有关力学实验的论文

世界上有确定的东西吗？正如大家所知，1927年3月，海森堡在《量子论的运动学与动力学的知觉内容》论文中，提出了量子力学的另一种测不准关系，海森堡认为，科学研究工作宏观领域进入微观领域时，会遇到测量仪器是宏观的，而研究对象是微观的矛盾，在微观世界里，对于质量极小的粒子来说，宏观仪器对微观粒子的干扰是不可忽视的，也是无法控制点额，测量的结果也就同粒子的原来状态不完全相同。所以在微观系统中，不能使用实验手段同时准确的测出微观粒子的位置和动量，时间和能量。由数学推导，海森堡给出了一个测不准关系式： 。对于微观粒子一些成对的物理量，在这里指位置和动量，时间和能量，不能同时具有确定的数值，其中一个量愈确定，则另一个就愈不确定。所谓测不准关系，主要是普朗克常量h使量子结果与经典结果有所不同。如果h为零，则对测量没有任何根本的限制，这是经典的观点；如果h很小，在宏观情况下，仍然能以很大的精确性同时测定动量与位置或能量与时间的关系，但是在微观的场合就不能同时测定。实验表明，决定微观系统的未来行为，只能是观察结果所出现的概率，测不准关系已经被认为是微观粒子的客观特性。海森堡提出了测不准关系后，立即在哥本哈根学派中引起了强烈的反响，泡利欢呼“现在是量子力学的黎明”，玻尔试图从哲学上进行概括。1927年9月，玻尔在与意大利科摩召开的国际物理学会议上提出了著名的“互补原理”，用以解释量子现象基本特征的波粒二象性，它认为量子现象的空间和时间坐标和动量守恒定律，能量守恒定律不能同时在同一个实验中表现出来，而只能在互相排斥的实验条件下出来不能统一与统一图景中，只能用波和粒子这些互相排斥的经典概念来反映。波和粒子这两个概念虽然是互相排斥的，但两者在描写量子现象是却又是缺一不可的。因此玻尔认为他们二者是互相补充的，量子力学就是量子现象的终极理论。“互补原理”实质上是一种哲学原理，称为量子力学的“哥本哈根解释”。30年代后成为量子力学的“正统”解释，波恩称此为“现代科学哲学的顶峰。”1927年10月在布鲁塞尔第五届索尔卡物理学会议上，量子力学的哥本哈根解释为许多物理学家所接受，同时也受到爱因斯坦等一些人的强烈反对。爱因斯坦为此精心设计了一系列理想实验，企图超越不确定关系的限制来揭露量子力学理论的逻辑矛盾。玻尔和海森堡等人则把量子理论同相对论作比较，有利地驳斥了爱因斯坦。1930年10月第六届索尔卡物理学会议上，爱因斯坦又绞尽脑汁提出了一个“光子箱”的理想实验，向量子力学提出了严峻的挑战。光子箱的结构很简单，一个匣子挂在弹簧称上，一个相机快门一样的装置控制匣子内光子的射出。每次射出光子的时间由快门控制，弹簧称上可以读出整个盒子因光子出射而减少的质量，根据大名鼎鼎的爱因斯坦质能关系： 得出光子的能量，这样原则上时间和能量不存在不能同时确定的问题。 据说玻尔看到这个装置登时口吐白沫，经过紧急抢救时的输氧加上彻夜的苦思之后，玻尔终于搬来了救星，呵呵，那竟然是爱因斯坦本人的广义相对论。发射出光子后，光子箱的质量减少纵然可以精确测出，然而弹簧秤收缩，引力势能减小，根据广义相对论的引力理论，箱子中的时钟会走慢，归根到底时间又是不确定了。 这次轮到爱因斯坦吐血三天了，他费尽心思找来的实验居然成了量子力学测不准关系的绝妙证明，还被玻尔等人堂而皇之的载入他们的论文之中。 既然在微观状态下，存在测不准关系，那么在宏观状态下，还存在测不准关系吗？这个我们应该能得出结论:当然存在测不准关系。我们做实验的时候，一旦到了处理实验数据就要同时算出相应的不确定度。这是为什么呢？测量结果都具有误差，误差自始至终存在于一切科学实验和测量的过程之中。任何测量仪器、测量环境、测量方法、测量者的观察力都不可能做到绝对严密，这就使测量不可避免地伴随着有误差产生。因此，分析测量可能产生的各种误差，尽可能可消除其影响，并对测量结果中未能消除的误差做出估计，就是物理实验和许多科学实验中必不可少的工作。但是，我们只能尽力减小误差，却不能消除它。从上面可以看得出，世界上是不存在测得准的东西的，正所谓世界是辩证统一的，事物是相互影响的，既存在相对性，又存在绝对性。事物的测不准关系，就因为它既有相对性，又有绝对性，而我们通常所说的某某物重多少，高多少，等等看似绝对的数据其实是相对的。在某一个时段里，物体趋向于某个值的概率最大，因而我们就把这个值称作在这个时段里的相对准确值，它本是使不可能测准的。事物之间又存在着相互作用，因而又由于相互作用是具体的，因而是有限的，具有一定的认识意义；而本体则是抽象的，因而是无限的，并不具有任何确定的认识意义。所以，世界上并不存在确定的东西。参考文献：张三慧，《大学物理学<量子物理>》清华大学出版社2000年8月第二版34页35页李士本，张力学，王晓峰《自然科学简明教程》，浙江大学出版社2006年2月第一版，68页.72页 资料来源：

