Các số tạp chí

So sánh các tham số cơ học ở trên ta thấy: Trong cùng một tổ hợp mẫu thì tính dị hướng cũng đã tương đối rõ nét; Giá trị của các tham số biến dạng giữa hai tổ hợp mẫu có sự khác nhau, [r]

NGHIÊN CỨU TÍNH DỊ HƯỚNG ĐỘ BỀN CỦA THAN

THÔNG QUA THÍ NGHIỆM NÉN MỘT TRỤC

Chu Việt Thức

Trường Đại học Điện lực

Ngày nhận bài 06/12/2017, ngày nhận đăng 15/3/2018

Tóm tắt: Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu thí nghiệm nén một trục đối với hai

tổ hợp mẫu than bùn có góc dị hướng α = 00 và α = 900 Kết quả cho thấy, đường cong ứng suất - biến dạng trong cả hai trường hợp nói trên đều có thể phân thành bốn vùng: Nén ép, đàn hồi, dẻo và phá hủy Tính dị hướng thể hiện tương đối rõ rệt, nhưng tổ hợp mẫu có góc dị hướng α = 00 tính dị hướng thể hiện rõ rệt hơn Biến dạng đặc trưng đều thuộc trạng thái phá hủy dòn, mặt vỡ các mẫu có góc dị hướng α = 900 chủ yếu thuộc loại phá hủy cắt, còn mặt vỡ các mẫu có góc dị hướng α = 00 chủ yếu thuộc loại phá hủy tách

1 Đặt vấn đề

Khối đá là một không gian địa chất có kích thước đủ lớn có thể chứa đựng, đặt nền móng của các công trình xây dựng… tuy nhiên, do kích thước không gian lớn và do đặc điểm của quá trình thành tạo nên tính không đồng nhất về cấu trúc là không thể tránh khỏi, đặc biệt là đá trầm tích

Thực tế quá trình thi công các công trình ngầm ở độ sâu lớn thường gặp phải đá trầm tích có các hệ mặt yếu đặc trưng như mặt phân lớp, mặt phân phiến hoặc các vết nứt

vĩ mô, các đới phá hủy hoặc các phay phá đứt gãy [1, 2] Than chính là đá trầm tích được hình thành do sự lắng đọng từ mảnh vụn hoặc các chất hữu cơ do đó than có tính phân lớp rất rõ rệt, các mặt phân lớp trong than là ranh giới phân chia các lớp đá trầm tích có thành phần sinh - hóa hoặc tuổi hình thành khác nhau Đến nay, việc nghiên cứu tính chất

cơ học của than thông qua thí nghiệm nén một trục đã được một số nhà khoa học tiến hành nghiên cứu: A M Hirt và A Shakoor thông qua thí nghiệm nén một trục đối với các mẫu than cho rằng cường độ kháng nén bình quân tại các vỉa và các mỏ khác nhau đều có sự khác nhau, hoặc trong cùng một vỉa nhưng tính dị hướng cũng rất khác nhau [3]; Liu Baochen, B Huang và cộng sự nghiên cứu về hiệu ứng của kích thước, cường

độ kháng nén đối với các mẫu than và đá [4, 5]; Zhao Yangfeng nghiên cứu về quy luật tác động của điện tích trong than [6]; Yin Guangzhi nghiên cứu về quy luật sóng âm, mô

tả diễn biến quá trình tổn thất của than đá [7]; C Wang nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt

độ đến tính chất cơ học của than nguyên khối có chứa gas [8]…

Các nghiên cứu đối với than đến nay là tương đối phong phú, tuy vậy chủ yếu được thực hiện trên các mẫu đúc sẵn từ bột than mà ít có các nghiên cứu trên than nguyên khối; vẫn còn một số phương diện chưa được nghiên cứu một cách đầy đủ, đặc biệt là ảnh hưởng của tính dị hướng đến các tính chất cơ học của than Trong bài báo này, tác giả thông qua thí nghiệm nén một trục để nghiên cứu và đánh giá sự dị hướng độ bền của than nhằm bổ sung thêm về lý luận cơ học đá nói chung, tính chất cơ học của than, đặc biệt than bị phân lớp ở độ sâu lớn nói riêng

