりますが、石炭構造の GSI 値は査定額に大きく影響します。推定値は 55 なので、両者の差はそれほど大きくありません。他の石炭体の機械的パラメータは石炭サンプルの強度に大きく関係しているため、原石炭と練炭サンプルを使用して推定される強度パラメータは異なります。

クラス III-V 石炭サンプルについて得られた実験データに基づいて、クラス III-V 石炭サンプルが収集された石炭体構造の GSI 値は、表に従ってそれぞれ 20、15、および 5 であると推定されます。 4. 推定結果を表 4 に示します。

表 4 は、この研究で得られた石炭サンプルの推定機械パラメータと、石炭および 2 つの条件下での石炭サンプルのせん断強度パラメータ c を示しています。 φ 値を図 14 に比較します。練炭サンプルとバルク石炭サンプルのパラメータ値は推定値とは大きく異なります。バルク石炭サンプルの測定された凝集力は小さすぎ、内部摩擦角は大きすぎます。石炭サンプルの凝集力はクラス III からクラス V に減少しますが、内部摩擦角は大きく変動しません。対照的に、石炭サンプルの推定凝集力はクラス III から V に増加し、内部摩擦角はわずかに変動します。機械パラメータの推定値は現実に近くなり、数値シミュレーションやエンジニアリングアプリケーションでの使用の安全性と信頼性が向上する必要があります。

クラス III ～ V の石炭サンプルと石炭質量の凝集角と内部摩擦角を比較した棒グラフ。

一軸および三軸圧縮試験を通じて、原炭と練炭の強度特性の違いを分析しました。原料炭の破壊特性は主に軸方向の分割破壊と全体的な脆性破壊ですが、練炭の破壊特性は主に側壁が円錐状に連続的に剥離する延性破壊です。原炭と練炭の強度パラメーターは閉じ込め圧力下で向上し、原炭の内部差異は大幅に減少します。

ばらばらの石炭サンプルの凝集力 c は、そのフラクタル次元 D と明らかな相関関係がなく、内部摩擦角 φ は、フラクタル次元 D が増加するにつれて負の指数関数として減少します。石炭サンプルの凝集力は、最初は増加し、その後、水の増加とともに減少します。含水量が増加すると内部摩擦角は減少します。クラス III 石炭の凝集力は水分含有量の変化により敏感であり、クラス V 石炭の内部摩擦角は水分含有量の変化に最も敏感です。

練炭炭の強度、弾性率、変形係数は、最初は増加し、その後、含水量の増加とともに減少します。

間隙圧が異なると、間隙圧の増加に伴って練炭の強度、凝集力、弾性率、変形係数が低下しますが、間隙圧の影響により、クラス III ～ V の石炭サンプルの強度差は減少します。

H-B 基準を使用すると、石炭サンプルの強度パラメータと石炭構造の GSI 値が石炭強度パラメータの推定値の精度に大きな影響を与えることがわかりました。石炭サンプルと石炭体の強度パラメータを比較することにより、石炭強度パラメータの推定値は現場の実際の状況に近いことがわかりました。

この研究の結果を裏付けるデータは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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この研究は、中国国家自然科学財団（番号 51974108 および 51404093）、河南省大学基礎研究基金（番号 NSFRF210315）、河南省博士研究員プロジェクト（番号 001701014）の支援を受けました。、ガス地質学およびガス制御のための国家重点実験室栽培基地（河南理工大学）（番号 WS2020B12 および WS2012A09）、国家労働安全総局の主要研究プログラム（番号。河南-0025-2015AQ および河南-0007-） 2015AQ)、および河南理工大学博士課程財団 (No. B2012-093、CCCC)。

河南理工大学安全科学工学部、焦作、454003、中国

フェイヤン・チャン & チェン・ニウ

石炭作業の安全性とクリーンな高効率利用の共同イノベーションセンター、焦作市、454003、中国

フェイヤン・チャン

河南理工大学エネルギー科学工学部、焦作市、454003、中国

イン・ハン

454003 中国、焦作市、河南理工大学、ガス地質学およびガス制御のための国家重点実験室育成基地

イン・ハン

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正式な分析、調査、執筆 - 原案の準備、FZ および YH。リソース、データキュレーション、監督、プロジェクト管理、資金獲得、FZおよびCN。執筆 - 査読および編集、FZ および YH 著者全員が原稿の出版版を読み、同意しました。

イン・ハンへの対応。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

Zhang, F.、Niu, C. & Han, Y. 練炭および原料炭含有流体の強度特性の進化。 Sci Rep 13、593 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-27908-6

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受信日: 2022 年 8 月 14 日

受理日: 2023 年 1 月 10 日

公開日: 2023 年 1 月 11 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-27908-6

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