Simulation study on strength and failure characteristics of coal-rock composite sample with coal persistent joint

• Autorzy: Yin Dawei , Chen Shaojie , Chen Bing , Xia Zhiguo

Identyfikatory

DOI

10.24425/ams.2019.129372

Warianty tytułu

PL

Badanie symulacyjne charakterystyk wytrzymałościowych próbki kompozytowej złożonej z materiału skalnego oraz węgla w którym występują płaszczyzny łupliwości

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Dynamic Mine disasters can be induced by the instability and failure of a composite structure of rock and coal layers during coal mining. Coal seam contains many native defects, severely affecting the instability and failure of the compound structure. In this study, the effects of coal persistent joint on the strength and failure characteristics of coal-rock composite samples were evaluated using PFC2D software. The results show that with the increase of included angle α between the loading direction and joint plane direction, the uniaxial compressive stress (UCS) and peak strain of composite samples first decrease and then gradually increase. The elastic moduli of composite samples do not change obviously with α. The peak strain at α of 45° is the lowest, and the UCS at α of 30° is the smallest. This is inconsistent with theoretical analysis of lowest UCS at α of 45°. This is because that the local stress concentration caused by the motion inconformity of composite samples may increase the average axial stress of upper wall in PFC2D software. Moreover, the coal persistent joint promotes the transformation from the unstable crack expansion to the macro-instability of composite samples, especially at α of 30° and 45°. The majority of failures for composite samples occur within the coal, and no obvious damage is observed in rock. Their failure modes are shear failure crossing or along the coal persistent joint. The failure of composite sample at α of 30° is a mixed failure, including the shear failure along the persistent joint in coal and tensile failure of rock induced by the propagation of coal persistent joint.

PL

Niekorzystne zjawiska dynamiczne w kopalniach mogą być wywołane przez niestabilność i pękanie struktur kompozytowych złożonych z warstw węgla i materiałów skalnych w trakcie eksploatacji górniczej. W złożu węgla ujawnić się mogą liczne defekty wewnętrzne, które w poważnym stopniu rzutują na stabilność i wytrzymałość złożonej struktury. W pracy tej zbadano wpływ spoistości węglu (występowania powierzchni łupliwości) na charakterystykę wytrzymałościową próbki kompozytowej złożonej z węgla i skały z wykorzystaniem oprogramowania PCF 2D. Wyniki symulacji wskazują, że wraz ze wzrostem kąta α pomiędzy kierunkiem działania obciążenia a płaszczyzną łupliwości, jednoosiowe naprężenie ściskające oraz maksymalne odkształcenie próbki kompozytowej w pierwszym etapie zmniejszą się, a następnie zaczną stopniowo wzrastać. Moduł sprężystości próbek kompozytowych nie ulega zmianie wraz ze zmianą kąta α. Maksymalne odkształcenie będzie najmniejsze dla kąta α równego 45°, z kolei jednoosiowe naprężenie ściskające zarejestrowane dla 30° okaże się najniższe. Wyniki te nie wykazują zgodności z wynikami analiz teoretycznych, przewidujących iż najniższe wartości jednoosiowego naprężenia ściskającego powinny wystąpić dla kąta 45°. Dzieje się tak dlatego, że lokalne koncentracje naprężeń wskutek odmienności zachowania poszczególnych składników próbki w trakcie ruchu powodować mogą wzrost średniego naprężenia osiowego ściany górnej, co uwzględnia model z wykorzystaniem oprogramowania PFC 2D. Ponadto, istnienie ciosu i płaszczyzn łupliwości sprawia, że niestabilne i propagujące szczeliny ulegają przekształceniu w makro- niestabilności próbek kompozytowych, zwłaszcza przy kącie α równym 30° i 45°. Większość pęknięć powstających w próbkach kompozytowych występuje w części węglowej, w pozostałych skałach nie notuje się poważniejszych uszkodzeń. Pęknięcia zmęczeniowe w części złożonej z materiału skalnego odbywają się wskutek działania naprężeń ścinających wzdłuż lub w poprzez płaszczyzny łupliwości. Pękanie zmęczeniowe próbki kompozytowej przy kącie α równym 30° jest procesem złożonym, obejmującym pękanie wskutek naprężeń ścinających działających wzdłuż płaszczyzny łupliwości w węglu oraz naprężeń rozciągających działających na część próbki złożoną z materiału skalnego, wskutek propagacji pęknięcia.

