高温作用后原煤、型煤力学及声发射特性对比试验研究

赵 亮，赵耀江，郭胜亮，陈春谏，潘玉婷，王 浩

(1.太原理工大学安全与应急管理学院，山西 太原 030024；2.太原理工大学矿业工程学院，山西 太原 030024)

随着我国煤炭开采深度不断增加，地热、地压等已成为影响煤矿安全生产的热点问题之一。因此，研究煤样在温度作用下力学及声发射特性规律对煤矿安全生产有着重要意义。

声发射信号是由于材料受外力作用使其内部结构发生变化，从而导致材料内部应力突然重新分布，使机械能转化为声波信号。通过声发射系统的监测，反馈回的各项指标参数蕴含诸多信息，同时与力学分析相结合，可以反映煤样在变形破坏过程中内部结构的变化情况。对于煤岩声发射特性的研究已经有大量成果发表。曹树刚等[1-2]研究认为煤样内部结构变化情况在常规单轴和三轴压缩作用下有很大差异，在围压的作用下，声发射信号在弹性阶段明显减弱；苏承东等[3]在常规压缩试验的基础上，通过控制轴压、围压的加载方式分析了煤样在采动影响下的力学及声发射特性；张朝鹏等[4]制备不同层理角度的煤样，研究其单轴压缩试验下的声发射特征；肖旸等[5]对高温作用后的原煤进行单轴压缩声发射试验，分析热应力对原煤的影响机制。

目前的研究大多针对应力作用下煤样的声发射特性进行分析研究，对高温作用后煤样力学及声发射特征的研究尚不清楚。同时，原煤在制备过程中受自身及其他因素影响难以达到实验标准，因此，能否用型煤代替原煤去做相应的试验研究就显得尤为重要。本试验对比分析了高温作用下原煤、型煤力学及声发射特性规律，为探究温度对煤体作用机制提供理论基础，为型煤代替原煤做高温试验研究提供参考。

1 试验设备及方案

1.1 试验设备

试验所采用的单轴压缩试验装置主要包括主机、计算机控制系统及液压装置。声发射系统采用美国物理声学公司12CHsPCI-2全数字化声发射检测系统。仪器与具体安装操作如图1所示。

1.2 试验样品

煤样取自山西焦煤集团马兰矿18506工作面，煤种为焦煤。

原煤样品制备：使用砂线切割机床将采集的煤样切割成Ф50×100得标准试件，随后用砂纸加工打磨，使试件两边不平度误差不超过0.02 mm。将制作好的煤样A1、A2、A3放入真空箱内保存，防止其氧化。

型煤样品制备：将制备原煤所残余的煤样粉碎，通过筛网选取0.250～0.180 mm的煤粉，取25 g水泥凝结剂与235 g煤粉混合均匀后放入模具，利用型煤制备仪器以15 MPa的压力(保持4 h)将煤粉挤压成型，后经打磨制作成标准的Ф50×100煤样B1、B2、B3。 通过测量计算，煤样基本参数见表1。

图1 声发射系统与单轴压缩声发射试验Fig.1 Acoustic emission system and uniaxialcompression AE test

表1 试件基本参数Table 1 Basic parameters of specimens

1.3 试验方案

将上述制备好的煤样分成三组(A1和B1、A2和B2、A3和B3)，依次放入恒温干燥箱中，随后通入氮气作为保护气体防止在加热过程中氧化变质，三组温度分别设置为20 ℃、100 ℃、200 ℃恒温加热6 h，在充有保护气体的干燥箱中冷却至室温，随后进行单轴压缩声发射试验。

2 试验结果及分析

2.1 原煤、型煤变形及强度对比分析

图2为三组煤样在20 ℃、100 ℃、200 ℃下全应力-应变曲线。由图2可知，原煤、型煤在不同温度处理后的应力-应变曲线变化走势规律具有一致性，煤样在加载过程中共经历四个阶段：压密阶段、弹性阶段、屈服阶段、峰后破坏阶段。图2(a)型煤在200 ℃峰值强度达到最大值，但其应变值要小于经100 ℃处理的煤样，说明型煤随高温处理后，煤体抗压强度随温度的升高而增加；图2(b)原煤随处理温度的升高应力-应变曲线整体下移缩短，直观表明原煤随处理温度的升高，其整体强度显著降低。

