温度对煤岩力学特性的影响试验研究
时间：2023-03-27 11:15:04 来源：千叶帆 本文已影响人
彦 鹏，王晓琪
（1.国家能源集团宁夏煤业有限责任公司双马煤矿，宁夏 灵武750408；
2.辽宁工程技术大学安全科学与工程学院，辽宁 葫芦岛 125105）
随着采煤深度越来越深，地温越来越高，地温的升高给煤矿带来严重的问题[1]，一是发生煤自燃，会对周围煤体力学性质造成影响[2]；
二是深部煤层抽采钻孔所处的环境较浅部煤层有较大的不同，其中主要包括深部煤层抽采钻孔所处初始煤层温度高，深部抽采钻孔抽采过程中，氧气容易进入封堵段破碎煤体，从而为钻孔周围破碎煤体长时间氧化反应引起自燃创造条件，钻孔周围煤自燃会引起钻孔暂停抽采[3-5]，延误煤矿的正常开采，甚至造成抽采管路内瓦斯爆炸，给井下人员带来重大的安全隐患，造成巨大的经济损伤。现今，高温对邻近未发火煤的力学特性研究较少，研究高温对煤体力学特性的影响十分必要[6-10]。
国内外学者对煤的物理力学特性展开一系列研究，但深部煤岩在高温条件下物理力学特性研究鲜有报道，因此研究高温对深部煤岩力学特性影响因素研究具有重要的作用，研究结果对深部煤层钻孔发火后煤岩的动力灾害防治具有一定的指导意义。
1.1 煤样获取及筛选
实验所用试件为直径50 mm，高为100 mm的标准圆柱形试件如图1所示。
煤原生裂隙结构对于煤力学特性有很大的影响，导致在研究过程中可变因素很多，得出的结果往往离散性大。因此，在挑选过程中，挑选出的煤样尽可能取自同一块煤且取样层理方向保持一致，在此基础上，进一步运用非金属超声波探测仪对所制取的53个煤样试件进行了超声波检测，每个试件测试3次，目的是根据波速挑选出性质更为接近的煤样，从而减少试验结果带来的误差，通过筛选，筛选出性质近似煤样28块，根据温度将煤样试件分为6组，每组保持有效试件3个，对筛选出的试件进行不同温度（50、100、150、200、250、300℃）处理后进行单轴压缩试验，测定煤样试件受载破坏后力学参数的变化情况。
图1 非金属超声波筛选煤样
1.2 煤样氧化处理
对试验中所有煤样进行氧化处理，处理方法相同。在准备做实验前2 d，将所有煤样置于相同环境下进行保存。在做实验过程中，设定电热鼓风干燥箱温度值，将已分好的煤样试件持续加热2 h，之后冷却煤样至室温；
当煤样冷却到室温条件后，将煤样放置于恒温箱中保存。
1.3 试验仪器
具体试验设备如图2所示。各仪器功能：微机电液伺服仪可加载的最大轴压为300 kN，荷重元精度0.01%，测试精度＜0.5%，操作方式全电脑控制，安全装置是电子限位保护，用于获取煤样压缩过程中应力-应变曲线，进行试验对煤样进行位移加载，加载速度设定为0.1 mm/min；
电子显微镜获取煤样端面微观裂纹图，以此研究不同温度处理煤样后裂纹演化规律；
电热鼓风干燥箱温控范围为+10～300℃，温度波动度为±1.0℃，温度分辨率为0.1℃，用于对煤样进行氧化处理；
HCHC-U7非金属超声波检测仪用于获取煤样波形曲线、波速、波幅；
XHCV3D三维扫描系统对煤样加载过程中不同加载位移时进行扫描，获取三维点云图。
图2 试验设备
2.1 同一煤样经过不同温度后裂纹演化规律
为研究不同温度对煤样裂纹演化规律的影响，挑选出外观完整煤样MY9，实验分别对煤样进行50、100、150、200、250、300℃加热处理，为清晰观察到不同温度对煤样作用后裂纹张开度以及裂纹演化情况，借助高清电子显微镜相机对冷却至室温煤样进行拍摄，然后依次进行升温-加热-冷却-拍照，得到以上6种温度处理后冷却至室温煤样截面裂隙照片。图3（a）为通过电子显微镜相机拍摄不同温度处理煤样获得到的局部照片。全图均由局部拍摄照片一一拼接而成。为更好的对裂隙进行宏观观察，将拼接好的不同温度处理后煤样表面裂隙全图进行亮度、色彩调节，如图3（b）所示。
