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| CAE分析 |
煤层属沉积岩类，同其他种类的岩石一样具有明显的非均质性。煤体中分布着大量的孔隙、裂隙、层理等诸多类型的缺陷，这些缺陷不仅影响煤样的强度，也会影响变形。煤样三轴压缩试验全程应力-应变曲线含有丰富的信息，是研究煤样的力学特性、确定其本构关系的物理基础。煤矿井下煤巷和采场周围的煤体处于两向或三向应力状态，在煤巷掘进和工作面回采过程中，煤层始终受到工作面前方移动支承压力的加、卸载作用。
岩石变形和强度特征与所受应力状态有关。相关研究对大理岩、花岗岩、砂岩等进行常规三轴加载与固定轴向位移的三轴卸围压试验，并对不同应力条件下的变形模量及强度参数进行了对比分析。尤明庆和华安增采用对岩样三轴加载后保持轴向变形降低围压的试验的方法，利用轴压随围压的变化曲线来确定岩石材料的泊松比。高春玉等对大理岩加卸载三轴试验，并分析不同应力路径下的变形模量及强度参数特征。申卫兵和张保平对不同煤种进行了三轴压缩试验，研究不同煤种的强度、弹性模量、泊松比随围压的变化规律。V.L.Shkuratinik等分别对煤样进行单轴和三轴压缩试验，研究煤样在单轴和三轴压缩全过程中声发射的变化规律，有限元分析得出煤样应力-应变全程曲线与声发射特性的对应关系。康卫勇等对中硬大煤样进行压缩试验研究，得出了其强度与受载面积的变化关系式，并对煤样压缩过程中裂隙演化过程进行分析。近年来国内外学者对岩石在不同应力路径加载试验进行大量研究，已取得相当多的研究成果。煤样由于加工困难、均质性相对较差、试验结果离散性大等原因，使得煤样试验研究成果相对较少，对煤样不同应力路径加载试验研究成果报道更少。在室内研究不同应力路径条件下煤样的强度和变形特征，对煤矿井下巷道、采场支护设计和围岩稳定性判定等均有重要工程实践意义。在RMT-150B岩石力学试验系统上通过对煤样进行常规单轴、常规三轴和三轴卸围压试验，分析煤样在不同应力路径条件下的强度和变形特征，为全煤巷道和回采工作面支护设计时力学参数的选择提供参考依据。
试验所用煤样采自河南省义马煤业集团杨村煤矿2-1煤层，煤种为长焰煤，煤层的平均厚度为5.5 m。由于煤的裂隙比较发育，为尽可能保持煤样原有的状态，煤样从工作面煤壁上选取比较完整的大煤块。煤样按照有关规程的要求，沿垂直层理方向加工成φ50 mm×100 mm的圆柱体煤样13个，并在RMT-150B岩石力学试验系统上进行单轴压缩、常规三轴压缩和三轴卸围压试验，3种应力路径方式见图。
试验程序如下：
试验程序1：单轴压缩试验加载路径为OA，采用位移控制，加载速率为0.002 mm/s，轴向采用5mm的位移传感器测量煤样的轴向位移，100 kN的力传感器测量煤样的轴向荷载。重复制作4个煤样，序号为B1，B2，B3，B4。
试验程序2：常规三轴压缩试验加载路径为OD→DB，围压分别选用5，10，20，25 MPa。采用位移控制，轴向加载速率为0.002 mm/s，围压加载速率为0.5 MPa/s。采用5 mm的位移传感器测量煤样的轴向位移，1 000 kN的力传感器测量煤样的轴向荷载；首先按静水压力条件逐步施加σ1=σ3至预定的围压值，然后连续施加轴压直至煤样破坏。共制作4个煤样，序号为B5，B6，B7，B8。
试验程序3：三轴卸围压试验加载路径为OE→EF→FC，初围压同样分别选用5，10，15，20，25MPa。采用力控制，轴压加载速率为0.5 kN/s，围压加卸载速率均为0.5 MPa/s。采用5 mm的位移传感器测量煤样的轴向位移，1 000 kN的力传感器测量煤样的轴向荷载；首先按静水压力条件逐步施加σ1=σ3至预定的围压值，在连续施加轴压至该围压条件下极限承载能力的70%左右，且超过煤样单轴压缩强度，然后在保持主应力差σ1−σ3不变的条件下逐步降低围压直至煤样破坏。共制作5个煤样，序号为B9，B10，B11，B12，B13。
煤样常规单轴压缩、常规三轴压缩和三轴卸围压试验的力学参数在表1中给出，其中，围压σ3为煤样破坏时瞬时围压值；强度σ1为在该围压条件下的轴向极限承载能力；弹性模量E为煤样压缩轴向应力–应变曲线直线段的斜率。