图2 煤样应力-应变曲线Fig.2 Stress-strain curve of coal sample

压密阶段，应力-应变曲线随着加载的不断进行斜率逐渐增大，由于轴向应力的作用，煤样内部原生孔-裂隙受挤压作用开始缓慢闭合；弹性阶段，煤样原生孔-裂隙在进一步闭合过程中使其内部结构失稳，从而导致新生裂纹的产生，原煤在该变形区间随着温度的升高而缩短；屈服阶段，曲线斜率减小，这是由于随着裂隙不断发育扩张，各细小裂隙之间融会贯通，形成宏观破裂面，从而导致煤样破坏，应力曲线到达峰值；峰后破坏阶段，当煤样整体抗压强度无法承受轴向应力加载时。煤样整体结构崩坏，轴向应力呈直线下降，残余应力较小，脆性特性明显。

由图2和表2可知，原煤的峰值强度随着试验温度的升高，呈下降趋势，峰值应变也随之减小；但型煤的峰值强度逐渐增大，在同一处理温度下，原煤的峰值应力小于型煤。这是由于型煤在制备过程中受技术条件及黏合剂的影响，导致制备出的型煤样品内部孔裂隙较多且颗粒成分多样，在高温作用下不同膨胀系数的矿物颗粒发生膨胀使原有孔裂隙得以填充，试件力学特性得到了较大的提升；此外，含水率方面型煤大于原煤，温度的上升使煤样内部结合水逸出，导致型煤强度增大。由于原煤的不均性且较型煤更加致密，在高温作用下受热应力作用，导致内部裂隙大量发育破坏其结构的稳定性，从而使原煤强度降低。

表2 煤样峰值强度Table 2 Peak strength of coal sample

2.2 原煤、型煤声发射特征对比分析

图3为20 ℃、100 ℃、200 ℃下原煤、型煤声发射振铃计数-时间-应力曲线，原煤、型煤声发射活动大致可分为3个阶段：声发射初始阶段、声发射稳定阶段、声发射爆发阶段。由此可以得出以下规律。

图3 不同温度下原煤、型煤声发射计数-时间-应力曲线Fig.3 Acoustic emission count-time-stress curves of raw coal and briquette at different temperatures

声发射初始阶段与应力-应变曲线压密阶段相对应。在施加载荷的过程中，煤样内部受挤压作用的影响，原生孔-裂隙开始缓慢闭合，同时少量煤基质颗粒之间相互摩擦，产生少量声发射事件，此阶段原煤、型煤声发射信号较微弱；且在施加轴向应力初期，原煤声发射信号出现一段“空白期”，这是由于型煤在制备过程中仍无法达到原煤的致密程度，在轴向应力加载初期，原煤内部结构未发生较大变化。

声发射稳定阶段，应力-应变曲线斜率出现突变点，在曲线拐点附近原煤、型煤声发射信号发生较大波动，声发射振铃计数激增，原煤较型煤激增现象明显；在应力-应变曲线拐点之后到屈服破坏阶段之前，原煤、型煤的声发射信号未发生较大波动处于相对稳定状态，且高温处理后的煤样与常温煤样相比，拐点发生前移现象。这是由于在拐点之前，煤样内部结构变化以原生孔-裂隙压密为主；拐点之后，随着应力增加，煤样内部破坏形式主要以新生孔-裂隙的产生和发育为主，在煤样内部主要破坏形式发生转变时，结构产生较大改变从而导致声发射信号激增，且由于原煤自身结构的复杂性与不均质性导致原煤激增现象较型煤明显。在高温处理后，由于热应力作用导致型煤、原煤原生孔-裂隙增加，所以拐点出现前移。

随着加载持续进行，当轴向载荷超过煤样承受极限时，试样进入声发射爆发阶段。煤样内部产生大量裂纹间隙，随着细小裂隙不断发育导致煤样内部结构失稳，煤样遭到破坏，该阶段声发射信号活跃。原煤、型煤最大振铃计数稍滞后于峰值应力，且随着试验温度升高，原煤在20 ℃、100 ℃和200 ℃破坏时的最大振铃计数分别为6 489次、13 061次和14 769次，呈增大趋势；型煤在20 ℃、100 ℃和200 ℃破坏时的最大振铃计数分别为11 206次、18 124次和11 865次，呈先增大后减少趋势，100 ℃时达到最大值。