从宏观角度看，如图3（a）、3（b）所示，煤样在加热之前，煤样表面就存在原始裂纹，裂纹仅仅分布在局部位置，裂纹与裂纹之间尚未贯通。随着加热温度的越来越高，原有裂纹发生扩展，裂纹长度逐渐增长，裂隙张开度越来越大，并与此同时，裂纹的扩展不仅仅局限于单裂纹的扩展，而是开始萌生新裂纹，新生成的裂纹与原裂纹之间形成复杂的裂隙网，煤损伤无论是裂隙条数、裂隙张开度、裂隙总周长以及裂隙贯通程度均呈现出增大的趋势。
从微观角度看，随着处理温度的升高，组成煤岩体内部的矿物颗粒热敏感性具有差异，煤样内部原有结构发生破坏，从而造成煤样发生热破裂现象。
图3 煤样受不同温度处理后裂纹变化
运用电子天平、游标卡尺等测量工具测量出不同温度处理后煤样的基本参数。试验得出，经50、100、150、200、250、300℃高温处理后，煤岩质量变化率的平均值分别为-0.87 %、-1.53 %、-3.14 %、-7.10 %、-8.52 %、-8.94 %，煤岩密度变化率分别为-1.30 %、-2.30 %、-4.10 %、-7.00 %、-8.40 %、-9.80%；
质量、密度随温度变化规律如图4所示。随着温度的升高，煤质量、煤密度呈现出下降的趋势。
结合实际矿井，如果采空区发生煤自燃或抽空钻孔发生火灾，势必会加热临近煤层，高温会使得煤岩孔裂隙增大，孔裂隙增大，这势必会降低煤的力学性质，深部矿井煤岩处于高地应力环境，会使得煤岩进一步破坏，裂隙演化速度、裂隙密度会急剧增加，会破坏钻孔而且孔隙中吸附态瓦斯解析通过主裂隙通道与外界贯通，会使得火灾更加严重。
2.2 同一煤样经过不同温度后裂纹演化规律煤岩声速-温度关系
基于HC-U7非金属超声波探测仪检测出声波、声时以及波幅，波速可通过公式1得出，得出不同温度处理煤体的损伤因子D。
式中：VP是煤样未处理的纵波波速，m/s；
VPT为煤样经过不同温度处理后的纵波波速，m/s。
图4 煤岩质量、密度、声速、损伤因子与温度关系
运用非金属超声波探测仪监测煤体内横、纵波传播速度可以研究煤体内部的构成以及孔隙、裂隙情况。通过超声波对不同温度处理煤样进行声速测试，可依此对热损伤煤样进行定量评价。如图4所示煤样波速-温度变化曲线。煤体经过不同温度处理后，煤岩声速变化率分别为-0.36 %、-14.59 %、-19.22%、-24.56%、-37.72 %、-45.91 %，结合图3（b）所示可以说明，随着作用温度的升高，煤岩致密性降低，孔隙增大，导致煤岩声速降低；
煤损伤因子分别为0.007、0.271、0.347、0.431、0.612、0.707。煤样发生氧化导致煤体发生热损伤。一般情况下，非金属超声波波形呈现纺锤形，但是随着温度的逐渐增加，煤样接受波形与纺锤形相比，会逐渐变得凌乱，具体表现为首波波幅减小，声时延长。煤体受到高温的作用，煤结构及材料的性质会发生极大的变化，随着温度的进一步升高，超声波在传播过程中，会因其内部裂纹、缺陷的进一步发育会发生折射和衍射，因此会大大延长声波在煤样中的传播时间，导致波速降低，能量大大衰减。
煤经不同温度的热处理，发生不同程度的热损伤，将温度处理后的煤样冷却至室温，热损伤后煤恢复至原状是一个不可逆的过程。在此基础上，对煤进行轴向压缩试验，在荷载作用下，煤的成核与扩展将使煤物理性质不断恶化。煤岩在受到外界载荷作用，将产生2种力学效应：一是煤刚度发生劣化，在试验过程中也发现，煤含有裂隙在原有的基础上会由于轴向应力的作用继续演化，伴随着煤积蓄能量发生耗损；
二是一部分能量会促使终止于此的裂纹继续扩展。在温度和应力共同作用下，原煤损伤过程极其复杂。温度-力耦合煤损伤过程如图5所示。
图5 温度-力耦合煤损伤过程
3.1 高温、常温处理煤样受压力作用裂纹扩展演化规律
