单轴压缩下低温冷冻原煤的变形及声发射特征试验研究

2021-02-05樊国伟尚军宁

煤矿安全 2021年1期

樊国伟，尚军宁

（1.运城职业技术学院教学矿井，山西运城044000；2.中国矿业大学（北京）能源与矿业学院，北京100083）

随着国家能源战略的西移，西部矿区已成为我国主要的煤炭生产基地[1-2]。西部矿区煤层地质条件相对简单，开采难度相对较小。但随着开采深度的增加，煤层瓦斯含量与地应力相应升高，煤层渗透率降低，瓦斯抽采的难度加大。现有的煤层增透技术主要包括深孔爆破、水力压裂、低温冻结及超临界气体压裂等。由于低温冻结增透技术具有低能耗和无污染的优势受到广泛关注。因此，迫切需要开展低温冻结条件下煤岩体的物理力学性质研究，为西部矿区高瓦斯煤层的瓦斯抽采提供理论依据。近年来，众多学者在低温冻结煤岩的物理力学性质方面开展了大量的研究，取得了较为丰富的研究成果[3-13]。这些成果多是针对岩石和型煤进行的研究，涉及冻结作用下原煤物理力学性质的研究相对较少。因此，以西部矿区布尔台矿4-2煤为研究对象，分别对自然状态和自然饱水原煤进行低温冷冻，对冷冻处理后的2 组煤样与未经冷冻处理的1 组煤样开展单轴压缩声发射试验，对3 种不同状态下煤样的强度及变形特征进行分析，并对变形破坏过程中的声发射特征与损伤演化规律展开研究。该成果为低温冻结增透技术在西部矿区高瓦斯煤层中的应用提供理论基础。

1 试验描述

1.1 样品制备

试验选用样品取自内蒙古布尔台煤矿4-2煤层，属侏罗系中下统延安组，平均煤层厚度为3.78 m，平均埋深为401 m，煤样视密度为1.3 g/cm3。根据工业分析结果，煤样的水分含量为9.97%，挥发分含量为26.43%，灰分含量为1.2%，固定碳含量为62.39%，属于烟煤。

为降低试验数据的离散型，在选取煤样时，应尽量克服视缺陷结构较多的煤样，并在同一块煤样上取样加工。根据国际岩石力学学会的建议，将煤块制作成直径为25 mm，高度为50 mm 的圆柱体煤样。煤样两端面垂直于圆柱轴向，最大偏差不超过0.25°，端面的不平整度不大于0.1 mm。将加工好的煤样分为自然状态（标记为N），自然冷冻状态（NF）和饱水冷冻状态（SF）3 组，每组3 个煤样，并依次编号，其中自然状态为对照组，然后对煤样的高度、直径及质量进行测量并对其密度进行计算，煤样物理力学参数见表1。

1.2 试验设备

单轴压缩试验在北京市计算中心力学实验室完成，试验设备，包括WDW-100E 型万能试验机测试系统和美国物理声学公司（PAC）生产的PCI-Ⅱ型声发射监测系统。为有效获得不同处理条件下煤样的全应力应变曲线并分析其力学性质变化规律，试验过程中，采用轴向位移控制加载方式，设定加载速率恒定为0.1 mm/min。声发射系统的信号门槛值和采样率分别设置为40 dB 和1 MHz。利用耦合剂和胶带将声发射传感器固定于煤样表面，保证两者充分接触且不脱落。

表1 煤样物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of coal samples

1.3 试验方案

通过对煤样进行处理，获得不同状态下的试验样品。对于饱水冷冻煤样处理，首先对标号为SF 的煤样进行饱水处理，采用自由吸水法，将煤样完全浸泡在水中，在72 h 内，每隔2 h 取出样品，擦干表面水分后用天平称重并记录，煤样的吸水质量-时间曲线如图1。

