Strength weakening characteristics and microscopic mechanism of coal samples with different water contents based on penetration strength
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摘要:
利用废弃矿井采空区作为储水空间对矿区的生态环境和经济发展起着重要作用，水浸作用下煤岩体强度直接影响地下储库的稳定性，有必要研究含水率影响下煤岩体的稳定性。针对关闭矿井大台矿井煤体各向异性强的特点，研究了低损测试针入强度与煤样抗压强度和抗拉强度的相关关系。在此基础上，研究了同一煤样不同含水率强度的变化规律，并借助CT扫描分析了水浸孔隙演化与强度弱化的内在机制。研究结果表明：不同含水率煤样单轴抗压强度（UCS）和巴西劈裂抗拉强度（BTS）与煤样针入强度（NPI）分别呈线性关系和负指数关系，煤样针入强度能够很好地匹配煤样单轴抗压强度和劈裂强度。因此，可以利用针入度指标评价煤样的强度，进而实现同一煤样不同含水率的低损循环测试，降低煤样各向异性对试验结果的影响，同时也为现场快速测试煤样强度提供有效手段。随着含水率的增加，煤样的针入强度呈指数式减小。由干燥到饱和，煤样针入强度降低幅度为 86.55%。浸泡前后连通性孔和孤立孔的孔隙率分别上升了1.58%和0.97%，总体孔隙率上升2.55%，而矿物成分的体积占比下降了1.96%。煤样浸水过程中连通孔内部的黏土矿物成分遇水膨胀溶解导致煤样孔隙率变化。孔隙率（孤立孔和连通孔）的增加使得损伤裂隙沿着孔隙发育，更容易形成贯通裂隙，进而导致强度降低。此外，水充满连通节理使得裂隙强度大幅度降低，造成损伤裂隙更容易沿着弱面扩张，进一步降低煤样强度。
Abstract:The use of goafs in abandoned mines as water storage space plays an important role in the ecological environment and economic development of the mining area. The strength of coal and rock mass under the action of water immersion directly affects the stability of underground storage. Aiming at the characteristics of strong anisotropy of coal in the closed Datai mine, this paper studies the correlation between the penetration strength and the compressive strength and tensile strength of coal samples. On this basis, the variation law of the same coal sample strength with different water contents was studied, and the internal mechanism of water-immersed pore evolution and strength weakening was analyzed by means of CT scanning. The research results show that: The uniaxial compressive strength (UCS) and Brazilian tensile strength (BTS) of coal samples with different water contents have a linear relationship and a negative exponential relationship with the coal sample penetra-tion index (NPI), respectively. The NPI can well match the UCS and BTS of coal samples. With the increase of water content, the penetration strength of coal samples decreases exponentially. Therefore, the penetration index can be used to evaluate the strength of the coal sample, thus realizing the low damage cycle test of the same coal sample with different water content. It reduces the influence of coal sample anisotropy on the ex-perimental results, and also provides an effective means for on-site rapid testing of coal sample strength. From drying to saturation, the penetration strength of coal samples decreased by 86.55%. Before and after soaking, the porosity of connected and isolated pores increased by 1.58% and 0.97% respectively, and the overall porosity increased by 2.55%, while the volume proportion of mineral components decreased by 1.96%. During the water soaking process of coal samples, the clay minerals in the connected pores swelled and dissolved in water, resulting in changes in the porosity of coal samples. The increase in porosity (isolated pores and connected pores) makes damage fractures develop along pores, making it easier to form through-fractures, which in turn leads to a decrease in strength. In addition, the water-filled connecting joints greatly reduce the its strength, which makes the damaged fractures more likely to expand along the weak surface, thereby reducing the strength of the coal sample.