力学是研究有关物质宏观运动规律，及其应用的科学。工程给力学提出问题，力学的研究成果改进工程设计思想。从工程上的应用来说，工程力学包括：质点及工程力学刚体力学，固体力学，流体力学，流变学，土力学，岩体力学等。 人类对力学的一些基本原理的认识，一直可以追溯到史前时代。在中国古代及古希腊的著作中，已有关于力学的叙述。但在中世纪以前的建筑物是靠经验建造的。 1638年3月伽利略出版的著作《关于两门新科学的谈话和数学证明》被认为是世界上第一本材料力学著作，但他对于梁内应力分布的研究还是很不成熟的。 纳维于1819年提出了关于梁的强度及挠度的完整解法。1821年5月14日，纳维在巴黎科学院宣读的论文《在一物体的表面及其内部各点均应成立的平衡及运动的一般方程式》 ，这被认为是弹性理论的创始。其后，1870年圣维南又发表了关于塑性理论的论文水力学也是一门古老的学科。 早在中国春秋战国时期(公元前5～前4世纪)，墨翟就在《墨经》中叙述过物体所受浮力与其排开的液体体积之间的关系。欧拉提出了理想流体的运动方程式。物体流变学是研究较广义的力学运动的一个新学科。1929年，美国的宾厄姆倡议设立流变学学会，这门学科才受到了普遍的重视。研究方法 分实验研究和理论分析与计算两个方面。但两者往往是综合运用，互相促进。实验研究 工程力学包括实验力学，结构检验，结构试验分析。模型试验分部分模型和整体模型试验。结构的现场测试包括结构构件的试验及整体结构的试验。实验研究是验证和发展理论分析和计算方法的主要手段。结构的现场测试还有其他的目的： ①验证结构的机能与安全性是否符合结构的计划、设计与施工的要求； ②对结构在使用阶段中的健全性的鉴定，并得到维修及加固的资料。理论分析与计算 结构理论分析的步骤是首先确定计算模型，然后选择计算方法。 土力学在二十世纪初期即逐淅形成，并在40年代以后获得了迅速发展。在其形成以及发展的初期，泰尔扎吉起了重要作用。岩体力学是一门年轻的学科， 二十世纪50年代开始组织专题学术讨沦，其后并已由对具有不连续面的硬岩性质的研究扩展到对软岩性质的研究。岩体力学是以工程力学与工程地质学两门学科的融合而发展的。 从十九世纪到二十世纪前半期，连续体力学的特点是研究各个物体的性质，如梁的刚度与强度，柱的稳定性，变形与力的关系，弹性模量，粘性模量等。这一时期的连续体力学是从宏观的角度，通过实验分析与理论分析，研究物体的各种性质。它是由质点力学的定律推广到连续体力学的定律，因而自然也出现一些矛盾。 于是基于二十世纪前半期物理学的进展 ，并以现代数学为基础，出现了一门新的学科——理性力学。1945年，赖纳提出了关于粘性流体分析的论文，1948年，里夫林提出了关于弹性固体分析的论文，逐步奠定了所谓理性连续体力学的新体系。 随着结构工程技术的进步，工程学家也同力学家和数学家一样对工程力学的进步做出了贡献。如在桁架发展的初期并没有分析方法，到1847年，美国的桥梁工程师惠普尔才发表了正确的桁架分析方法。电子计算机的应用，现代化实验设备的使用，新型材料的研究，新的施工技术和现代数学的应用等，促使工程力学日新月异地发展。 质点、质点系及刚体力学是理论力学的研究对象。所谓刚体是指一种理想化的固体，其大小及形状是固定的，不因外来作用而改变，即质点系各点之间的距离是绝对不变的。理论力学的理论基础是牛顿定律，它是研究工程技术科学的力学基础。 固体力学包括材料力学、结构力学、弹性力学、塑性力学、复合材料力学以及断裂力学等。尤其是前三门力学在土木建筑工程上的应用广泛，习惯上把这三门学科统称为建筑力学，以表示这是一门用力学的一般原理研究各种作用对各种形式的土木建筑物的影响的学科。 在二十世纪50年代后期，随着电子计算机和有限元法的出现，逐渐形成了一门交叉学科即计算力学。计算力学又分为基础计算力学及工程计算力学两个分支 ，后者应用于建筑力学时，它的四大支柱是建筑力学、离散化技术、数值分析和计算机软件。其任务是利用离散化技术和工程力学数值分析方法，研究结构分析的计算机程序化方法，结构优化方法和结构分析图像显示等。 如按使结构产生反应的作用性质分类，工程力学的许多分支都可以 再分为静力学与动力学。例如结构静力学与结构动力学，后者主要包括：结构振动理论、波动力学、结构动力稳定性理论。由于施加在结构上的外力几乎都是随机的，而材料强度在本质上也具有非确定性。 随着科学技术的进步，20世纪50年代以来，概率统计理论在工程力学上的应用愈益广泛和深入，并且逐渐形成了新的分支和方法，如可靠性力学、概率有限元法等。编辑本段《工程力学》 《工程力学》是由中国科协主管、中国力学学会主办、清华大学土木系承办的以工程应用为特点的全国性学术刊物。主要报导力学在工程及结构中的应用，刊登力学在科研、设计、施工、教学和生产方面具有学术水平、创造性和实用价值的论文，包括力学在土木建筑、水工港工、公路铁路、桥梁隧道、航海造船、航空航天、矿山冶金、机械化工、国防军工、防灾减灾、能源环保等工程中的应用且具有一定学术水平的研究成果。所以，它是力学刊物中专业覆盖面最宽、行业涉及面最广的期刊之一。《工程力学》 主管单位：中国科学技术协会 主办单位：中国力学学会 承办单位：清华大学土木系 出版单位：《工程力学》杂志社[1] 国际统一刊号：ISSN1000-4750 国内统一刊号：CN11-2595/O3 国际刊名代码：(CODEN)GOLIEB 性质及等级：EI全刊收录的一级学会主办的O3力学类核心期刊。百种中国杰出学术期刊。在各类科技期刊排名中，载文量、被引频次及影响因子均位居前列。其中1999年在力学类期刊中影响因子位居第一位，2002年名列第二 年期数：月刊。每年另有两期正规增刊(审批、Ei收录) 印张及版面：16个印张256页，大16K双栏 邮发代号：82-862编辑本段《工程力学》资料 工程力学 作 者： 宋本超，卞西文 主编《工程力学》 出 版 社： 国防工业出版社[2] 出版时间： 2010-1-1 开 本： 16开 I S B N ： 9787118063950 定价：￥内容简介 本书以教育部《关于全面提高高等职业教育教学质量的若干意见》为指导，以“必需、够用”为原则进行编写。本书共20章，由静力学、材料力学以及运动学与动力学三部分组成。静力学部分包括静力学基本概念、简单力系、平面任意力系、空间力系等内容，主要研究受力分析和刚体的平衡问题，是材料力学的基础。材料力学部分包括轴向拉伸或压缩、扭转、剪切与挤压、弯曲变形、强度理论、组合变形和压杆稳定等内容。运动学与动力学部分包括点的运动、刚体的基本运动、点的运动合成、刚体的平面运动、质点和刚体的动力学基础、动能定理以及动静法等内容。