图1 煤样吸水质量-时间曲线Fig.1 Coal sample water absorption quality-time curves

由图1 可以看出，吸水时间在40 h 时，该组样品基本达到饱和状态。待煤样完全饱水后，采用保鲜膜包裹密封，立刻与另外一组标号为NF 的自然煤样放入冰箱冷冻室中进行冷冻处理，冷冻温度为-20 ℃，冷冻时间为24 h。

试验中确保声发射系统与万能试验机系统在时间上一致，然后开始对煤样进行加载，声发射系统同步开始采集声发射信号，直至煤样发生破坏，停止加载，并对相关数据进行存储。对于经过低温冷冻处理的煤样，为了保证冷冻效果，直到试验前才从冷冻室取出，然后立即进行试验，并在试验过程中忽略环境温度对其产生的影响。

2 试验结果

2.1 低温冷冻下原煤的强度及变形特征

按照抗压强度公式对3 种状态下的煤样进行计算，不同状态下煤样单轴抗压强度如图2。不难看出低温冷冻处理后的煤样抗压强度出现一定程度降低，未经冷冻处理的自然煤样的平均抗压强度最大，为22.62 MPa，而自然冷冻煤样为19.47 MPa，较未冷冻状态强度下降13.93%；饱水冷冻煤样的平均抗压强度最小，为16.96 MPa，较未冷冻自然煤样强度下降25.02%。其主要原因是低温条件下煤样内部的水缓慢结冰，体积膨胀对原始煤样产生损伤，致使煤样完整性降低，故抗压强度相应降低，且含水量越多，抗压强度下降越多。

图2 不同状态下煤样单轴抗压强度Fig.2 Uniaxial compressive strength of coal samples in different conditions

不同状态下煤样应力-应变曲线如图3。从图3可以看出，低温冷冻处理后的煤样变形趋势与自然状态下基本一致，依次可分为压密阶段、弹性变形阶段、塑性变形阶段和峰后破坏阶段。在加载初期处于压密阶段，煤样内部孔隙、裂隙等原生缺陷在外部载荷作用下开始闭合，导致该阶段变形增加较快，曲线出现上凹；随着载荷继续增加，原生缺陷基本闭合，开始进入弹性阶段，该阶段应力与应变呈线性关系；随着载荷继续增大，曲线开始偏离原来的直线，进入塑性阶段，内部开始产生微裂纹；随着载荷增大至峰值载荷，进入破坏阶段，煤样内部微裂纹快速贯通，形成宏观裂纹，煤样破坏。

图3 不同状态下应力-应变曲线Fig.3 Stress-strain curves in different conditions

与自然状态下的煤样相比，冷冻处理后煤样的压密阶段曲线斜率降低，且饱水冷冻状态下最小。对比不同状态煤样的峰后阶段，可以看出：自然状态下煤样的曲线最长，呈阶梯式跌落，表现出一定的脆性；而饱水冷冻状态下煤样的曲线最短，呈直接跌落，煤样直接破坏，脆性明显增强。出现以上现象的主要原因是低温冷冻条件下煤样内部水缓慢结冰，由于水的反膨胀现象造成体积增大，导致煤样完整性降低，故在较低载荷下样品内部出现裂隙闭合，产生较大变形；饱水煤样在冷冻处理时，出现较大的损伤，煤样的完整性较差，脆性随含水量的增加相应增强，因此峰后曲线表现出迅速跌落；可以看出，初始煤样的完整性越低，其脆性越强。

不同状态下煤样破坏形态如图4。从图4 可以看出，自然状态下的破碎煤样块度较大，而经过低温冷冻处理后煤样的破碎程度明显增加，且饱水冷冻状态下破碎程度最高，主要原因是含水煤样在低温冷冻过程中由于膨胀导致的损伤降低了煤样的完整性，内部裂隙发育，达到峰值载荷后，煤样更容易破碎。

2.2 低温冷冻下原煤的声发射特征

煤岩在其变形破坏过程中会以弹性波（声发射）的形式向外界释放能量[14]，通过对声发射参数进行分析可以更好地认识煤岩变形破坏特征。利用AE win 软件对声发射波形信号进行处理，得到声发射参数时间序列，由于声发射数据较多，以下仅对通道1 的声发射参数展开分析。