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Keywords:
- coal sample /
- water content /
- penetration strength /
- porosity /
- weakening mechanism
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0. 引 言
随着我国经济社会的发展和煤炭资源的持续高强度开发，形成大量关闭/废弃矿井[1-2]。如北京京西矿区煤矿在2020年已经全部关闭退出，京西矿区可利用巷道长度约70 000 m，地下可利用空间总计71万m3，地下巷道工程原产值高达944亿元，可利用地面面积77.4万m2 [3-4]。当煤矿关闭后，矿井水位将不断上升，一旦沟通了浅部含水层与地表水，高矿化度水体的污染范围将进一步扩大，严重威胁矿区附近水体环境[5-6]。因此，如何合理开发利用关闭矿井的储滤水能力，评估矿区水环境演化对采空区稳定性以及矿区水资源带来的影响，是解决资源枯竭型矿区生态安全的重大科学难题，也是改善矿区水资源匮乏的有效途径。
利用煤矿开采形成的采空区建设矿井地下水库进行地下水资源的保护和利用，对实现矿井采空区地下空间及矿井水资源化、能源化利用，为促进环境生态保护提供了有益借鉴，为国内外矿井科学开发地下空间资源提供了示范[7-8]。煤矿地下水库的煤柱坝体和残留煤柱受采动影响损伤严重，在矿井地下水库蓄放水过程中煤柱内部含水率的变化进一步影响煤体强度[9-10]。因此，研究不同含水率条件下煤体的力学性质演化以及煤体强度的变化规律和内在机制，对探究矿井地下水库煤柱坝体与残留煤柱的破坏形式与特征具有重要意义。
由于煤岩体水岩弱化作用是煤矿开采面临的主要难题，现阶段煤矿开采过程中涉及水岩作用的研究主要集中在顶底板突水、巷道围岩遇水失稳、断层陷落柱突水等问题的致灾机理，以及工作面注水防片帮、液氮致裂等防治手段[11-16]。由于某些煤岩体内部富含黏土等亲水矿物成分，遇水膨胀软化将造成强度急剧下降，对安全生产造成影响[16-17]。王磊等[18]研究了不同含水率及黏土含量下松软煤体的力学特征，得到了同一黏土含量下存在一个使煤体抗压强度最高、弹性模量最大的含水率。杨永杰等[19]发现了不同含水率条件下，煤样蠕变特性演化规律。陈光波等[20]通过单轴压缩试验，研究不同浸水时间下的3种煤岩组合体的力学特性演化规律和声发射损伤特征，并分析水岩作用下煤岩组合体的劣化机制。冯国瑞等[21]开展了不同含水率煤样单轴压缩试验，辅以分形理论和声发射特征参数分析，定量化研究含水率对煤样力学特性及破坏特征的影响，发现含水率的增大使煤样软化的同时削弱其脆性,破坏过程更加缓和。李波波等[22]进行了原煤不同含水率状态下的三轴压缩试验，推导表征了煤岩体不同含水率下整体的损伤变量，得到了煤岩水−力耦合作用下的分段损伤本构模型及其变形随含水率的变化规律。
在上述煤样水岩作用研究过程中，由于单轴抗压、抗剪、劈裂等试验均是破坏性试验，所以不同含水率煤样只能采用不同煤样进行试验。但煤样相对于岩样而言孔裂隙发育，具有很强的各向异性特征[23-24]，即使是同一块煤样由于取样位置的不同，加工方式的区别会造成其原本的力学性质产生很大区别。因此，在研究煤样水岩作用弱化试验过程中，更应该采用无损力学测试设备去研究同一煤样的力学特征。基于此，笔者以大台煤矿的不同含水率下的煤样为研究对象，通过不同含水率的单轴抗压强度和劈裂试验获得针入强度和不同含水率煤样抗压抗拉强度的相关关系。在此基础上，实现同一煤样不同含水率强度的测定，并结合核磁共振（NMR）、矿物成分衍射仪（XRD）和CT扫描试验研究同一个煤样不同含水率情况下煤样强度弱化及其微观机制，试验研究成果可为工程尺度模拟分析地下水库煤柱坝体在长期蓄放水过程中的稳定性提供水浸软化模型。
1. 试验设备与试验方案
煤矿地下水库的承载结构主要包括煤柱坝体、人工坝体、区段残留煤柱和垮落带破碎煤岩体，具体如图1所示。其中煤柱坝体和残留煤柱受采动影响损伤严重，且在不同含水率条件的影响下，煤体强度会发生进一步变化，基于此，主要研究不同含水率煤样的强度弱化特征。
为了克服传统力学试验对煤岩体带来的破坏问题，国内外学者使用针入强度穿透试验（NPT）进行煤岩体力学特征的表征，并得出针入强度穿透指数（NPI）及其与测得的力学强度的相关系数，具体见表1。但是上述研究主要是针对煤岩样的单轴抗压强度，且大多以岩石为主，对于煤体的抗拉强度与针入强度的关系则很少涉及。因此，笔者采用针入强度试验研究同一煤样不同含水率煤样的强度。