为了便于学习，每章后面均附有思考题和习题，并在附录中给出了答案。 本教材可作为高等职业院校机械类、机电类专业的教材。各院校也可以根据学时的安排和专业需要选讲部分内容。目录 第一篇 静力学 引言 第1章 静力学基本概念和物体受力分析 静力学的基本概念 刚体的概念 力的概念 集中力与均布载荷 力系 平衡 静力学公理 力的平行四边形法则（公理一） 二力平衡公理（公理二） 加减平衡力系公理（公理三） 作用和反作用定律（公理四） 约束和约束反力 约束相关概念 常见的约束类型 物体的受力分析和受力图 思考题 习题 第2章 简单力系 汇交力系合成与平衡的几何法 汇交力系合成的几何法 平面汇交力系平衡的几何条件 平面汇交力系合成与平衡的解析法 力在坐标轴上的投影 合力投影定理 平面汇交力系合成的解析法 平面汇交力系平衡的解析条件 力对点之矩与合力矩定理 力对点之矩的概念 合力矩定理 平面力偶理论 力偶的概念 力偶的性质 平面力偶系的合成 平面力偶系的平衡条件 思考题 习题 第3章 平面任意力系 力的平移定理 平面任意力系向一点简化 平面任意力系向一点简化 平面一般力系简化结果 平面任意力系的平衡条件 平面一般力系的平衡条件和平衡方程 平面平行力系的平衡方程¨ 静定与超静定问题的概念及物体系统的平衡 静定与超静定问题 物体系统的平衡 考虑摩擦时的平衡问题 思考题 习题 第4章 空间力系 力在空间直角坐标轴上的投影 力在空间直角坐标轴上的投影 合力投影定理 力对轴的矩 力对轴之矩 合力矩定理 空间力系的平衡及其应用 空间力系的简化 空间力系的平衡方程 空间任意力系的平衡问题转化为平面问题的解法 重心与形心 物体的重心 平面图形的形心 用组合法确定平面组合图形的形心 思考题 习题 第二篇 材料力学 引言 第5章 轴向拉伸和压缩 第6章 剪切与挤压 第7章 圆轴扭转 第8章 弯曲内力 第9章 弯曲应力 第10章 弯曲变形 第11章 应力状态分析和强度理论 第12章 组合变形 第13章 压杆稳定 第三篇 运动学与动力学 引言 第14章 点的运动 第15章 刚体的基本运动 第16章 点的合成运动 第17章 刚体的平面运动 第18章 质点和刚体动力学基础 第19章 动能定理 第20章 动静法 附录Ⅰ 常用图形的几何性质 附录Ⅱ 型钢表 附录Ⅲ 习题答案 参考文献编辑本段《工程力学》资料 书 名: 工程力学 《工程力学》作 者：赵晴 出版社： 机械工业出版社 出版时间： 2009-6-1 ISBN: 9787111266075 开本： 16开 定价: 元内容简介 本教材适用于工科非机类各专业本科生，机械类各专业自学考试本科生，机类各专业专科生，参考学时40-90学时。学时安排可分为三种：少学时（40学时）讲授静力学基础、平面力系平衡方程、杆件四种基本变形强度设计和压杆稳定设计；中学时（65学时）讲授静力学、材料力学全部内容；多学时（90学时）讲授静力学、材料力学、运动力学全部内容。 本教材内容编排以够用为度，兼顾理论体系完整；注重与工程实际问题的联系，重点突出，难点分散；全部插图具有三维效果。为了方便学生的学习，每章配有附录，对本章的知识点进行小结；选择典型问题进行讨论、讲解；总结解题方法；设置思考题供学生学习。为降低学生购书成本，此部分附于随书光盘中。图书目录 序 前言 绪论 第一篇 静力学 第一章 静力学基础 第一节 力的概念及其性质 第二节 力矩的计算 第三节 力偶的计算 第四节 约束与约束力 第五节 物体的受力分析 习题 本章小结及扩展练习（见随书光盘） 第二章 平面力系的简化 第一节 平面汇交力系的简化 第二节 平面力偶系的简化 第三节 平面一般力系的简化 习题 本章小结及扩展练习（见随书光盘） 第三章 静力学平衡问题 第一节 平面力系的平衡条件和平衡方程 第二节 物体系统的平衡问题 第三节 考虑摩擦的平衡问题 第四节 空间一般力系的平衡问题 习题 本章小结及扩展练习（见随书光盘） 第四章 重心及平面图形的几何性质 第一节 物体的重心坐标公式 第二节 平面图形的几何性质 习题 本章小结及扩展练习（见随书光盘） 第二篇 材料学 第五章 材料力学的基本概念 第一节 变形固体的概念 第二节 杆件的内力和应力 第三节 杆件的基本变形和应变 本章小结及扩展练习（见随书光盘） 第六章 杆件的内力和内力图 第一节 直杆轴向拉伸（压缩）时的轴力与轴力图 第二节 轴扭转时的内力及内力图 第三节 梁弯曲时的内力及内力图 习题 本章小结及扩展练习（见随书光盘） 第七章 拉（压）杆件的应力、变形分析与强度设计 第一节 拉伸与压缩杆件的应力与强度设计 第二节 拉伸与压缩杆件的变形 第三节 拉（压）杆超静定问题 第四节 材料受拉伸与压缩时的力学性能 习题 本章小结及扩展练习（见随书光盘） 第八章 剪切挤压实用计算 第一节 剪切与挤压 第二节 剪切与挤压的强度计算 习题 本章小结及扩展练习（见随书光盘） 第九章 圆轴的扭转应力、变形分析与强度、刚度设计 第一节 圆轴扭转时的切应力分析 第二节 圆轴扭转强度设计 第三节 圆轴扭转变形与相对扭转角 第四节 扭转时圆轴的剐度设计 习题 本章小结及扩展练习（见随书光盘） 第十章 梁的强度 第一节 弯曲梁横截面上的正应力 …… 第三篇 运动力学 附录 参考文献 [3]编辑本段《工程力学》资料 《工程力学》 武昭晖 张淑娟 葛序风 主编 16开 2008年8月出版 定价：元 ISBN 978-7-301-13653-9 出版社：北京大学出版社内容简介 本书是依据教育部最新制定的高职高专教育机械类及近机械类专业工程力学课程教学基本要求编写而成的。全书共分3篇12章，第1篇为静力学部分，第2篇为材料力学部分，第3篇为运动学和动力学部分。 本书文字简明，内容精练，简化理论推导，注重理论应用。本书可作为高职高专机械类及近机械类专业60~70学时工程力学课程的教学用书，也可供有关技术人员参考。目录 第1篇 静力学 第1章 静力学的基本概念和物体的 受力分析 第2章 平面力系 第3章 空间力系 第2篇 材料力学 第4章 轴向拉伸与压缩 第5章 剪切与挤压 第6章 圆轴扭转 第7章 平面弯曲 第8 章 强度理论与组合 变形时的强度计算 第3篇 运动学和动力学 第9章 点的运动 第10章 刚体的运动 第11章 动能定理 第12章 动静法编辑本段相关院校 很多理工科学校都开设工程力学这个专业。 研究生专业排名前十的学校分别是（排名依据中国研究生院分专业排名）： 1、大连理工大学 2、上海交通大学 3、同济大学 4、南京航空航天大学 5、哈尔滨工业大学 6、清华大学 7、北京理工大学 8、浙江大学 9、西安交通大学 10、重庆大学

