Experimental studies on the shear resistance of original coal-shale joint

Abstract

Purpose. Experimental study and theoretical modeling of the shear resistance of original coal-shale joint. Methods. A two-segment model was developed to describe the shear resistance-shear displacement curves obtained from the direct shear tests of eight coal-shale joints by letting the two segments of the fitting curve pass through the peak point of each curve. Findings. The two-segment model well describes the shear resistance variation of the coal-shale joints during the shear process, and there exist good relationships between the fitting parameters and the shear testing parameters. The initial slope of the softening part of the shear resistance – shear displacement curve can help to predict whether the coal pillar will burst drastically when it fails. Moreover, the normal displacement was very small in the pre-peak range which indicates that the complete detachment of original coal-shale joint surfaces has not occurred before the peak. Originality. Direct shear tests were conducted on original coal-shale specimens for the first time, and a two-segment model is developed to describe their shear resistance-shear displacement curves. The initial slope of the softening part of the shear resistance – shear displacement curve is proposed to predict the burst tendency of coal pillar. Different from unbonded rock joints, the detachment of the original coal-shale joint occurs just after the peak. Practical implications. The conclusions may have some help to understand the shear resistance mechanism of original coal-shale joint and to provide some new ideas of maintaining coal pillar stability.

Мета. Експериментальне дослідження та теоретичне моделювання опору зсуву початкового шару вуглистого сланцю. Методика. Розроблено модель для опису кривих опору зсуву й зсувного зміщення, отриманих у результаті випробувань на прямий зсув восьми шарів вуглистого сланцю. Модель включає два сегменти апроксимуючої кривої, що проходять через вищі точки описуваних кривих. Результати. Запропонована модель достовірно описує зміну опору на зсув шарів вуглистого сланцю в про-процесі зсуву, при цьому визначено наявність тісного зв’язку між параметрами апроксимації та параметрами випробування на зсув. За початковим нахилом кривої в частині ослаблення опору зсуву й зсувного зміщення можна передбачити, чи відбудеться значне руйнування цілика вугілля при його обваленні. Нормальне зміщення є незначним у передпіковому діапазоні, що свідчить про те, що в цей час не відбувається повного відриву поверхонь шару вуглистого сланцю. Наукова новизна. Випробування на прямий зсув проводилися вперше на зразках початкового вуглистого сланцю. Двохсегментна модель була розроблена спеціально для опису кривих опору зсуву та зсувного зміщення досліджуваних шарів. За початковим нахилом кривої в частині ослаблення опору зсуву й зсувного зміщення можна передбачити характер руйнування цілика. На відміну від незв’язаних шарів породи, відділення початкового шару вуглистого сланцю відбувається після пікових значень досліджуваних кривих. Практична значимість. Висновки можуть допомогти зрозуміти механізм опору зсуву в первісному шарі вуглистого сланцю й окреслити нові підходи до збереження стабільності вугільного цілика.

Цель. Экспериментальное исследование и теоретическое моделирование сопротивления сдвигу первоначального слоя углистого сланца. Методика. Разработана модель для описания кривых сопротивления сдвигу и сдвигового смещения, полученных в результате испытаний на прямой сдвиг восьми слоев углистого сланца. Модель включает два сегмента аппроксимирующей кривой которые проходят через высшие точки описываемых кривых. Результаты. Предлагаемая модель достоверно описывает изменение сопротивления на сдвиг слоев углистого сланца в процессе сдвига, при этом определено наличие тесной связи между параметрами аппроксимации и параметрами испытания на сдвиг. По начальному наклону кривой в части ослабления сопротивления сдвигу и сдвигового смещения можно предсказать, произойдет ли значительное разрушение целика угля при его обрушении. Нормальное смещение незначительно в предпиковом диапазоне, что свидетельствует о том, что в это время не происходит полного отрыва поверхностей слоя углистого сланца. Научная новизна. Испытания на прямой сдвиг проводились впервые на образцах первоначального углистого сланца. Двухсегментная модель была разработана специально для описания кривых сопротивления сдвигу и сдвигового смещения исследуемых слоев. По начальному наклону кривой в части ослабления сопротивления сдвигу и сдвигового смещения можно предсказать характер разрушения целика. В отличие от несвязанных слоев породы, отделение первоначального слоя углистого сланца происходит после пиковых значений исследуемых кривых. Практическая значимость. Выводы могут помочь понять механизм сопротивления сдвигу в первоначальном слое углистого сланца и обозначить новые подходы к сохранению стабильности угольного целика.