Email: thucviet@yahoo.com

2 Điều kiện thí nghiệm

2.1 Lựa chọn và gia công mẫu

Than dùng trong thí nghiệm được lấy từ vỉa có độ sâu -880 m thuộc mỏ Hoài Nam, tỉnh An Huy, Trung Quốc, sau đó được bảo quản ở nhiệt độ phòng, đảm bảo khô ráo rồi mới được gia công để tạo thành mẫu Quá trình gia công mẫu phải được làm hết sức tỉ mỉ, tuân thủ quy trình gia công, chế tạo mẫu thí nghiệm [9] Đầu tiên, dùng cưa tạo các mặt song song và vuông góc với mặt phân lớp, tiếp đó mài nhẵn, đánh bóng, sau đó dùng khoan ZS-100 khoan vuông góc và song song (00 và 900) với mặt phân lớp để lấy lõi khoan Kiểm tra lại góc tạo bởi trụ mẫu và mặt phân lớp, sau đó tiến hành cắt và mài nhẵn lại toàn bộ các mẫu một lần nữa để đảm bảo mẫu có kích thước đồng đều theo tiêu chuẩn: ϕ50mm x 100mm Số lượng mẫu cần gia công cho mỗi loại (một tổ hợp) là 5 mẫu, sau gia công xong được đánh dấu quy ước cho mỗi nhóm mẫu để tránh nhầm lẫn (hình 1.(a))

Hình 1: (a) - Mẫu thí nghiệm và phần thừa sau gia công, (b) - Máy RMT-150C

2.2 Thiết bị thí nghiệm

Các thí nghiệm đều được thực hiện trên máy RMT - 150C tại Phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia thuộc Viện Cơ học đất đá, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, Phân viện Vũ Hán (hình 1.(b))

3 Thí nghiệm nén một trục với than có góc dị hướng khác nhau

3.1 Phương pháp thí nghiệm

Trong quá trình thí nghiệm, luôn để máy ở chế độ vận hành khống chế chuyển vị dọc trục, tốc độ gia tải là 0,01 mm/s Thí nghiệm được thực hiện theo tuần tự theo nhóm, nhóm 5 mẫu có góc dị hướng α = 900 (mặt phân lớp vuông góc với hướng gia tải) được thực hiện trước và 5 mẫu có góc dị hướng α = 00 (mặt phân lớp song song với hướng gia tải) được thực hiện sau

lượt là các biến dạng dọc trục, nở hông và thể tích Hình ảnh mẫu bị phá hủy được thể hiện trong hình 4 Kết quả thí nghiệm cho các tham số cơ học của mẫu được thống kê

trong bảng 1 Trong đó: D - đường kính mẫu; H - Chiều cao mẫu;  - Mật độ mẫu than;

m

 - Độ bền đỉnh; E - Mô đun đàn hồi; - Hệ số Poisson; 1m- Giá trị biến dạng hướng trục lớn nhất; 3m - Giá trị biến dạng ngang lớn nhất; E 50 - Mô đun biến dạng

Hình 3: Đường cong ứng suất - biến dạng nén một trục

khi mẫu có góc dị hướng α = 90 0

-0.025 -0.020 -0.015 -0.010 -0.005 0.000 0.005 0.010

0 5 10 15 20 25 30

ε / (mm/mm)

ε1

εv

ε3

σ 1

5 10 15 20 25

σ 1

ε / (mm/mm)

ε1

εv

ε3

0 5 10 15 20

25

εv ε1

ε3

ε / (mm/mm)

 1

-0.05 -0.04 -0.03 -0.02 -0.01 00.00 0.01

5 10 15 20



ε / (mm/mm)

ε3

ε1

εv

Hình 4: Trạng thái phá hủy khi nén một trục đối với mẫu có góc dị hướng α = 90 0

(mm)

H

(mm)

 (g.cm-3)

m

 (Mpa)

E

(GPa)  1m

(10-3)

3m

 (10-3)

E50

(GPa) UC-3 49,760 94,680 1,415 27,536 4,418 0,338 8,258 -11,369 2,695 UC-4 49,660 96,960 1,427 23,827 4,034 0,425 7,860 -5,640 2,863 UC-5 49,610 99,300 1,483 23,678 3,860 0,310 7,331 -4,168 2,532 SW-5 49,760 98,980 1,414 22,992 4,671 0,330 6,598 -1,715 2,697 SW-21 49,720 92,450 1,429 20,797 4,723 0,388 6,312 -7,813 3,021 Bình quân 49,700 96,470 1,433 23,766 4,341 0,358 0,358 -6,141 2,762

