Nghiên cứu tính dị hướng độ bền của than thông qua thí nghiệm nén một trục

Trường Đại học Vinh<br /> <br /> Tạp chí khoa học, Tập 46, Số 4A (2017), tr. 71-80<br /> <br /> NGHIÊN CỨU TÍNH DỊ HƯỚNG ĐỘ BỀN CỦA THAN<br /> THÔNG QUA THÍ NGHIỆM NÉN MỘT TRỤC<br /> Chu Việt Thức<br /> Trường Đại học Điện lực<br /> Ngày nhận bài 06/12/2017, ngày nhận đăng 15/3/2018<br /> Tóm tắt: Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu thí nghiệm nén một trục đối với hai<br /> tổ hợp mẫu than bùn có góc dị hướng α = 00 và α = 900. Kết quả cho thấy, đường cong<br /> ứng suất - biến dạng trong cả hai trường hợp nói trên đều có thể phân thành bốn vùng:<br /> Nén ép, đàn hồi, dẻo và phá hủy. Tính dị hướng thể hiện tương đối rõ rệt, nhưng tổ hợp<br /> mẫu có góc dị hướng α = 00 tính dị hướng thể hiện rõ rệt hơn. Biến dạng đặc trưng đều<br /> thuộc trạng thái phá hủy dòn, mặt vỡ các mẫu có góc dị hướng α = 900 chủ yếu thuộc<br /> loại phá hủy cắt, còn mặt vỡ các mẫu có góc dị hướng α = 00 chủ yếu thuộc loại phá<br /> hủy tách.<br /> <br /> 1. Đặt vấn đề<br /> Khối đá là một không gian địa chất có kích thước đủ lớn có thể chứa đựng, đặt<br /> nền móng của các công trình xây dựng… tuy nhiên, do kích thước không gian lớn và do<br /> đặc điểm của quá trình thành tạo nên tính không đồng nhất về cấu trúc là không thể tránh<br /> khỏi, đặc biệt là đá trầm tích.<br /> Thực tế quá trình thi công các công trình ngầm ở độ sâu lớn thường gặp phải đá<br /> trầm tích có các hệ mặt yếu đặc trưng như mặt phân lớp, mặt phân phiến hoặc các vết nứt<br /> vĩ mô, các đới phá hủy hoặc các phay phá đứt gãy [1, 2]. Than chính là đá trầm tích được<br /> hình thành do sự lắng đọng từ mảnh vụn hoặc các chất hữu cơ do đó than có tính phân<br /> lớp rất rõ rệt, các mặt phân lớp trong than là ranh giới phân chia các lớp đá trầm tích có<br /> thành phần sinh - hóa hoặc tuổi hình thành khác nhau. Đến nay, việc nghiên cứu tính chất<br /> cơ học của than thông qua thí nghiệm nén một trục đã được một số nhà khoa học tiến<br /> hành nghiên cứu: A. M. Hirt và A. Shakoor thông qua thí nghiệm nén một trục đối với<br /> các mẫu than cho rằng cường độ kháng nén bình quân tại các vỉa và các mỏ khác nhau<br /> đều có sự khác nhau, hoặc trong cùng một vỉa nhưng tính dị hướng cũng rất khác nhau<br /> [3]; Liu Baochen, B. Huang và cộng sự nghiên cứu về hiệu ứng của kích thước, cường<br /> độ kháng nén đối với các mẫu than và đá [4, 5]; Zhao Yangfeng nghiên cứu về quy luật<br /> tác động của điện tích trong than [6]; Yin Guangzhi nghiên cứu về quy luật sóng âm, mô<br /> tả diễn biến quá trình tổn thất của than đá [7]; C. Wang nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt<br /> độ đến tính chất cơ học của than nguyên khối có chứa gas [8]…<br /> Các nghiên cứu đối với than đến nay là tương đối phong phú, tuy