议论文是由论题，论点，论据，论证诸多要素组成。论题，即作者在文章中提出来要进行论述的问题，或说是论证的对像。论点，又叫论断，它是作者对所论述的问题提出的见解，主张和表示的态度。论据，是指用来说明观点的材料。论证，就是运用论据说明论点的逻辑过程和方法。

颜志丰1 琚宜文1 侯泉林1 唐书恒2

基金项目:国家自然科学基金项目(;40972131);国家重点基础研究发展规划(973)课题();国家科技重大专项课题(2009ZX05039-003);中国科学院战略性先导科技专项课题(XDA05030100);河北工程大学博士基金课题。

作者简介:颜志丰,1969年生,男,河北邯郸人,博士后,长期从事能源地质和构造地质研究。Email:。

(1.中国科学院研究生院地球科学学院 北京 1000492.中国地质大学(北京)能源学院 北京 100083)

摘要:为模拟研究煤储层水力压裂效果,对煤样进行了饱水条件下的常规单轴压缩试验和声发射测试。对结果进行分析表明:在常规单轴压缩条件下,煤在平行层面上其力学性质具有方向性差异,平行面割理方向的单轴极限抗压强度要比垂直面割理方向的单轴极限抗压强度大得多,其弹性模量也大得多。煤样在垂直面割理方向弹性模量E随着单轴极限抗压强度σc的增加而增加,相关性较高,平行面割理方向弹性模量E随着抗压强度的增高而增高,但离散性较大。在单轴压缩条件下煤样变形破坏表现出的全应力—应变曲线形态大体可以概括为3种类型。