表 1 抗压强度(UCS)与针入强度(NPI)之间的相关方程Table 1. Correlation equation between compressive strength (UCS) and penetration strength (NPI)作者 相关函数（R为相关系数） 单位 岩石类型 UCS NPI Okada等[25] ln UCS = 0.978 ln NPI + 1.599 (R = 0.914) kg/cm2 kg/mm 岩石和土混凝土 Yamaguchi等[26] ln UCS = 0.982 ln NPI − 0.209 (R = 0.872) kg/cm2 kg/cm 火山碎屑岩 Takahashi等[27] UCS = 1.5395 NPI0.9896 (R = 0.90)MPa N/mm 砂岩、粉砂岩、砾岩、灰岩、火山灰岩 Naoto等[28] UCS = 41.8 NPI − 4 (R = 0.899)
UCS = 27.3 NPI + 132 （R=0.834）kPa N/cm 硬质黏土岩
砂岩Erguler等[29] UCS = 0.51 NPI 0.8575 (R = 0.87)MPa N/mm 大理石、粉砂岩、页岩、凝灰岩 Ulusay等[30] UCS = 0.402 NPI0.929 (R = 0.89) MPa N/mm 泥灰岩、凝灰岩、页岩、粉砂岩、砂岩、灰砾岩、泥岩 Aydan[31] UCS = 0.2 NPI MPa N/mm 凝灰岩，砂岩，浮石，石灰岩， Aydan等[32] UCS = 0.3 NPI MPa N/mm 土耳其凝灰岩 Kahraman等[33] UCS = 0.35 NPI (R=0.81) MPa N/mm 煤 Rabat等[34] UCS = 0.13389 NPI (R2=0.9854 )
UCS =0.12559 NPI (R2=0.9804 )MPa N/mm 粉砂岩
石膏1.1 试验制备
煤样取自大台煤矿–710 m 开采水平3号煤层，该煤层为急倾斜煤层，平均角度为 45°~88°，平均埋深为 820 m；该煤层属石炭纪，其中有夹矸且多为炭质泥质岩，粉砂岩次之，偶见泥质岩、细砂岩。煤样获取后加工成标准试件，具体如图2a所示。为了研究不同含水率煤样的力学性能，需要制备含水煤样。目前对于不同含水率煤样的制备主要由2种方法，分别为常规浸水方法和无损浸水方法。常规的浸水方法是将试样放入盛满水的容器中浸泡，这种方法容易导致试样崩解破坏，但更符合工程实际情况。无损浸泡方法则是将煤样放置在湿度空间内进行润湿（图2b），可以确保煤样与水不发生物质交换。考虑到力学试验过程中煤样相对较多，为了减少试验煤样的均匀性，采用无损润湿的方法进行含水率调整，在后期水岩作用微观试验分析中，为了更加贴近现场实际条件，则采用常规浸泡方法。
首先将煤样放入恒温干燥箱中进行烘干（烘干温度设置为 105 ℃，并记录其含水率随时间变化的烘干曲线，直至煤样质量不变）。之后采用无损浸水装置对干燥煤样浸水，直至煤样完全饱和。在浸水过程中，每隔一段时间将煤样取出，进行称重，得到的煤样含水率随浸水时间的变化关系如图3所示。
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图 3 煤样含水率随浸水时间变化规律Figure 3. Variation law of moisture content of coal sample with soaking time由图3可以看出，随着浸水时间的增加，煤样含水率变化可以分为3个阶段：快速增长阶段、缓慢增长阶段和稳定阶段，煤样浸水75 h之后的含水率为2.16%，并在之后很长时间内基本不变，本文视其为饱和含水率。在采空区作为地下水库过程中，随着水库的循环蓄放水，煤柱坝体长时间处于不同含水率的状态，为研究不同含水率煤样力学强度演化特征，根据含水率随浸水时间的变化规律确定煤样力学强度试验所需含水率分别为0（干燥）、0.5%、1%、1.5%、2.16%（饱和）。
1.2 试验设备及加载方案