Słowa kluczowe

EN

particle flow simulation; coal-rock composite sample; coal persistent joint; strength and failure characteristics; microcrack number evolution

PL

symulacja PFC; próbka kompozytowa złożona z węgla i materiału skalnego; spoistość węgla; charakterystyka wytrzymałościowa; ewolucja mikro-pęknięć

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2019
• Tom: Vol. 64, no. 3
• Strony: 609--623
• Opis fizyczny: Bibliogr. 36 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Yin Dawei

• State Key Laboratory of Mine Disaster Prevension and Control, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China

autor

Chen Shaojie

• State Key Laboratory of Mine Disaster Prevension and Control, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China

autor

Chen Bing

• State Key Laboratory of Mine Disaster Prevension and Control, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China

autor

Xia Zhiguo

• State Key Laboratory of Mine Disaster Prevension and Control, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China

Bibliografia

• [1] Bao C.Y., Tang C.A., Cai M., Tang S.B., 2013. Spacing and failure mechanism of edge fracture in two-layered materials. International Journal of Fracture 181, 2, 241-255.
• [2] Cao R.H., Cao P., Lin H., Pu C.J., Ou K., 2016. Mechanical behavior of brittle rock-like specimens with pre-existing fissures under uniaxial loading, experimental studies and particle mechanics approach. Rock Mechanics and Rock Engineering 49, 3, 763-783.
• [3] Chen S.J., Yin D.W., Jiang N., Wang F., Guo W.J., 2019. Simulation study on effects of loading rate on uniaxial compression failure of composite rock-coal layer. Geomechanics and Engineering 17, 4, 333-342.
• [4] Chen S.J., Yin D.W., Zhang B.L., Ma H.F., Liu X.Q., 2017. Study on mechanical characteristics and progressive failure mechanism of roof-coal pillar structure body. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering 37, 7, 1588-1598.
• [5] Cundall P.A., Strack, O.D.L., 1979. A discreate numerical model for granular assemblies. Géotechnique 29, 1, 47-65.
• [6] Espinoza D.N., Pereira J.M., Vandamme M., Dangla P., Vidal-Gilbert S., 2015. Desorption-induced shear failure of coal bed seams during gas depletion. International Journal of Coal Geology 137, 142-151.
• [7] Gholami R., Rasouli V., 2014. Mechanical and elastic properties of transversely isotropic slate. Rock Mechanics and Rock Engineering 47, 5, 1763-1773.
• [8] Huang B.X., Liu J.W., 2013. The effect of loading rate on the behavior of samples composed of coal and rock. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences 61, 23-30.
• [9] Hauquin T., Gunzburger Y., Deck O., 2018. Predicting pillar burst by an explicit modelling of kinetic energy. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences 107, 159-171.
• [10] Itasca Consulting Group. 2008. PFC2D (Particle Flow Code in 2 Dimensions) Fish in PFC2D. Itasca Consulting Group, Minneapolis, Minn, USA.
• [11] Huang Y.H., Yang S.Q., 2015. Discrete element study on strength and failure behavior of jointed sandstone with two sets of cross-joints. Journal of China Coal Society 40, S1, 76-84.
• [12] Kulatilake P.H.S.W., Malama B., Wang J., 2001. Physical and particle flow modeling of jointed rock block behavior under uniaxial loading. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences 38, 5, 641-6579.
• [13] Lama R.D., Bodziony J., 1998. Management of outburst in underground coal mines. International Journal of Coal Geology 35, 1-4, 83-115.
• [14] Lee H., Jeon S., 2011. An experimental and numerical study of fracture coalescence in pre-cracked specimens under uniaxial compression. International Journal of Solids and Structures 48, 6, 979-999.
• [15] Li X.B., Feng F., Li D.Y., Du K., Ranjith P.G., Rostami J., 2018. Failure characteristics of granite influenced by sample height-to-width ratios and intermediate principal stress under true-triaxial unloading conditions. Rock Mechanics and Rock Engineering 51, 5, 1321-1345.
• [16] Liang Z.Z., Xing H., Wang S.Y., Williams D.J., Tang C.A., 2012. A three-dimensional numerical investigation of the fracture of rock specimens containing a pre-existing surface flaw. Computers and Geotechnics 45, 19-33.
• [17] Liu B., Yang R.H., Guo D.M., Zhang D.Z., 2004. Burst-prone experiments of coal-rock combination at -1000 m level in Suncun coal mine. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering 23, 14, 2402-2408.