关键词:单轴压缩试验力学性质各向异性饱和含水率割理

Uniaxial Mechanical Test of Water-saturated Coal Samples in Order to Simulate Coal Seam Fracturing

YAN Zhifeng1 JU Yiwen1 HOU Quanlin1 TANG Shuheng2

( of Earth Science, Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049 of Energy Resources, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083 China)

Abstract: In order to simulate effect of hydraulic fracturing in coal reservoir,conventional uniaxial compres- sion test and acoustic emission test on the water-saturated coal samples were hold. The results showed that the me- chanical properties in parallel to the level of coal have directional difference. Under the conditions of conventional uniaxial compression. The uniaxial limit compressive strength in direction parallel to the face cleat is much larger than it in the vertical, so is the elastic modulus. The elastic modulus of coal increased with the increasing of com- pressive strength, however it is higher correlation in the direction of vertical face cleat, but a larger dispersion in parallel. The complete stress-strain curve shape showed by deformation of coal samples under uniaxial compression can be roughly summarized as 3 types.

Keyword: uniaxial compression test; mechanical properties; Anisotropy; saturated water content; cleat

1 前言

煤层气是储存于煤层内的一种非常规天然气,其中CH4含量多数大于90%,是一种优质洁净的气体能源(单学军,2005)。我国煤层气资源十分丰富,根据新一轮全国煤层气资源评价结果,在全国19个主要含煤盆地,适合煤层气勘探的埋深300~2000m范围内,预测煤层气远景资源量为万亿m3。煤层气主要是以吸附状态存在于煤层内,也有少量以游离状态存在于孔隙与裂缝中(Smith D M,1984)。就孔隙结构而言,煤的孔隙结构可分为裂缝性孔隙和基岩孔隙。人们又习惯地把煤岩中的内生裂缝系统称为割理。其中面割理连续性较好,是煤中的主要裂隙,端割理是基本上垂直于面割理的裂缝,只发育在两条面割理之间,把基岩分割成一些长斜方形的岩块体(李安启,2004)。

渗透率高的煤层产气量往往较高,而低渗透率的煤层产气量较低。水力压裂改造措施是国内外煤层气井增产的主要手段。而我国的煤层气储层普遍属于低渗透煤储层,研究表明:我国煤层渗透率大多小于50×10-3μm2(张群,2001)。因此,目前国内的煤层气井采用最广泛的完井方法是压裂完井,煤层和砂岩的岩性特征有很大的区别,压裂施工中裂缝在煤层中的扩展规律与在砂岩中的扩展规律也不相同,为了解煤层的压裂特征和压裂效果就需要对煤层压裂进行模拟研究,要进行模拟研究就需要研究煤岩的力学性质。

通过试验研究煤岩的力学性质,发现煤岩具有尺寸效应——即煤岩的尺寸对试验结果具有影响,Daniel和Moor在1907年就指出(Daniels J,1907):小立方体的屈服强度高于大立方体,而且当底面积保持常数时,随着试块高度的增加,其屈服强度降低。研究过煤岩尺寸效应的还有Bunting(Bunting )。Hirt和Shakoor(Hirt A M,1992),Med-hurst和Brown(Medhurst T P,Brown E ),吴立新(1997),刘宝琛(1998),靳钟铭(1999)等。

由于单轴力学性质试验结果受尺寸、形状等因素制约,因此进行单轴岩石压缩试验时,对试验样品的加工有一定的要求,通常试件做成圆柱体,一般要求圆柱体直径48~54mm,高径比宜为,试件端面光洁平整,两端面平行且垂直于轴线。

2 试验方法说明

在单轴压缩应力下,煤块产生纵向压缩和横向扩张,当应力达到某一量级时,岩块体积开始膨胀出现初裂,然后裂隙继续发展,最后导致破坏(闫立宏,2001)。为避免其他因素的影响,采用同一试样,粘贴应变片,在测试强度过程中同时用电阻应变仪测定变形值。

煤样制备和试验方法

实验煤样采自沁水盆地南部晋煤集团寺河煤矿3#煤层。煤样制备和试验方法参照中华人民共和国行业标准《水利水电工程岩石试验规程(SL264-2001)》(中华人民共和国水利部.2001),以及国际岩石力学学会实验室和现场试验标准化委员会提供的《岩石力学试验建议方法》(郑雨天,1981)进行的。沿层面方向在大煤块上钻取直径为50mm,高为100mm的圆柱样,煤样轴向均平行煤岩层面。为研究平行面割理和垂直面割理方向煤岩力学性质的差异,制备了两组煤样。一组煤样平行面割理方向,样品数10个,编号DP1-DP10;另一组煤样垂直面割理方向,样品数10个,编号DC1-DC10。试验前对煤样进行了饱水处理(48h以上)。单轴实验设备为WEP-600微机控制屏显万能试验机。记录设备为30吨压力传感器,7V14程序控制记录仪。数据处理设备为联想杨天E4800计算机及相应的绘图机、打印机。试验工作进行前测试了煤样的物理性质,对试件进行了饱水处理。进行单轴压缩试验的煤样条件见表1。

表1 煤样条件

计算公式

单轴抗压强度计算公式

中国煤层气技术进展:2011年煤层气学术研讨会论文集

式中:σc为煤岩单轴抗压强度,MPa;Pmax为煤岩试件最大破坏载荷,N;A为试件受压面积,mm2。

弹性模量E、泊松比μ计算公式:

中国煤层气技术进展:2011年煤层气学术研讨会论文集

式中:E为试件弹性模量,GPa;σc(50)为试件单轴抗压强度的50%,MPa;εh(50)为σc(50)处对应的轴向压缩应变;εd(50)为σc(50)处对应的径向拉伸应变;μ为泊松比。

3 试验结果与分析

加载轴线方向对煤块的抗压强度σc和弹性模量有显著的影响。

试验结果数据见表2。从表中可以看出,平行面割理方向的单轴极限抗压强度要比垂直面割理方向的单轴极限抗压强度大得多,其弹性模量也大得多,抗拉强度平均值高出2/3,而弹性模量更是高出一倍。这说明即使在平行煤的层面上其力学性质也具有方向性,不同方向上其值大小有显著差异。

表2 煤样单轴抗压强度试验结果

注:DP9沿裂隙面破裂,没有参与力学性质分析。

煤是沉积岩,小范围内同一煤分层在形成环境、形成时代上都是相同的,可以认为小范围内在平行煤的层面上,煤的组分、煤质等是均匀的,变化非常小,所以沿平面上力学性质的差异与煤质、组分等关系不大。推测其原因是由于在地史上受到构造应力的影响,构造应力具有方向性,在不同的方向上其大小不同,使煤在不同的方向上受到地应力作用的大小程度也不同,导致煤在不同方向上结构有所不同,从而表现出来在不同方向上力学性质的差异,在受力较大的方向上可能会表现出较大的强度。由于在构造力作用下沿最大主应力方向裂隙最容易发育,发育程度也应该较好,沿最小主应力方向上裂隙发育程度要差些。发育好的裂隙往往形成面割理,因而在平行面割理的方向上抗压强度和弹性模量都高,而在垂直面割理的方向上其值相对就会小些。

煤岩单轴极限抗压强度与其他性质之间的关系

由表2可知煤样的抗压强度离散性较大,影响因素是什么?煤的密度与含水状态对单轴抗压强度有什么影响?现分析如下:

图1-a表示了极限抗压强度σc与饱和密度ρw之间的关系。从图中可以看出,无论是C组、P组还是全部样品,随着饱和密度的增加,煤块的极限抗压强度都有增加的趋势,说明随着饱和密度的增加,抗压强度有增加的趋势。

图1 σc与其他性质之间的关系

图1-b表示极限抗压强度σc与饱和吸水率ωs之间的关系。从图中可以看出,C组样品随饱和吸水率的增加抗压强度有减少的趋势,而P组样品单轴抗压强度和饱和吸水率的相关性非常低,可以认为饱和吸水率对P组样品没有影响。由此可见,饱和吸水率的增高使垂直面割理方向的抗压强度降低,而对平行面割理方向的单轴极限抗压强度影响很小。

图1-c表示单轴极限抗压强度σc与弹性模量E之间的关系。从图中可以看出C组样品单轴极限抗压强度σc与弹性模量E之间具有明显的正相关性,即垂直于面割理方向的单轴极限抗压强度随着弹性模量的增加而增加,P组样品具有不明显的线性正相关,即平行于面割理方向的单轴极限抗压强度σc与弹性模量E的增加而增加,但离散性较大。

图1-d表示单轴极限抗压强度σc与泊松比μ之间的关系。从图中可以看出C组样品单轴抗压强度与泊松比之间具有较明显的负相关关系,也就是说垂直于面割理的单轴抗压强度随着泊松比的增高而降低;但是P组样品的相关性很低,即平行于面割理方向的单轴极限抗压强度σc与泊松比的变化无关。

弹性模量和其他性质之间的关系

图2-a表示弹性模量E与泊松比μ之间的关系。从图中可以看出C组样品、P组样品及全部样品相关性均不明显。说明弹性模量与泊松比之间的变化互不影响。

图2 弹性模量E与其他性质之间的关系

图2-b表示弹性模量E与饱和密度ρw之间的关系。从图中可以看出无论C组还是P组,样品弹性模量与饱和密度相关性非常弱,可以认为不相关。由此可见弹性模量不受饱和密度变化的影响。

图2-c表示弹性模量E与饱和吸水率ωs之间的关系。从图中可以看出C组样品弹性模量与饱和吸水率相关性较高,呈明显的负相关关系;但是P组样品的相关性却很低,几乎不相关。由于C组样品以垂直轴向的裂隙为主,在压力作用下煤样的变形等于煤岩本身的变形再加上水的变形,水是液体,在压力作用下很容易变形,在压力不变的情况下随着水含量的增加变形随之增大,而产生较大的轴向变形,导致C组的煤样随着含水量的增加弹性模量变小。而P组样品裂隙以平行轴向为主,尽管在饱水的情况下裂隙中完全充填了水,但由于水含量很少,承载压力的主要是煤岩本身,变形量也是由煤岩本身决定的,因此它与含水量关系不明显。

泊松比和其他性质之间的关系

由图3-a中可以看出C组样品、P组样品和全部样品的泊松比与饱和密度之间散点图均比较离散,相关性很低,也可以说它们不相关。

由图3-b中可以看出C组样品、P组样品和全部样品的泊松比与饱和吸水率之间相关性很低,可以认为它们不相关。

煤岩单轴压缩全应力—应变曲线类型

岩石试件从开始受压一直到完全丧失其强度的整个应力应变曲线称为岩石的全应力应变曲线(重庆建筑工程学院,1979)。大量岩石单轴压缩实验表明,岩石在破坏以前的应力应变曲线的形状大体上是类似的,一般可分为压密、弹性变形和向塑性过渡直到破坏这三个阶段。