试验系统主要包括：伺服加载系统和软岩贯入仪，如图4所示。伺服加载系统轴向施加荷载量程为0～300 kN，位移加载速率在0.005～500 mm/min内连续可调。试验过程中加载方式采用位移控制方式，位移速率设置为0.1 mm/min；预应力设置0.05 kN，待试样与压力板完好接触后位移清零。为了试验安全，设置当载荷降至峰值载荷的70%时停止试验。针贯入仪贯入阻力范围为10～100 N (最小分度值 10 N )，贯入针以日本土木学会方针为基准，贯入度为10 mm (利用感触棒指示贯入量式)，测量方式为拉杆螺旋弹簧式。由于煤样强度低，本次试验以40 N为阻力界限，读出其每次试验的贯入度，NPI计算公式见式（1）。根据ISRM的方法[35]，在每个穿透点距离任何其他点至少10 mm的前提下，对每个试样表面进行5次NPT测试。在测试过程中，每一个含水率在试样的表面进行至少5次针贯入测试，测试点已由红色圆圈标出，每个测试点间隔1 cm以上的距离，具体如图4所示。为了获取煤样抗拉强度和抗压强度与针入度的相关关系，笔者首先进行了不同含水率煤样抗压强度与抗拉强度力学试验，之后采用同一煤样进行后期的贯入试验和CT扫描试验。
$$ {\rm{N P I}}=\frac{F}{D}=\frac{40 N}{D} $$ (1) 式中：NPI为针入强度，N/mm；F为贯入阻力，40 N；D为贯入长度，mm。
2. 煤样强度与贯入强度相关关系
2.1 NPI和UCS的相关性
共进行了5组含水率，15个煤样的单轴抗压试验并同时进行了针贯入度测量，不同含水率煤样UCS和NPI关系如图5所示。根据图5对煤样的UCS和NPI的相关性进行回归分析，可以看出两者具有明显的线性相关性，对应的公式如下：
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图 5 不同含水率煤样的相应的UCS和NPI关系Figure 5. Relationship between UCS and NPI of coal samples with different moisture content$$ {\rm{U C S}}=0.15 \mathrm{NPI} $$ (2) 其中，NPI和UCS分别以N/mm和MPa表示。
对比表1，本文获得的不同含水率煤样回归线的斜率低于之前文献中[25-34]研究的其他种类煤岩体试样，但均为线性关系，且拟合效果较好。这种斜率的差异可能与煤体特殊的微观孔裂隙结构有关，煤体强度小的很大一部分原因是煤体孔隙弱面发育，具有明显的层理特征。因此，煤体相对于软岩而言，相同单轴抗压强度下煤基质的硬度要高于软岩。
2.2 NPI和BTS的相关性
与单轴抗压一样，笔者同时进行了5组，共15个样品不同含水率煤样的巴西劈裂和贯入度试验，试验结果如图6所示。
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图 6 不同含水率煤样的相应的BTS和NPI关系Figure 6. Relationship between BTS and NPI of coal samples with different moisture content对煤样的BTS和NPI的相关性进行回归分析，可以看出BTS与NPI成负指数关系：
$$ {\rm{B T S}}=-2.53 \mathrm{e}^{-\textstyle\frac{{\rm{NPI}}}{44.83}}+2.10 $$ (3) 其中，NPI和BTS单位分别为N/mm和MPa。由图6可以看出，不同于之前UCS和NPI呈线性相关函数，在试验测试中，得出的BTS与NPI不是线性回归，而是呈负指数型相关，且总体拟合效果较好，因此，本文的研究曲线可以为后续研究过程提供必要的参考。
3. 煤样水岩作用宏细观特征
3.1 含水率对煤样强度特性的影响
为了尽可能消除煤样各向异性对煤样水岩作用弱化分析的影响，根据获得的煤样UCS和BTS与NPI之间的量化关系，采用同一煤样进行不同含水率的针入强度试验，并采用CT扫描分析该煤样浸水前后微观孔隙结构的变化。不同含水率煤样的针贯入试验结果见表2。
表 2 不同含水率下煤样针入强度试验结果Table 2. Test results of needle penetration of coal samples under different moisture contents煤样含水率/% F=40 N下的贯入长度D/mm UCS/MPa BTS/MPa NPI/（N·mm−1） 0 0.23 12.22 2.05 173.91 0.5 0.56 5.02 1.59 71.42 1 0.94 3.00 1.12 42.55 1.5 1.29 2.18 0.83 31.01 2.16 1.71 1.64 0.60 23.39 煤样NPI与含水率之间的关系如图7所示。由图7可知，煤样的NPI随着含水率的升高，呈指数型下降。由干燥到饱和，煤样针入强度从 173.91 N/mm 降低至 23.39 N/mm，降低幅度为 86.55%。根据上文得到的抗压强度（式（2））以及抗拉强度（式（3））估算公式，得到了不同含水率煤样的抗压抗拉强度并进行拟合，结果如图7所示，可以看出煤样单轴抗压强度随含水率的升高呈负指数型趋势下降，BTS成线性趋势下降，从干燥到饱和，两者分别降低了86.55%和70.73%。
