烘干温度与含水率对原煤物理力学特征影响研究
2020-07-04徐建航
李 芒，冯 丹，李 想，徐建航，李 雷
石家庄铁道大学，土木工程学院，河北 石家庄 050043
1 引言
煤炭作为重要的工业原料，随着我国经济的迅速发展，对于煤炭的需求日益增大，导致煤矿的开采作业越来越复杂，煤矿灾害事故也频频发生。如何突破现有技术瓶颈，安全地进行深层采矿工作是行业内关注的重要课题。因此，研究不同影响因素对原煤力学特征的影响，揭示原煤裂隙场演化规律，对于深层采矿具有重要的意义。王春光等［1］研究了四川白皎矿和徐州张双楼矿的原煤温度场与应力场耦合规律。王凯等［2］制备不同含水率的原煤和型煤煤样，对比不同含水率下两种煤样的破坏方式。蒋长宝等［3］进行了不同含水状态下的含瓦斯煤加卸载试验研究，得出了不同含水率煤样的力学特性。许江等［4］以型煤试样为研究对象，在不同温度条件下对含瓦斯煤进行三轴压缩试验，研究温度对含瓦斯煤的变形及力学特性的影响规律。邹俊鹏等［5］通过常规加载和循环载荷条件下的单轴和三轴力学强度的实验，借助声发射技术，系统研究了单轴循环荷载及三轴载荷条件下原煤的损伤规律。
2 原煤单轴压缩试验
2.1 实验装置
天辰WAW 微机控制电液伺服试验机主要由加载系统和应变测试系统组成。煤样受到来自试验机压头加载的轴向应力并自动记录，煤样产生的应变由应变采集片采集。试验数据实时记录且动态显示实验曲线，并储存到计算机里。
2.2 原煤煤样制备
实验用原煤煤样均取自辽宁省本溪市红阳煤田北部一井林盛矿所采煤块。通过煤块的垂直层里方向密集钻取煤芯，并经切割打磨等工序加工成50mm×100mm 的标准煤样。
2.3 实验方案
实验目的在于探究烘干温度与含水率对原煤物理力学性质的影响，因此将制备的原煤标准试件分为3 组进行试验，根据单一变量原则，对变量ω（含水率）T（温度）进行变量控制试验。对每个试件的进行称重和尺寸测量，质量在260～310g之间，尺寸误差1mm 之内。选取相同含水率试件作为第1 组，分别放入40℃、60℃、80℃的恒温箱中进行烘干，24h 后取出，用于探究烘干温度变量不同对原煤的影响；选取含水率不同的试件作为第2 组，全部放入60℃恒温箱进行烘干，24h 后取出，用于探究含水率不同对原煤的影响。对经过不同预处理后的试件进行单轴压缩试验，观察原煤试件的破坏形态。通过分析试件单轴压缩过程中应力-应变曲线，显示煤体的物理力学特性，揭示各参数变量对原煤物理力学性质及的影响规律。
3 试验结果与分析
3.1 单轴压缩应力-应变曲线特征分析
煤样的单轴应力-应变曲线形状基本相似，均可分为压密阶段、线弹性阶段、塑性阶段与破坏后阶段四个阶段。由于原煤的特殊性，其主要的物理力学特征主要取决于单轴压缩曲线的峰前部分，因此主要分析峰前曲线。压密阶段（OA）：随轴向应力的增加，试件变形增加，轴向变形大于径向变形，试件体积被压缩。线弹性阶段（AB）：试件体积逐渐增大，试件内部微结构被压密密闭合。在此阶段变形可恢复，试件并未产生裂纹。此阶段应力-应变曲线接近于直线。塑性阶段（BC）：岩石内部形成新的裂隙场，随着轴向应力的增加，试件内部裂隙场不断演化，最终导致裂隙贯通使试件破坏。在此阶段煤样已有部分材料脱落，此时再以同样的位移加载，试件的反作用力比较上一阶段下降。由于张开裂缝或微裂缝闭合所引起的变形是不可恢复的，所以呈现塑性变形特征。C 点表示为峰值强度。破坏后阶段（CD）：试件达到峰值强度后，原煤还保留部分承载能力，并未完全丧失。随着进一步加载，试件产生扩容，最终煤岩破碎丧失所有承载能力。
3.2 烘干温度与含水率对原煤的物理力学特征的影响
不同含水率条件下，原煤试件单轴压缩曲线如图1 所示。经计算，含水率由0%增加至13%，抗压强度由21.8MPa 降低至9.7MPa，峰值应变则由0.24mm降至0.17mm，弹性模量则由149.74MPa降至36.83MPa。煤样的抗压强度、峰值应变和弹性模量均受其含水率的影响，均呈负相关关系，即随着含水率的增加，煤样的抗压强度降低、峰值应变减小、弹性模量减小。不同烘干温度条件下，原煤试件单轴压缩曲线如图2 所示。煤样的抗压强度、峰值应变和弹性模量均受其烘干温度的影响，均呈正相关关系，即随着烘干温度的增加，煤样的抗压强度增大、峰值应变增加、弹性模量增大。
图1 不同含水率原煤试件的轴向应力-应变曲线
图2 不同烘干温度原煤试件的轴向应力-应变曲线
4 结束语
原煤的烘干温度以及含水率对其物理力学特征有着重要影响。在该地区原煤的开采过程中，为利用最小的经济投入而获得最大的经济效益，可以合理有效地利用烘干温度及含水率对煤体的影响。若出于安全考虑，可通过降低原煤含水率的方式来有效控制煤体破坏形态。若开采工人及相关设备的安全可以得到保证，则可以通过适当增大原煤含水率的方式，降低其抗压强度，进而可减小开采动力，降低经济投入。