煤是一种固体可燃有机岩石,由于成煤物质的不同及聚煤环境的多样化,煤的岩石组分、结构特征比较复杂。因此,在单轴压缩条件下煤样变形破坏机制及表现出的全应力—应变曲线形态多种多样,大体可以概括为3种类型。

迸裂型

应力—应变曲线压密阶段不明显,加速非弹性变形阶段很短,曲线主要呈现表观线弹性变形阶段直线,直到发生破坏,见图4-a。具有迸裂型全应力—应变曲线特征的煤样,通常均质性较好、强度较大、脆性较强,其抗压强度通常很高。煤样在整个压缩变形过程中,积聚了大量弹性应变能,而由于发生塑性变形而耗散的永久变形能相对较小。因此,当外部应力接近其极限强度而将要发生破坏时,煤岩内积聚的大量弹性应变能突然、猛烈地释放出来并发出较大声响,形成一个很高的声发射峰值。

图3 泊松比μ与饱和吸水率ωs之间的关系

图4 煤岩样品应力—应变关系曲线图

破裂型

应力较低时,出现曲折的压密阶段,当应力增加到一定值时,应力—应变曲线逐渐过渡为表观线弹性变形阶段;最后变为加速非弹性变形阶段,直到发生破坏,见图4-b。试件随荷载的增加,煤样受力结构逐渐发生变化,同时出现局部张性破坏,但整体仍保持完整,并在变形过程中也积聚了一定的弹性应变能。当外部应力接近其抗压强度,即煤岩发生加速变形时,煤岩中积聚的弹性应变能就突然释放,产生较高的声发射值,破坏时声发射强度又变得非常低。

稳定型

应力—应变曲线压密阶段不明显,表观线弹性变形阶段呈略微上凸的直线,加速非弹性变形阶段较长,见图4-c。试件随荷载的增加,煤样受力结构逐渐发生变化,同时出现局部张性破坏,并在变形过程积聚的弹性应变能释放,形成振铃计数率峰值,随后振铃计数率迅速降低,并在加速非弹性变形阶段开始时出现新的振铃计数率峰值,接近破坏时又出现一次振铃计数率峰值。破坏时声发射强度又变得非常低。

4 结论

通过上面对沁水盆地寺河煤矿3号煤力学试验,可以得出如下结论:

(1)煤岩单轴抗压强度和弹性模量等力学性质在平行煤层的平面上具有方向性差异,平行面割理方向的单轴极限抗压强度要比垂直面割理方向的单轴极限抗压强度大得多,其弹性模量也大得多。

(2)煤的极限抗压强度σc随着饱和密度ρw的增加而增加;极限抗压强度σc在垂直于面割理方向上随饱和吸水率ωs的增加而减少,而在平行面割理方向上与饱和吸水率无关;单轴极限抗压强度σc随着弹性模量E的增加而增加,在垂直面割理方向上相关程度较高,在平行面割理方向上离散性较大。单轴极限抗压强度σc在垂直面割理方向上随着泊松比μ增加而减小,而在平行面割方向上与泊松比无关。

(3)弹性模量E的变化不受泊松比变化的影响,同时也不受饱和密度的影响;垂直面割理方向弹性模量随着饱和吸水率ωs的增加而减小,而平行面割理方向弹性模量与饱和吸水率无关。

(4)泊松比μ的变化既不受饱和密度变化的影响,也不受饱和吸水率ωs变化的影响。

(5)在单轴压缩条件下煤样变形破坏表现出的全应力—应变曲线形态大体可以概括为3种类型:(1)迸裂型;(2)破裂型;(3)稳定型。

参考文献

单学军,张士诚,李安启等.2005.煤层气井压裂裂缝扩展规律分析.天然气工业,25(1),130~132

靳钟铭,宋选民,薛亚东等.1999.顶煤压裂的实验研究.煤炭学报,24(1),29~33

李安启,姜海,陈彩虹.2004.我国煤层气井水力压裂的实践及煤层裂缝模型选择分析.天然气工业,24(5),91~94

刘宝琛,张家生,杜奇中等.1998.岩石抗压强度的尺寸效应.岩石力学与工程学报,17(6),611~614

吴立新.1997.煤岩强度机制及矿压红外探测基础实验研究.北京:中国矿业大学.

闫立宏,吴基文.2001.煤岩单轴压缩试验研究.矿业安全与环保,28(2),14-16

张群,冯三利,杨锡禄.2001.试论我国煤层气的基本储层特点及开发策略.煤炭学报,26(3),230~235

郑雨天等译.1981.国际岩石力学学会实验室和现场标准化委员会:岩石力学试验建议方法.北京:煤炭工业出版社

中华人民共和国水利部.2001.水利水电工程岩石试验规程(SL264~2001).北京:地质出版社

重庆建筑工程学院,同济大学编.1979.岩体力学.北京:中国建筑工业出版社

Bunting D. 1911. Pillars in Deep Anthracite Mine. Trams. AIME,(42), 236～245

Daniels J, Moore L D. 1907. The Ultimate Strength of Coal. The Eng. and Mining,(10), 263～268

Hirt A M,Shakoor A. 1992. Determination of Unconfined Compressive strength of Coal for pillar Design. Mining Engineer- ing, (8), 1037 ～1041

Medhurst T P, Brown E T. 1998. A study of the Mechanical Behavior of Coal for Pillar Design. Int. J. Rock. Min. (8), 1087～1104