3.2 煤样水浸前后孔隙演化特征
3.2.1 煤样CT扫描与三维重构
为了进一步获得煤样水岩作用强度弱化机理，采用CT扫描对上述煤样浸水前后孔隙率和矿物成分进行分析。由于在CT扫描过程中很难控制煤样的含水率，本文仅对煤样进行自然状态和浸水饱和状态2种情况下的CT试验（饱和状态煤样为浸水75 h），2次试验的扫描精度都为 20 μm。对煤样的CT扫描数据进行切片处理，沿圆盘煤样的高度方向进行切片。每张切片的高度为1个像素，大小为长和宽都是2 400个像素的正方形。调节切片图的最大最小阈值，使其图像上各个不同成分的颜色能够明显区分。CT扫描的切片图的不同灰度颜色能够帮助有效识别各类不同的物质和结构，其中煤基质为较为灰黑的颜色，占据切片图的大部分面积；各种矿物质则多是亮白色，煤样中的孔裂隙是黑色的，二者都多为细长条状，具体如图8所示。
采用Avizo三维重构软件进行CT扫描数据处理，对煤样内部不同孔径的孔隙进行定量分析，为了精确获得CT扫描孔隙阈值划分，利用核磁共振获得的孔径分布和孔隙率对CT扫描试验的结果进行对照分析，不断调节相孔裂隙阈值，使CT扫描的孔隙与核磁共振一致，具体如图9所示。当核磁共振分析结果与CT扫描获得的孔径占比一致后，获得的煤样浸水前后孔隙重构模型用于分析浸水弱化机制。
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图 9 CT重构与核磁共振孔径分布结果对比Figure 9. Comparison of pore size distribution between CT re-construction and NMR3.2.2 煤样浸水前后孔隙与矿物成分分布
煤样在浸水后边界的崩解效应较为明显，且边界的孔隙判定准确性不高，对研究整体的孔隙率变化误差影响较大。除此之外，煤样针入度形成的孔隙虽然很小，但对分析也会存在一定影响。因此笔者对煤样整体进行截割，同时为了确保浸水前后煤样截割部位一致，对煤样首先进行旋转，确保主要裂隙和矿物成分完全重合，浸水前后截割煤样如图10所示。
由图10可以看出，煤样浸水前后孔裂隙变化很难用肉眼分辨，笔者使用Avizo软件中体积计算命令进行CT扫描煤样浸水前后各个组分结构的定量体积占比计算。计算结果显示，浸水前后煤样的孔隙率分别为9.56%和12.11%，升高了2.55%。结合XRD矿物成分分析结果，对煤样CT扫描的矿物成分进行阈值划分，得到矿物成分的空间分布三维模型图像，如图11所示，浸水前后煤样内部的矿物成分体积占比分别为10.27%和8.31%，下降了1.96%。煤样浸水后部分黏土矿物成分遇水变为松软状态和非黏土矿物一起混于水中，导致浸泡后矿物质占比有所减少。对比孔隙增加和矿物成分的减少可以看出，孔隙的增加主要是矿物成分减少导致。
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图 11 浸水前后矿物分布变化Figure 11. Changes of mineral distribution before and after water immersion3.2.3 煤样浸水前后孔隙演化
煤样内部存在2种类型的孔隙结构，一是孤立孔：在煤样内部孤立存在的微小孔隙，这种孔隙与其他孔裂隙的关联性较差，往往独立分布在煤样内部，对水的渗透性不高。二是连通孔：主要是指煤样中的节理裂隙，在煤样内部形成一定的连通裂隙，对水的渗透性能较高。重构的同时对煤样连通孔和孤立孔的变化情况分别进行定量分析。和计算矿物成分的体积占比使用相同的体积计算命令，分别得到孤立孔和连通孔的孔隙率。浸水前后煤样的孤立孔的孔隙率分别为1.85%和2.82%，提高了0.97%；连通孔孔隙率分别为7.71%和9.29%，提高了1.58%，两者一共提高了2.55%，具体如图12所示。由此可知，煤样浸水后连通孔孔隙率的变化较大，连通孔连通性较好，内部的矿物成分能够与水进行交换。孤立孔渗透性差，难以和外部空间进行相互流通，内部空间发育困难。但是两者的孔隙率均有一定量的升高。笔者所取试样的孔隙率整体偏小，连通孔的占比明显高于孤立孔，浸水过后连通孔的增加幅度多于孤立孔一倍有余。