Độ lệch

chuẩn 0,001 0,030 0,020 0,102 0,088 0,132 0,113 0,598 0,067

Bảng 1: Kết quả thí nghiệm nén một trục đối với mẫu có góc dị hướng α = 90 0

3.2.2 Trường hợp mặt phân lớp song song với trục mẫu (α = 00)

Tập các đường cong ứng suất - biến dạng điển hình của thí nghiệm nén một trục với góc dị hướng α = 00 được thể hiện trong hình 5 Hình ảnh mẫu bị phá hủy được thể hiện trong hình 6 Kết quả thí nghiệm cho các tham số cơ học của mẫu được thống kê

UC - 1 UC - 2

Hình 5: Đường cong ứng suất - biến dạng nén một trục

khi mẫu có góc dị hướng α = 0 0

Hình 6: Trạng thái phá hủy khi nén một trục đối với mẫu có góc dị hướng α = 0 0

-0.04 -0.03 -0.02 -0.01 0.00 0.01

0 2 4 6 8

10

σ 1

0 2 4 6 8 10 12 14 16

18

ε1

εv

ε / (mm/mm)

ε3

-0.05 -0.04 -0.03 -0.02 -0.01 0.00 0.01

0 2 4 6 8

10

ε1

ε / (mm/mm)

 1

0 2 4 6 8 10

12

εv ε1

ε / (mm/mm)

σ 1

ε3

Mẫu D

(mm)

H (mm)

 (g.cm-3)

m

 (Mpa)

E (GPa)  1m

(10-3)

3m

 (10-3)

E50 (GPa) UC-1 49,690 93,570 1,477 10,028 3,240 0,431 3,407 -3,273 2,468 UC-2 49,650 96,040 1,409 16,537 4,105 0,348 4,792 -4,349 3,039 UC-6 49,730 98,000 1,432 8,892 2,710 0,415 5,124 -11,228 2,039 UCT-1 49,680 93,640 1,400 8,923 2,179 0,466 5,796 -3,789 1,287 UCT-2 49,720 93,400 1,442 11,463 3,224 0,279 4,359 -2,151 2,408 Bình quân 49,690 94,930 1,432 11,168 3,092 0,388 4,696 -4,958 2,248

Độ lệch

chuẩn 0,001 0,021 0,021 0,285 0,231 0,192 0,019 0,726 0,287

Bảng 2: Kết quả thí nghiệm nén một trục đối với mẫu có góc dị hướng α = 0 0

4 Phân tích kết quả thí nghiệm

Căn cứ vào kết quả thí nghiệm nén một trục thu được, các đặc tính cơ học của than lần lượt được phân tích theo các phương diện sau: Cường độ, đặc trưng phá hủy, biến dạng và tính chất dị hướng đối với hai trường hợp mẫu có góc dị hướng α = 00, α =

900

4.1 Cường độ và đặc trưng phá hủy

(1) Từ kết quả thí nghiệm thể hiện trong bảng 1 và 2 ta thấy: Giá trị cường độ kháng nén của tổ hợp 5 mẫu có mặt phân lớp vuông góc (α = 900) trong khoảng 20,797 ÷ 27,536 MPa, bình quân là 23,766 MPa Trong khi đó, giá trị cường độ kháng nén của tổ hợp 5 mẫu có mặt phân lớp song song (α = 00) đạt từ 8,892 ÷ 16,537 MPa, bình quân là 11,168 MPa Dễ thấy, giá trị cường độ kháng nén trung bình của trường hợp có góc dị hướng α = 900

cao gấp gần 2,13 lần trường hợp có góc dị hướng α = 00 Điều này cho thấy khả năng chịu lực của mẫu than theo phương vuông góc với mặt phân lớp tốt hơn nhiều so với khi chịu lực theo phương song song với mặt phân lớp

(2) Qua quan sát mẫu vỡ ta thấy: Đối với trường hợp mẫu có góc dị hướng α =

900 thì trạng thái phá hủy chủ yếu là phá hủy cắt (trượt), điều đó giải thích tại sao trong quá trình thí nghiệm dễ gây nên hiện tượng nổ mẫu và mẫu bị vỡ thành các cục (Hình 4) Đối với trường hợp có góc dị hướng α = 00

thì trạng thái phá hủy của mẫu chủ yếu thuộc loại phá hủy tách Khoảng giữa của các mẫu bị phồng lên và vỡ thành các tấm, phiến theo chiều dọc trục mẫu (Hình 6)

