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

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.

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.