图3(a)型煤应力-时间在120 s左右出现拐点，图3(c)和图3(e)型煤曲线分别在50 s、95 s左右出现拐点，且三条曲线拐点之后曲线斜率明显降低，说明拐点之前试件内部结构未遭受强烈破坏，且随加载进行，应力值快速攀升，斜率较大；拐点之后加载作用对煤样内部结构破坏较为严重，应力增长放缓，斜率降低；由于高温对煤样有致裂作用，因此高温处理后拐点前移。图3(b)和图3(d)原煤加载初期声发射信号出现“空白期”，且二者应力-时间曲线走势规律基本与先前所述型煤一致，但拐点前移幅度大于同温度梯度型煤煤样，这是由于原煤自身结构的复杂性与不均质性导致热应力对其内部结构破坏更加严重。图3(f)原煤无明显拐点，其曲线整体斜率较大且声发射信号活跃，这是由于200 ℃高温产生的热应力对原煤破坏十分严重，煤样内部孔-裂隙发达，煤体整体抗压强度显著降低。

通过对煤样声发射计数-时间-应力关系曲线深入分析研究，诸多学者提出损伤强度的概念来反应煤样内部裂纹发育扩张的应力极限。损伤强度是煤样声发射累计计数-时间曲线的斜率突变点所对应的应力值。图3(a)～图3(e)突变点明显可通过数据定位确定其损伤强度，由于图3(f)无明显突变点，防止实验人员主观误差，通过构造线性辅助线来确定其平均损伤强度，煤样损伤强度见表3。可以看出，原煤随着温度的升高损伤强度逐渐降低；型煤损伤强虽然出现上下波动，但高温处理后型煤的损伤强度较常温相比明显下降。经对比可知，损伤强度值正好处于应力-时间曲线拐点附近，进一步验证了拐点的出现标志着煤样内部新生孔-裂隙发育扩张开始占主导地位，内部结构开始大面积破坏。

表3 煤样损伤强度Table 3 Damage strength of coal sample

3 结 论

1) 相同处理温度下，型煤的峰值强度大于原煤，随着试验温度的升高，原煤的峰值强度与损伤逐渐降低，峰值应变也随之减小；但型煤的峰值强度逐渐增大，且高温处理后型煤的损伤强度较常温相比降低。

2) 轴向加载初期，型煤、原煤声发射信号较低，且原煤较型煤信号出现一段“空白期”，随着试验温度的升高，原煤最大振铃计数增大，型煤则先增大后减少，100 ℃时达到最大值。

3) 应力-时间曲线拐点附近，原煤、型煤声发射信号产生较大波动，声发射振铃计数激增，原煤较型煤激增现象明显，且高温处理后的煤样与常温相比，拐点前移。

4) 原煤、型煤在加载过程中声发射信号的差异性间接表明了两者结构的差异，对比高温作用后两者力学及声发射特征规律上的不同，更加说明高温作用后原煤内部产生的热应力对结构破坏的剧烈程度。 原煤、型煤高温处理后拐点的出现及附近声发射信号激增标志着煤岩内部裂纹大面积产生，据此可对矿井可能发生动力学灾害部位及时做好预防措施。

4 原煤-型煤力学对比试验结论对于煤体破裂预测预警的意义

通过对原煤-型煤力学声发射特性对比试验结论进行分析，对煤矿安全生产具有如下实际指导意义。

井下煤体在受到应力作用时内部结构变化大致分为两个阶段：原生孔-裂隙压密阶段和新生孔-裂隙的发育扩张。其中以新生孔-裂隙发育扩张为主导地位的结构破坏形式伴随着煤体强度的降低与内部结构大面积破坏，直观表现为应力-应变曲线拐点后曲线斜率明显降低，拐点附近声发射信号明显激增，损伤强度值正好处于应力-时间曲线拐点附近。因此，应力-应变曲线拐点的出现及声发射信号的激增标志着煤体结构主要破坏形式的转变，此后新生孔-裂隙发育占主导地位，煤体内部结构开始大面积破坏，此时井下煤体结构易失稳破碎，孔-裂隙的不断发育又可导致煤层中瓦斯大量涌出，对于煤矿安全是重大隐患。在实际开采过程中为保障矿井安全生产，应对井下主要隐患部位(采掘工作面等)进行应力-应变拐点与声发射信号激增现象的实时监测，对于矿井可能发生煤与瓦斯突出部位提前采取预防措施，及时对该区域煤岩进行整体加固，对煤矿生产起到安全保障作用。

同时，随着温度的升高，煤样拐点前移及原煤峰值强度的降低，说明温度直接影响煤体强度；虽然型煤应力峰值强度随温度升高增大，但经高温处理的型煤损伤强度降低，表明煤体内部裂纹发育扩张的应力极限随温度升高降低，煤体较常温在应力作用下更容易破坏。因此在采掘工作面等地区应对煤体温度进行实时检测，防止由于地热、机电散热及采掘工作的进行使煤体温度升高，导致煤体失稳从而引发矿井动力学灾害。