煤样经过不同温度作用后，煤样内部结构和裂隙程度发生很大的变化，受到轴向应力的作用后，煤样随着温度的升高，煤样破坏程度越来越严重，为研究高温处理煤样受到压应力作用裂纹演化规律，记录煤体随轴向载荷的增加，裂纹扩展的过程。试验借助三维激光扫描软件系统采集压裂过程中不同位移煤样的点云，根据煤样采集点云可以清楚的看到煤样裂纹演化情况，在这里挑选出高温250℃煤样MY19、50℃煤样MY21试件进行研究。
3.1.1 高温煤样受力破坏裂纹演化规律
如图6所示，随着外部载荷进一步增大，煤体表面裂纹在逐渐增大。煤样裂纹最先出现的地方位于A点，B、C裂纹由A点向两侧开始萌发、延伸，随着载荷的增大，A点成核区域变大，B、C裂纹长度增加，D裂纹开始产生。轴向应力进一步增大，B、C裂纹长度明显增长，B裂纹开始与D裂纹开始贯通，并且B、C、D裂纹裂隙宽度也在增加。A、B、C裂纹贯通形成一条主要沿轴向方向贯通裂纹，首先形成剪切破坏面。E裂纹等其它裂纹萌生方法与描述裂纹形成过程一致，A、B、C贯通裂纹与其他新形成的裂纹形成串联结构，随着加载不断进行，主裂纹宽度不断增加，沿主裂纹两侧萌发出许多细小裂纹，形成树枝状，裂纹长度逐渐增长，裂纹不断扩展，到达煤样峰值破坏强度后，之前产生的许多微小裂纹迅速发育成宏观裂纹，裂纹之间开始贯通，到达全面破坏阶段时，表面裂纹总长度和裂纹总面积急剧增加，裂纹增加速度和宽度扩张速度加快。
图6 高温煤样各位移破坏状态
3.1.2 常温煤样受力破坏裂纹演化规律
如图7所示，煤样裂纹开始出现位置为1、2点，之后随着轴向应力的加载2、3裂纹开始扩展，裂纹逐渐扩展，直至2、3裂纹贯通，在扩展过程中裂纹宽度逐渐加长，裂纹间距逐渐加宽，裂纹形状呈现分叉状，随着轴向压力进一步加大，2、3裂纹贯通形成的分叉状宽度逐渐加宽，长度逐渐延长，由扩展裂纹转化为局部破坏严重性损伤。与此同时，4裂纹开始产生，裂纹长度加长，随压力增大，裂纹宽度增加。
图7 常温煤样各位移破坏状态
到达全面破坏阶段，2、3裂纹贯通形成的大裂纹破断，3裂纹继续扩展。破坏情况主要沿两条主裂纹进行破坏，破坏状态没有高温煤样那样破坏程度大，而且形成的裂纹数目和裂纹总周长长度长。
3.2 不同温度煤岩受载荷后力学特性
如图8所示，当温度介于50℃～150℃，煤样劈裂面较少，当煤样发生压裂时，煤样沿轴向方向只出现3～5个劈裂面，试件整体光滑；
温度介于200℃～300℃时，煤样受到热应力的作用，使得煤样颗粒受热膨胀，煤样出现新的的裂纹，高温使得煤样产生较多的细小裂纹，这些裂纹由于外部能量的作用，使得这些小裂隙扩展发育，使得原生裂纹扩展、加宽和连通，新形成的小裂纹与煤样内部主裂纹汇合形成裂隙网直至到破坏，导致煤样沿轴向方向存在多个劈裂面，有较多碎煤块弹出；
当温度超过250℃时，煤样未受力前即存在较多损伤，肉眼可见大量裂纹，加载到破坏，接近熔融状态，破碎为细小块状，裂隙纵横交错。可见，随着温度超过200℃，煤样破裂面变多且延性变形增大，能量耗散变大，破坏时的能量释放变小。
3.3 典型煤样应力应变曲线分析
通过对不同温度进行温度-力耦合试验，得到不同组应力应变曲线，根据不同组煤样应力应变曲线，继而选择出力学参数接近平均值的煤样应力-应变曲线，如图9所示。
图9 典型煤岩温度-力耦合作用应力-应变曲线
根据不同温度热处理后应力-应变曲线，可以得出不同温度煤样丰富的损伤演化信息。
压密阶段：受压缩力时，煤岩内部的微孔洞、微裂隙、宏观裂隙、层理被压实，岩石抵抗变形的能力增强，表现为抗压强度逐渐增大，该阶段致密性逐渐变好。压密阶段轴向应变量可以反应煤样温度对煤体造成的损伤程度，由应力应变曲线可以得出，随着温度升高，应变量逐渐增大，表明高温使得煤样孔隙结构更加发育，损伤更为严重。