4.2 Đặc trưng biến dạng

(1) Khi các đường cong ứng suất – biến dạng của các nhóm mẫu than có góc dị hướng α = 00 0

nhau Điều đó thể hiện trạng thái, tính chất cơ học tương đối ổn định Giá trị ứng suất sau

độ bền đỉnh đột ngột giảm mạnh, khoảng giá trị hạ dần của đường cong và thời gian duy trì ứng suất dư tương đối ngắn Đây chính là biểu hiện rõ nét của đặc trưng phá hủy dòn Đối với giá trị biến dạng, quỹ tích trước độ bền đỉnh của các đường cong (1), (2), (3), (4), (5) có sự khác nhau Các đường (1), (2), (3) có các đặc trưng tương đồng, các biểu hiện

cơ học tương đối ổn định nhưng đường (4), (5) biến dạng có sự khác biệt, giai đoạn biến dạng dẻo diễn ra tương đối dài Đường cong giai đoạn sau độ bền đỉnh có nhiều sắc thái giống nhau, tốc độ giảm ứng suất trên đường (1) tương đối nhanh, các đường (2), (4), (5) vẫn ở trạng thái giảm dần, còn biểu hiện biến dạng trên đường (3) có hiện tượng “mềm hóa” rõ rệt Nhìn chung trạng thái, tính chất cơ học có tính dị hướng rất rõ nét

(2) Kết quả thí nghiệm thể hiện trong Bảng 1 và 2 cũng cho thấy, mô đun đàn hồi trong trường hợp góc dị hướng α = 900

từ 3,86 ÷ 4,72 GPa, giá trị bình quân là 4,34 GPa;

Mô đun biến dạng từ 2,53 ÷ 3,02 GPa, giá trị bình quân là 2,76 GPa; Hệ số Poisson từ 0,310 ÷ 0,425, giá trị bình quân là 0,358 Còn đối với trường hợp góc dị hướng α = 00 thì

mô đun đàn hồi chỉ trong khoảng 2,18 ÷ 4,11 GPa, giá trị bình quân là 3,09 GPa; Mô đun biến dạng từ 1,29 ÷ 3,04 GPa, giá trị bình quân là 2,25 GPa; Hệ số Poisson từ 0,279 ÷ 0,466, giá trị bình quân là 0,388 So sánh các tham số cơ học ở trên ta thấy: Trong cùng một tổ hợp mẫu thì tính dị hướng cũng đã tương đối rõ nét; Giá trị của các tham số biến dạng giữa hai tổ hợp mẫu có sự khác nhau, điều đó cho thấy tính chất dị hướng giữa hai nhóm càng rõ nét

(3) So sánh giá trị biến dạng đỉnh trục và hông ta thấy giá trị bình quân của biến dạng dọc trục và hông trong trường hợp góc dị hướng α = 900 lần lượt là 0,007272, 0,006141 Dễ thấy, khi mẫu bị phá hủy thì giá trị biến dạng dọc trục lớn hơn giá trị biến dạng hông Trường hợp góc dị hướng α = 00 thì ngược lại, giá trị bình quân của biến dạng dọc trục và hông lần lượt là 0,004696 và 0,004958 tức là khi mẫu bị phá hủy thì giá trị biến dạng hông luôn lớn hơn giá trị biến dạng dọc trục

Từ đây, kết hợp với các dạng phá hủy mẫu đã đề cập ở trên có thể giải thích cho trường hợp mẫu có góc dị hướng α = 00

khi bị phá hủy mẫu luôn có dạng phá hủy tách Nguyên nhân là bởi vì có sự xuất hiện của của giá trị biến dạng ngang tương đối lớn (lớn hơn biến dạng dọc trục) Giá trị biến dạng ngang trong trường hợp mẫu có góc dị hướng

α = 900

thì được kết hợp với khe nứt mặt phân lớp nên dễ tạo thành dạng phá hủy trượt (cắt)

4.3 Tính dị hướng

Để làm rõ hơn tính dị hướng đối với hai trường hợp góc dị hướng α = 00

và α =

900 và để tăng tính trực quan, tác giả sử dụng số liệu trong Bảng 1 và 2 xây dựng biểu đồ dạng cột nhằm làm rõ các phân tích đã được nêu ra ở trên (Hình 8) Thông qua hình vẽ ta

có thể thấy giữa hai tổ hợp mẫu mặc dù các tham số D, H, ρ có sự chênh lệch nhau không