图4 不同状态下煤样破坏形态Fig.4 Coal sample failure patterns under different conditions

不同状态下煤样载荷、撞击率、损伤随时间演化如图5。由图5 可以看出，低温冷冻处理后煤样的撞击率随时间演化规律与自然状态下的煤样基本一致：加载初期因内部原生缺陷及冷冻膨胀裂隙闭合产生少量的声发射，撞击率相应较小；弹性阶段仅产生少量的声发射，撞击率较低；随着载荷的继续增加，进入塑性变形阶段，内部裂纹扩展，产生的声发射较多，撞击率相应增大；临近峰值载荷处，声发射大量产生，撞击率达到最大值，可作为煤样的破坏前兆；而峰后阶段则由于裂纹扩展贯通会产生一定的声发射信号。

其存在的差异主要为：加载初期自然状态和自然冷冻状态下的煤样仅产生少量声发射，撞击率较小；而饱水冷冻状态下产生较多的声发射，撞击率较大，其主要原因是饱水冷冻煤样内部冷冻膨胀形成较多裂隙，在外部载荷作用下冷冻膨胀裂隙及原生缺陷闭合产生声发射的较多，对应撞击率较大。同样低温冷冻处理后煤样最大撞击率也相应增高，自然状态下最小，仅为49，而自然冷冻状态下为54，较自然状态下增加10.20%，饱水冷冻状态下最大撞击率最大，为60，较自然状态下增加22.45%。主要原因是低温冷冻作用致使煤样内部产生膨胀裂隙，在外部载荷作用下，内部裂纹产生和扩展活动更加频繁，故产生的声发射较自然状态下多，撞击率较大。

2.3 低温冷冻下原煤的损伤演化特征

岩石在破坏变形过程中的声发射反映了其内部裂纹萌生、扩展和贯通破坏的演化过程，因此可以采用声发射参数来定义损伤变量[15-16]。用声发射累计能量来定义损伤。

图5 不同状态下煤样载荷、撞击率、损伤随时间演化Fig.5 Evolution of coal sample load, hit rate and damage with time under different conditions

从图5 可以看出，不同状态的煤样损伤随时间的演化趋势基本不发生变化，依次可分为初始损伤阶段、损伤缓慢阶段、快速损伤阶段和峰后损伤阶段。在加载初期，因内部冷冻膨胀裂隙及原生缺陷闭合产生一定的损伤，损伤缓慢增加，处于初始损伤阶段；进入弹性阶段后，内部产生弹性可恢复变形，仅产生少量声发射，损伤基本保持恒定，处于损伤缓慢阶段；进入塑性变形阶段后，内部裂纹不断扩展，声发射快速增加，损伤快速增加，处于快速损伤阶段，临近峰值载荷时，损伤出现明显的台阶上升，可作为煤样的破坏前兆；而在峰后阶段，煤样破坏卸压，因此损伤缓慢增加。

相比于自然煤样，低温冷冻处理后的煤样压密阶段和峰后阶段出现一定变化，饱水冷冻状态下压密阶段损伤增加较多，而自然冷冻状态下增加较少，主要是含水量越高，冷冻处理过程中产生的冷冻膨胀裂隙越多，压密阶段声发射活动越频繁，损伤积累越多。低温冷冻处理后峰后阶段明显缩短，且损伤增加较少，饱水冷冻状态下峰后损伤基本不增加，峰值载荷处煤样发生破坏，损伤达到最大值1；而自然冷冻状态下峰后损伤小幅增加；自然状态下峰后损伤仍有较大增加。低温冷冻处理后煤样在峰值载荷处损伤演化明显不同，自然状态下呈多级台阶上升；而自然冷冻状态和饱水冷冻状态下呈单级台阶上升，损伤增长较快，对应破坏越剧烈，煤样破碎程度越高。