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图 12 浸水前后连通裂隙和孤立孔的变化情况Figure 12. Changes of connected and isolated holes before and after water immersion3.2.4 煤样水浸前后孔隙演化机制
由浸水前后煤样CT扫描重构分析可知，煤样浸水过程中内部的黏土矿物成分遇水膨胀溶解导致煤样孔隙演化，但对煤样孔径及孔隙率影响较大的主要是连通孔附近煤基质中的黏土矿物成分，具体如图13所示。图13为浸水前后矿物成分减少区域与孔隙增加区域，由图13可以看出，两者之间重合度达到了82.3%，由于浸水前后存在一定的膨胀变形，重合比例较高。
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图 13 煤样浸水孔裂隙与矿物成分变化情况Figure 13. Changes of pore fracture and mineral composition of coal samples before and after water immersion3.2.5 煤样水浸前后强度弱化机制
煤样损伤一般从孔隙密集区开始发展，后损伤值升高，损伤范围扩展，直到各损伤区贯通，形成裂缝[36-38]，因此，煤样浸水前后孔隙的增加导致在劈裂过程中更容易形成贯通裂隙。因此，无论是连通孔还是孤立孔的增加，均会导致煤样强度的降低。除了孔隙的影响，由于连通节理裂隙充满水，使得裂隙强度大幅度降低，造成压缩劈裂过程中，裂隙会沿着弱面扩张，降低煤样强度，具体如图14所示。而对于针入度而言，煤样浸水后其原生孔裂隙体积会扩展发育，煤样部分黏土矿物遇水软化，造成孔隙率增加的同时也弱化了煤基质和矿物硬度，进而使得针入强度减小。
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图 14 煤体水浸前后强度弱化机制Figure 14. Strength weakening mechanism of coal before and after water immersion4. 结 论
1）不同含水率煤样单轴抗压强度（UCS）与煤样针入强度（NPI）成线性关系，斜率为0.15。不同含水率煤样巴西劈裂强度（BTS）与煤样NPI成负指数关系。煤样针入强度能够很好地匹配煤样单轴抗压强度和劈裂强度。相对于其他软岩而言，相同UCS下，煤基质的硬度更大。
2）通过针入度低损试验实现了同一煤样不同含水率强度的测试。随着含水率的增大，煤样的针入强度呈指数式减小。由干燥到饱和，煤样针入强度从 173.91 N/mm 降低至 23.39 N/mm，降低幅度为 86.55%。根据针入强度与UCS和BTS的相关关系，可以推断出从干燥到饱和，UCS和BTS分别降低了86.55%和70.73%。
3）通过CT扫描，结合合NMR和XRD精确重构浸水前后孔隙及矿物成分。浸泡前后连通性孔裂隙体积和孤立孔体积分别上升了1.58%和0.97%，浸水主要增加的是连通孔。浸水前后煤样内部的矿物成分的体积占比下降了1.96%，煤样孔隙率的增加主要由矿物成分减少所致。孔隙的增加，再加之水对粘结强度的弱化，使得损伤裂隙沿着孔隙发育，更容易形成贯通裂隙，进而导致煤样强度降低。
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图 3 煤样含水率随浸水时间变化规律
Figure 3. Variation law of moisture content of coal sample with soaking time
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图 5 不同含水率煤样的相应的UCS和NPI关系
Figure 5. Relationship between UCS and NPI of coal samples with different moisture content
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图 6 不同含水率煤样的相应的BTS和NPI关系
Figure 6. Relationship between BTS and NPI of coal samples with different moisture content
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图 9 CT重构与核磁共振孔径分布结果对比