Smith D M, Williams F effects in the recovery of methane from coalbeds. SPE, 1984: 529～～535

双峰二中创建八十年，培养人才三万余人。在教育、科技、军政、工农、艺术各界出现了众多有成就的人物。据1996年建校七十周年时的不完全统计：教育战线大学的正副教授、中学的特级教师，科技战线高级工程师以上，军政界地师级以上，工农战线的企业家、养殖家以及艺术、技能方面有突出成就或有著作问世者，总数在五百人以上。以下仅为部分之简单介绍。 （转自《双峰二中七十周年校庆纪念册》） 欧阳崇一 又名欧阳祜，青树坪人，起陆高小一班毕业。湖南和平解放前夕，任国min党第一兵团司令部第四处上校处长，主管后勤业务。积极趋向弃暗投明，抗拒执行白崇禧对长沙的破坏命令，促使司令员陈明仁和平起义。和平解放后，任兵团军需处长、省政府参事、省政协委员等职。他对母校感情甚深，曾来信说：“我1949年能走向光明，是与母校的教育分不开的，堪可告慰。” 匡燕鸣 双峰人，起陆高小四班毕业。1960年及1979年两次回校任党支书、校长。工作刻苦实干，文化大革命后拨乱反正，恢复学校元气，备著辛劳。荣膺全国教育战线劳动模范称号。后调任双峰一中党支书、校长。 戴鸿仪 青树坪人，起陆高小十一班毕业。四十年代曾回起陆初中任教，是有名数理老师。中国矿业大学北京研究生部教授，其与人合作发明的“矿用强力运输带横向断裂预报装置”获国家专利。享受国家特殊津贴。 欧阳谦叔 又名欧阳熙，青树坪人，起陆高小十六班毕业。曾任湖北歌剧团编剧、作曲。是著名歌剧《洪湖赤卫队》的主要作曲者。国家一级作曲家。其论文《歌剧探索三十年》曾发表于北京《音乐理论》杂志及《中国歌剧艺术文集》。1990年，他与爱人一同回到母校与师生们联欢，后又为母校校歌作曲。 欧阳骅 青树坪人，起陆初中十二班毕业。空军航空医学研究所研究员、教授、硕士和博士论文评审委员。编写了《中国航空百科词典》、《中国医学检验全书》及论文40余篇。所发明“管式液冷防暑降温背心”获国家专利。对母校怀有深厚感情，为庆祝母校七十周年校庆与爱人曾月英捐出多年积蓄设希望奖，要求奖励家庭困难而品学兼优的学生，以报答国家和母校对他们的培育之恩。 王文介 双峰县花门镇人，起陆初中十三班毕业。中国科学院南海海洋研究员、国际海洋研究委员会中国工作组委员、硕士研究生导师、国家特殊津贴获得者。获得过中国科学院科技进步二等奖，广东省科技进步特等奖、国家海洋局科技成果三等奖。主持和参与专门著作16本。有论文和译文60余篇在国内有关学报刊物发表。 曾月英（女） 青树坪人，起陆初中十五班毕业。1956年考入空军第二飞行学院，毕业后，分配空军专机师任飞行员，担任过中央首长专机机长。1987年被授予空军上校，一级飞行员。其机组获“英雄机组”称号，个人曾荣立二等功一次，三等功二次。三十年飞行近五千个小时，行程达200万公里，飞过四十多次专机，参加过常年的战备值班，执行过临时的抢险救灾，均安全而出色地完成了任务。 王影 原名李醒辰，永丰镇人，二中初五班毕业。1963年大学毕业后分配在林业部湖南农林工业设计研究院工作，并任该院副总工程师。他主持、设计的工程，多次获部、省奖励及先进称号。由于他的突出贡献，1993年起，享受政府特殊津贴。系民盟湖南省委副主委，第六届省政协委员，省八届人大常委。 李希特 双峰人，二中初十五班毕业。现为县文化局干部，中国剪纸学会会员、农工民主党县委常委、政协双峰常委。1995年，联合国教科文组织和中国民间文艺家协会联合授予他“民间工艺美术家”称号。有作品百余幅在报刊发表，并多次在展出中获奖。其《凤朝阳》《凤凰戏牡丹》经选送日本、瑞典展出。其三分钟人像剪影，以快、准、美受到中外好评，誉为“湘中一绝”。 欧阳梦轲 青树坪人，二中初二十一班毕业。1985年临池学书，兼学装裱。1988年获全省农民书法大奖赛三等奖，1990年获全省国土杯书法大赛二等奖，1993年获国际和平杯书法赛三等奖。其作品编入《中国国际艺术大观》。《人民日报》及《人事与人才》报道了其自学成才的事迹。 王振华 青树坪人，二中高一、二班毕业。乘改革开放东风，在农村发展养殖事业。全国养猪协会副理事长、湖南省动物人参系列产品开发公司总经理。荣获全国农村科普工作先进个人、全国科技致富能手、湖南省优秀科技工作者等称号。 谢和平 双峰县甘棠镇人，二中高三十一班毕业。现任四川大学校长、教授、博士生导师。中国科学院国际材料物理中心成员。他在岩石损伤力学和分形几何结合方面取得了开创性的成果，从而推动岩石力学的发展，他的学术成果在国内外产生了较大的影响。1992年被评为中国青年科学家。被聘至美、英、波兰、德国各大学讲学。共发表论文40余篇，英文著作3部，中文著作2部。