• [18] Liu J., Wang E.Y., Song D.Z., Wang S.H., Niu Y., 2015. Effect of rock strength on failure mode and mechanical behavior of composite samples. Arabian Journal of Geosciences 8, 7, 4527-4539.
• [19] Liu Q., Nie W., Hua Y., Peng H.T., Liu C.Q., Wei C.H. 2019. Research on tunnel ventilation systems:dust diffusion and pollution behaviour by air curtains based on CFD technology and field measurement. Building and Environment. 147, 444-460.
• [20] Lu C.P., Liu G.J., Liu Y., Zhang N., Xue J.H., Zhang L., 2015. Microseismic multi-parameter characteristics of rockburst hazard induced by hard roof fall and high stress concentration. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences 76, 18-32.
• [21] Manouchehrian A., Sharifzadeh M., Marji M.F., Gholamnejad J., 2014. A bonded particle model for analysis of the flaw orientation effect on crack propagation mechanism in brittle materials under compression. Archives of Civil and Mechanical Engineering 14, 1, 40-52.
• [22] Park J.W., Song J.J., 2009. Numerical simulation of a direct shear test on a rock joint using a bonded-particle model. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences 46, 8, 1315-1328.
• [23] Paul A., Singh A.P., John L.P., Singh A.K., Khandelwal M., 2012. Validation of RMR-based support design using roof bolts by numerical modeling for under ground coal mine of Monnet Ispat, Raigarh, India-a case study. Arabian Journal of Geosciences 5, 6, 1435-1448.
• [24] Petukhov I.M., Linkov A.M., 1979. The theory of post-failure deformations and the problem of stability in rock mechanics. International Journal of Rock Mechanics and Mining Science and Geomechanics Abstracts 16, 2, 57-76.
• [25] Poulsen B.A., Shen B., Williams D.J., Huddlestone-Holmes C., Erarslan N., Qin J., 2014. Strength reduction on saturation of coal and coal measures rocks with implications for coal pillar strength. International Journal of Rock Mechanics and Mining Science 71, 41-52.
• [26] Potyondy D.O., Cundall P.A., 2004. A bonded-particle model for rock. International Journal of Rock Mechanics and Mining Science 41, 8, 1329-1364.
• [27] Rafael R., Cristobal L., 2010. Analysis of methane emissions in a tunnel excavated through Carboniferous strata based on underground coal mining experience. Tunnelling and underground space technology 25, 4, 456-468.
• [28] Snelling P.E., Godin L., McKinnon S.D., 2013. The role of geologic structure and stress in triggering remote seismicity in Creighton Mine, Sudbury, Canada. International Journal of Rock Mechanics and Mining Science 58, 166-179.
• [29] Takeuchi A., Laub W.S., Freund F.T., 2006. Current and surface potential induced by stress-activated positive holes in igneous rocks. Physics and Chemistry of the Earth 31, 4-9, 240-247.
• [30] Tarokh A., Makhnenko R.Y., Fakhimi A., Labuz J.F., 2017. Scaling of the fracture process zone in rock. International Journal of Fracture 204, 2, 191-204.
• [31] Yin D.W., Chen S.J., Xing W.B., Huang D.M., Liu, X.Q., 2018a. Experimental study on mechanical behavior of roof-coal pillar structure body under different loading rates. Journal of China Coal Society 43, 5, 1249-1257.
• [32] Yin D.W., Chen S.J., Liu X.Q., Ma H.F., 2018b. Effect of joint angle in coal on failure mechanical behavior of rock-coal combined body. Quarterly Journal of Engineering Geology and Hydrogeology 51, 2, 202-209.
• [33] Zhao T.B., Guo W.Y., Lu C.P., Zhao G.M., 2016. Failure characteristics of combined coal-rock with different interfacial angles. Geomechanics and Engineering 11, 3, 345-359.
• [34] Zhao Y.H., Jiang Y.D., Zhu J., Sun G.Z., 2008. Experimental study on precursory information of deformation of coal-rock composite sample before failure. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering 27, 2, 339-346.
• [35] Zhao Z.H., Wang W.M., Dai C.Q. Yan J.X., 2014. Failure characteristics of three-body model composed of rock and coal with different strength and stiffness. Transactions of Nonferrous Metals Society of China 24, 5, 1538-1546.
• [36] Zuo J.P., Chen Y., Zhang J.W., Wang J.T., Sun Y.J., Jiang G.H., 2016. Failure behavior and strength characteristics of coal-rock combined body under different confining pressures. Journal of China Coal Society 41, 11, 2706-2713.