Figure 9. Comparison of pore size distribution between CT re-construction and NMR
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图 11 浸水前后矿物分布变化
Figure 11. Changes of mineral distribution before and after water immersion
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图 12 浸水前后连通裂隙和孤立孔的变化情况
Figure 12. Changes of connected and isolated holes before and after water immersion
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图 13 煤样浸水孔裂隙与矿物成分变化情况
Figure 13. Changes of pore fracture and mineral composition of coal samples before and after water immersion
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图 14 煤体水浸前后强度弱化机制
Figure 14. Strength weakening mechanism of coal before and after water immersion
表 1 抗压强度(UCS)与针入强度(NPI)之间的相关方程
Table 1 Correlation equation between compressive strength (UCS) and penetration strength (NPI)
作者 相关函数（R为相关系数） 单位 岩石类型 UCS NPI Okada等[25] ln UCS = 0.978 ln NPI + 1.599 (R = 0.914) kg/cm2 kg/mm 岩石和土混凝土 Yamaguchi等[26] ln UCS = 0.982 ln NPI − 0.209 (R = 0.872) kg/cm2 kg/cm 火山碎屑岩 Takahashi等[27] UCS = 1.5395 NPI0.9896 (R = 0.90)MPa N/mm 砂岩、粉砂岩、砾岩、灰岩、火山灰岩 Naoto等[28] UCS = 41.8 NPI − 4 (R = 0.899)
UCS = 27.3 NPI + 132 （R=0.834）kPa N/cm 硬质黏土岩
砂岩Erguler等[29] UCS = 0.51 NPI 0.8575 (R = 0.87)MPa N/mm 大理石、粉砂岩、页岩、凝灰岩 Ulusay等[30] UCS = 0.402 NPI0.929 (R = 0.89) MPa N/mm 泥灰岩、凝灰岩、页岩、粉砂岩、砂岩、灰砾岩、泥岩 Aydan[31] UCS = 0.2 NPI MPa N/mm 凝灰岩，砂岩，浮石，石灰岩， Aydan等[32] UCS = 0.3 NPI MPa N/mm 土耳其凝灰岩 Kahraman等[33] UCS = 0.35 NPI (R=0.81) MPa N/mm 煤 Rabat等[34] UCS = 0.13389 NPI (R2=0.9854 )
UCS =0.12559 NPI (R2=0.9804 )MPa N/mm 粉砂岩
石膏
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表 2 不同含水率下煤样针入强度试验结果
Table 2 Test results of needle penetration of coal samples under different moisture contents
煤样含水率/% F=40 N下的贯入长度D/mm UCS/MPa BTS/MPa NPI/（N·mm−1） 0 0.23 12.22 2.05 173.91 0.5 0.56 5.02 1.59 71.42 1 0.94 3.00 1.12 42.55 1.5 1.29 2.18 0.83 31.01 2.16 1.71 1.64 0.60 23.39
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