đáng kể song các tham số như giá trị cường độ đỉnh (m ), tham số biến dạng ( E, μ, E 50), giá trị biến dạng đỉnh (1m,3m)… lại có sự chênh lệch rất lớn Cả hai nhóm đều biểu thị tính dị hướng tuy nhiên nhóm có mặt phân lớp song song (α =00) lại có tính dị hướng mãnh liệt hơn

Hình 7: Đường cong ứng suất - biến dạng với hai tổ hợp mẫu có mặt phân lớp khác nhau

Hình 8: Biểu đồ biểu thị hệ số biến dị - các tham số thí nghiệm

5 Kết luận

Việc nghiên cứu thí nghiệm nén một trục đối với mẫu than có góc dị hướng

α = 00 và α = 900 rút ra một số kết luận như sau:

(1) Đường cong ứng suất - biến dạng trong cả hai trường hợp mẫu có góc

dị hướng α = 00 và 900 đều có thể chia thành 4 giai đoạn: Nén ép, đàn hồi, dẻo và phá hủy So sánh chúng với nhau ta thấy: Trường hợp mẫu có góc dị hướng α =

900 có đặc trưng biến dạng tương tự nhau, tính chất cơ học tương đối ổn định,

(2) Mặt vỡ của các mẫu trong cả hai tổ hợp đều thuộc trạng thái phá vỡ tách và cắt là chủ yếu Các tham số: cường độ kháng nén một trục, mô đun đàn hồi, hệ số Poisson và giá trị độ bền đỉnh đều có sự khác biệt rõ rệt, thể hiện tính dị

hướng rất rõ nét

(3) Cả hai trường hợp đều có tính có tính dị hướng, tuy nhiên trường hợp α

= 00 có hệ số ảnh hưởng dị hướng cao hơn, tính dị hướng mạnh hơn

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nghiêm Hữu Hạnh, Cơ học đá, NXB Xây dựng, Hà Nội, 2004

[2] Nguyễn Quang Phích, Cơ học đá, NXB Xây dựng, Hà Nội, 2007

[3] A M Hirt, A Shakoor, Determination of unconfined compressive strength of

coal for pillar design, Mining Engineering, Vol 292, No 8, 1992, pp

1037-1041

[4] Liu Baochen, Zhang Jiasheng, Du Qizhong et al, A study of size effect for

compression strength of rock, Chinese Journal of Rock Mechanics and

Engineering, Vol 17, No.6, 1998, pp 611-614 (in Chinese)

[5] B Huang and J Liu, The effect of loading rate on the behavior of samples

composed of coal and rock, International Journal of Rock Mechanics and

Mining Sciences, vol 61, 2013, pp 23-30

[6] Zhao Yangfeng, Pan Yishan, Liu Yuchun, et al, Experimental study of charge

induction of coal samples under uniaxial compression, Chinese Journal of

Rock Mechanics and Engineering, Vol 30, No 2, 2011, pp 306-312 (in Chinese)

[7] Yin Guangzhi, Dai Gaofei, PI Wenli, et al, CT real-time analysis of damage

evolution of coal under uniaxial compression, Journal of Chongqing

University: Natural Science, Vol 26, No 6, 2003, pp 96-100 (in Chinese)

[8] C Wang, M He, X Zhang, Z Liu, and T Zhao, Temperature influence on

macro-mechanics parameter of intact coal sample containing original gas from Baijiao Coal Mine in China, International Journal of Mining Science and

Technology, Vol 23, No 4, 2013, pp 597-602

[9] General Administration of Quality Supervision, Inspection and Quarantine of the People’s Republic of China; Standardization Administration of the

People’s Republic of China, Methods for determining the physical and

mechanical properties of coal and rock, Beijing: China National Coal

Association, 2010 (in Chinese)

SUMMARY

ANALYSIS OF THE STRENGTH AND BREAK STATE

OF ANISOTROPIC COAL IN UNIAXIAL TEST

This study is to perform the results of uniaxial compression tests with two combinations samples of dim coal which has the anisotropic angle of α = 00 and α = 900

The results showed that the axial stress-strain curves in both combinations above that can

be divided into four zones: the compression, elastic, flexible and failure The anisotropy was quite performance, but more clearly in the combination sample of the anisotropic angle of α = 00

The most deformations features were brittle failure state; the broken face

of the sample which has the anisotropic angle of α = 900

mostly belonged to the shear failure, and the anisotropic angle of α = 00 mostly belonged to the splitting failure