线弹性阶段：当煤样压密到一定程度后，轴向应力作用使得煤样快速积蓄弹性势能，应力随着变形增加呈现线性增长，常温煤样下单位应变量应力增加速度更快。
屈服阶段：50℃～150℃煤样应力-应变曲线表现出好的线性特征，与线弹性阶段斜率一致，200℃～300℃之间，煤样随着温度的升高，应力-应变曲线变化明显，随着变形的增加，应力变化幅度变小，其变化趋势偏离线性，新生裂纹以及现有裂纹在此阶段不断增长，裂纹与裂纹之间相互贯通，煤体结构变形呈现出不可逆的过程。
破坏阶段：当煤岩内部抗压强度小于轴向应力，这时煤岩积蓄的弹能快速释放破坏煤岩。因煤岩裂纹和裂隙增多，煤岩自身抗压强度降低。根据不同温度煤样应力应变曲线，得出不同温度会对峰值之后煤破坏形态造成极大的影响，在峰值应力之后，宏观裂缝贯穿岩心，岩石瞬间产生破坏，50℃～150℃之间，峰值强度后曲线出现急剧跌落段，煤样破坏迅速，断裂发生集中，50℃煤样应力直线下降继而直线上升循环多次，出现这种原因是煤样裂纹面断裂，裂纹面角度问题，使得煤样出现剪切滑移现象，应力上升原因是裂隙面两侧煤出现咬合现象，阻碍煤样破坏；
200℃开始，峰值强度后曲线出现斜坡式下降，随着温度继续升高，曲线下降坡度逐渐变缓，应力下降呈现台阶式下降，较50℃～150℃煤样无急剧下降、应力突变的现象，应变值较大，残余强度变化明显。
煤岩接受载荷起到到达峰值抗压强度时应变量可以作为判断煤体塑性情况的主要依据。达到峰值强度应变量越大，说明塑性越强，反之，脆性越强。如图9所示，50、100、150、200、250、300℃达到峰值强度时的应变量分别为3.35 %、3.46 %、3.86 %、4.26 %、4.44 %、5.61 %；
峰值抗压强度分别为10.38、7.77、7.24、6.57、4.41、2.52 MPa，表明温度升高使得煤样塑性增强，归结原因为高温使得煤样发生氧化，严重改变了煤岩孔裂隙结构以及煤岩颗粒之间的胶结度，使得煤样完整度降低，表现为塑性特征。综合得出，高温使得煤样塑性加强，力学特性变弱，煤样的破坏形式由脆性向塑性转变。
通过上述分析，得出以下结论：
1）经过不同温度50、100、150、200、250、300℃处理后，煤样损伤程度越来越高，煤岩质量变化率的平均值分别为-0.87 %、-1.53 %、-3.14 %、-7.10 %、-8.52%、-8.94%；
煤岩密度变化率分别为-1.30%、-2.30%、-4.10%、-7.00%、-8.40%、-9.80%；
煤岩声速变化率分别为-0.36 %、-14.59 %、-19.22 %、-24.56 %、-37.72 %、-45.91 %；
煤损伤因子分别为0.007、0.271、0.347、0.431、0.612、0.707；
2）力-温度耦合煤样，随温度的升高，煤样裂纹张开度、总周长，裂隙总表面积、裂纹总条数以及煤样破坏程度会越来越大；
3）随着温度的逐渐升高，煤样的破坏形式愈来愈复杂，破坏后的完整度大大降低，且破坏后破碎煤块增多，煤岩表面出现严重的起皮现象；
4）50℃～150℃煤样应力-应变曲线在屈服阶段表现出好的线性特征，与线弹性阶段斜率一致，200℃～300℃之间，煤样随着温度的升高，应力-应变曲线变化明显，随着变形的增加，应力变化幅度变小，其变化趋势偏离线性，新生裂纹以及现有裂纹在此阶段不断增长，裂纹与裂纹之间相互贯通，煤体结构变形呈现出不可逆的过程；
5）50、100、150、200、250、300℃达到峰值强度时的应变量分别为3.35 %、3.46 %、3.86 %、4.26 %、4.44%、5.61%；
峰值抗压强度分别为10.38、7.77、7.24、6.57、4.41、2.52 MPa，表明温度升高使得煤样塑性增强，归结原因为高温使得煤样发生氧化，严重改变了煤内孔裂隙结构及煤颗粒之间的胶结度，使得煤样完整度降低，表现为塑性特征。