vậy chủ yếu<br /> được thực hiện trên các mẫu đúc sẵn từ bột than mà ít có các nghiên cứu trên than<br /> nguyên khối; vẫn còn một số phương diện chưa được nghiên cứu một cách đầy đủ, đặc<br /> biệt là ảnh hưởng của tính dị hướng đến các tính chất cơ học của than. Trong bài báo này,<br /> tác giả thông qua thí nghiệm nén một trục để nghiên cứu và đánh giá sự dị hướng độ bền<br /> của than nhằm bổ sung thêm về lý luận cơ học đá nói chung, tính chất cơ học của than,<br /> đặc biệt than bị phân lớp ở độ sâu lớn nói riêng.<br /> Email: thucviet@yahoo.com<br /> <br /> 71<br /> <br /> C. V. Thức / Nghiên cứu tính dị hướng độ bền của than thông qua thí nghiệm nén một trục<br /> <br /> 2. Điều kiện thí nghiệm<br /> 2.1. Lựa chọn và gia công mẫu<br /> Than dùng trong thí nghiệm được lấy từ vỉa có độ sâu -880 m thuộc mỏ Hoài<br /> Nam, tỉnh An Huy, Trung Quốc, sau đó được bảo quản ở nhiệt độ phòng, đảm bảo khô<br /> ráo rồi mới được gia công để tạo thành mẫu. Quá trình gia công mẫu phải được làm hết<br /> sức tỉ mỉ, tuân thủ quy trình gia công, chế tạo mẫu thí nghiệm [9]. Đầu tiên, dùng cưa tạo<br /> các mặt song song và vuông góc với mặt phân lớp, tiếp đó mài nhẵn, đánh bóng, sau đó<br /> dùng khoan ZS-100 khoan vuông góc và song song (00 và 900) với mặt phân lớp để lấy<br /> lõi khoan. Kiểm tra lại góc tạo bởi trụ mẫu và mặt phân lớp, sau đó tiến hành cắt và mài<br /> nhẵn lại toàn bộ các mẫu một lần nữa để đảm bảo mẫu có kích thước đồng đều theo tiêu<br /> chuẩn: ϕ50mm x 100mm. Số lượng mẫu cần gia công cho mỗi loại (một tổ hợp) là 5<br /> mẫu, sau gia công xong được đánh dấu quy ước cho mỗi nhóm mẫu để tránh nhầm lẫn<br /> (hình 1.(a)).<br /> <br /> (a)<br /> (b)<br /> Hình 1: (a) - Mẫu thí nghiệm và phần thừa sau gia công, (b) - Máy RMT-150C<br /> 2.2. Thiết bị thí nghiệm<br /> Các thí nghiệm đều được thực hiện trên máy RMT - 150C tại Phòng thí nghiệm<br /> trọng điểm quốc gia thuộc Viện Cơ học đất đá, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc,<br /> Phân viện Vũ Hán (hình 1.(b)).<br /> 3. Thí nghiệm nén một trục với than có góc dị hướng khác nhau<br /> 3.1. Phương pháp thí nghiệm<br /> Trong quá trình thí nghiệm, luôn để máy ở chế độ vận hành khống chế chuyển vị<br /> dọc trục, tốc độ gia tải là 0,01 mm/s. Thí nghiệm được thực hiện theo tuần tự theo nhóm,<br /> nhóm 5 mẫu có góc dị hướng α = 900 (mặt phân lớp vuông góc với hướng gia tải) được<br /> thực hiện trước và 5 mẫu có góc dị hướng α = 00 (mặt phân lớp song song với hướng gia<br /> tải) được thực hiện sau.