基于纳米压痕技术的破碎煤样力学特性实验研究

摘要

在煤系地层中,与完整坚硬岩石不同,煤体松软破碎、强度低。受地应力和开采扰动的影响,松软破碎煤体内部裂隙进一步发育,强度进一步弱化,很难获得标准的完整煤样进行常规的拉压剪力学测试。煤体力学参数的缺失增加了采煤、掘进、支护和瓦斯抽采等采矿活动的风险。因此,探究新的力学实验方法对于煤矿生产活动非常有必要。文章采用纳米压痕技术测试破碎煤体的硬度、弹性模量和断裂韧度,分析了不同力学参数之间的联系。纳米压痕实验设计4个峰值荷载,每个峰值荷载进行12次实验,阐述了煤的力学特性与峰值荷载之间的关系。结合X射线衍射和扫描电镜实验,讨论了煤样矿物组分对其力学性质的影响规律。实验结果表明,峰值荷载在1~30 mN,煤的硬度和弹性模量不随峰值荷载的增加而明显变化;然而,煤的断裂韧度随峰值荷载的增加有增大的趋势。峰值荷载为1,5,10和30 mN时,煤的平均断裂韧度为0.40,0.36,0.61和0.77 MPa·m0.5。煤的纳米压痕硬度、弹性模量和断裂韧度具有明显的线性关系。硬度和弹性模量之间的线性关系与峰值荷载无关;断裂韧度与弹性模量之间的线性关系受峰值荷载的影响。煤是以有机质为基体的非均质岩土材料,其力学性质和矿物组分密切相关。石英强度高,能够强化煤基质的力学特性;高岭石松软,使煤具有软弱大变形特性。采用纳米压痕技术研究破碎煤体力学特性,具有操作方便,数据可靠和测试精确的优点。