<br /> 3.2. Kết quả thí nghiệm<br /> 3.2.1. Trường hợp mặt phân lớp vuông góc với trục mẫu (α = 900)<br /> Tập các đường cong ứng suất - biến dạng điển hình của thí nghiệm nén một trục<br /> với góc dị hướng α = 900 được thể hiện trong hình 3. Trong hình  1 ,  3  v theo thứ tự lần<br /> <br /> 72<br /> <br /> Trường Đại học Vinh<br /> <br /> Tạp chí khoa học, Tập 46, Số 4A (2017), tr. 71-80<br /> <br /> lượt là các biến dạng dọc trục, nở hông và thể tích. Hình ảnh mẫu bị phá hủy được thể<br /> hiện trong hình 4. Kết quả thí nghiệm cho các tham số cơ học của mẫu được thống kê<br /> trong bảng 1. Trong đó: D - đường kính mẫu; H - Chiều cao mẫu;  - Mật độ mẫu than;<br /> <br />  m - Độ bền đỉnh; E - Mô đun đàn hồi;  - Hệ số Poisson; 1m - Giá trị biến dạng hướng<br /> trục lớn nhất;  3m - Giá trị biến dạng ngang lớn nhất; E50 - Mô đun biến dạng.<br /> 30<br /> <br /> 25<br /> <br /> ε3<br /> <br /> ε1<br /> <br /> εv<br /> <br /> ε3 25<br /> <br /> εv ε1<br /> 20<br /> <br /> σ1 / (MPa)<br /> <br /> σ1 / (MPa)<br /> <br /> 20<br /> <br /> 15<br /> <br /> 15<br /> <br /> 10<br /> <br /> 10<br /> <br /> 5<br /> <br /> 5<br /> <br /> -0.025<br /> <br /> -0.020<br /> <br /> -0.015<br /> <br /> -0.010<br /> <br /> -0.005<br /> <br /> 0<br /> 0.000<br /> <br /> 0.005<br /> <br /> 0.010<br /> <br /> -0.03<br /> <br /> -0.02<br /> <br /> ε / (mm/mm)<br /> <br /> 0<br /> 0.00<br /> <br /> -0.01<br /> <br /> ε / (mm/mm)<br /> <br /> UC - 3<br /> <br /> 0.01<br /> <br /> UC - 5<br /> ε3<br /> <br /> 25<br /> <br /> εv<br /> <br /> ε1<br /> <br /> ε1<br /> <br /> 20<br /> 20<br /> <br /> εv<br /> <br /> ε3<br /> <br />  / (MPa)<br /> <br /> 1 / (MPa)<br /> <br /> 15<br /> 15<br /> <br /> 10<br /> <br /> 5<br /> <br /> 5<br /> <br /> -0.03<br /> <br /> -0.02<br /> <br /> -0.01<br /> <br /> ε / (mm/mm)<br /> <br /> SW - 5<br /> <br /> 0<br /> 0.00<br /> <br /> 10<br /> <br /> 0.01<br /> <br /> -0.05<br /> <br /> -0.04<br /> <br /> -0.03<br /> <br /> -0.02<br /> <br /> -0.01<br /> <br /> 0<br /> 0.00<br /> <br /> ε / (mm/mm)<br /> <br /> SW - 21<br /> <br /> Hình 3: Đường cong ứng suất - biến dạng nén một trục<br /> khi mẫu có góc dị hướng α = 900<br /> <br /> 73<br /> <br /> 0.01<br /> <br /> C. V. Thức / Nghiên cứu tính dị hướng độ bền của than thông qua thí nghiệm nén một trục<br /> <br /> Hình 4: Trạng thái phá hủy khi nén một trục đối với mẫu có góc dị hướng α = 900<br /> <br /> <br /> m<br /> H<br /> -3<br /> (mm) (g.cm ) (Mpa)<br /> <br /> Mẫu<br /> <br /> D<br /> (mm)<br /> <br /> UC-3<br /> <br /> 49,760 94,680<br /> <br /> 1,415<br /> <br /> 27,536<br /> <br /> UC-4<br /> <br /> 49,660 96,960<br /> <br /> 1,427<br /> <br /> UC-5<br /> <br /> 49,610 99,300<br /> <br /> SW-5<br /> SW-21<br /> <br /> <br /> <br /> 1m<br /> <br />  3m<br /> (10 )<br /> <br /> E50<br /> (GPa)<br /> <br /> 4,418 0,338 8,258<br /> <br /> -11,369<br /> <br /> 2,695<br /> <br /> 23,827<br /> <br /> 4,034 0,425 7,860<br /> <br /> -5,640<br /> <br /> 2,863<br /> <br /> 1,483<br /> <br /> 23,678<br /> <br /> 3,860 0,310 7,331<br /> <br /> -4,168<br /> <br /> 2,532<br /> <br /> 49,760 98,980<br /> <br /> 1,414<br /> <br /> 22,992<br /> <br /> 4,671 0,330 6,598<br /> <br /> -1,715<br /> <br /> 2,697<br /> <br /> 49,720 92,450<br /> <br /> 1,429<br /> <br /> 20,797<br /> <br /> 4,723 0,388 6,312<br /> <br /> -7,813<br /> <br /> 3,021<br /> <br /> Bình quân 49,700 96,470<br /> <br /> 1,433<br /> <br /> 23,766<br /> <br /> 4,341 0,358 0,358<br /> <br /> -6,141<br /> <br /> 2,762<br /> <br /> 0,020<br /> <br /> 0,102<br /> <br /> 0,088 0,132 0,113<br /> <br /> 0,598<br /> <br /> 0,067<br /> <br /> Độ lệch<br /> chuẩn<br /> <br /> 0,001<br /> <br /> 0,030<br /> <br /> E<br /> (GPa)<br /> <br /> -3<br /> <br /> (10 )<br /> <br /> -3<br /> <br /> Bảng 1: Kết quả thí nghiệm nén một trục đối với mẫu có góc dị hướng α = 900<br /> 3.2.2. Trường hợp mặt phân lớp song song với trục mẫu (α = 00)<br /> Tập các đường cong ứng suất - biến dạng điển hình của thí nghiệm nén một trục<br /> với góc dị hướng α = 00 được thể hiện trong hình 5. Hình ảnh mẫu bị phá hủy được thể<br /> hiện trong hình 6. Kết quả thí nghiệm cho các tham số cơ học của mẫu được thống kê<br /> trong bảng 2.<br /> <br /> 74<br /> <br /> Trường Đại học Vinh<br /> <br /> Tạp chí khoa học, Tập 46, Số 4A (2017), tr. 71-80<br /> 18<br /> <br /> 10<br /> <br /> ε3<br /> <br /> εv<br /> <br /> ε1<br /> <br /> 8<br /> <br /> ε1<br /> <br /> εv<br /> <br /> 16<br /> <br /> ε3<br /> <br /> 14<br /> <br /> σ1 / (MPa)<br /> <br /> σ1/(MRa)<br /> <br /> 12<br /> <br /> 6<br /> <br /> 4<br /> <br /> 10<br /> 8<br /> 6<br /> 4<br /> <br /> 2<br /> <br /> 2<br /> <br /> -0.04<br /> <br /> -0.03<br /> <br /> -0.02<br /> <br /> 0<br /> 0.00<br /> <br /> -0.01<br /> <br /> 0.01<br /> <br /> -0.025<br /> <br /> -0.020<br /> <br /> -0.015<br /> <br /> ε / (mm/mm)<br /> <br /> -0.010<br /> <br /> -0.005<br /> <br /> 0<br /> 0.000<br /> <br /> 0.005<br /> <br /> ε / (mm/mm)<br /> <br /> UC - 1<br /> <br /> UC - 2<br /> 10<br /> <br /> ε3<br /> <br /> εv<br /> <br /> ε3<br /> <br /> ε1<br /> <br /> εv<br /> <br /> ε1<br /> <br /> 10<br /> <br /> 8<br /> <br /> 6<br /> <br /> σ1 / (MPa)<br /> <br /> 1 / (MPa)<br /> <br /> 8<br /> <br /> 12<br /> <br /> 4<br /> <br /> 6<br /> <br /> 4<br /> 2<br /> <br /> -0.05<br /> <br /> -0.04<br /> <br /> -0.03<br /> <br /> -0.02<br /> <br /> ε / (mm/mm)<br /> <br /> UCT - 1<br /> <br /> -0.01<br /> <br /> 0<br /> 0.00<br /> <br /> 2<br /> <br /> 0.01<br /> <br /> -0.05<br /> <br /> -0.04<br /> <br /> -0.03<br /> <br /> -0.02<br /> <br /> -0.01<br /> <br /> 0<br /> 0.00<br /> <br /> 0.01<br /> <br /> ε / (mm/mm)<br /> <br /> UCT - 2<br /> <br /> Hình 5: Đường cong ứng suất - biến dạng nén một trục<br /> khi mẫu có góc dị hướng α = 00<br /> <br /> Hình 6: Trạng thái phá hủy khi nén một trục đối với mẫu có góc dị hướng α = 00<br /> 75<br /> <br />