热力耦合作用下长焰煤的热变形规律试验研究

王 霞，冯子军

(1.太原理工大学 矿业工程学院，山西 太原 030024；2.太原理工大学原位改性采矿教育部重点实验室，山西 太原 030024)

我国的能源种类包括煤炭、石油、天然气，其中煤炭资源储量丰富，据第三次全国煤炭预测工作表明，煤炭保有储量达10032.6亿t[1]，低变质煤约占一半以上[2]。低变质煤包括：褐煤、长焰煤、不粘煤，也包括部分弱粘结煤和1—3号气煤，其中长焰煤占低变质煤的40%左右[3，4]。根据2025年中国能源消费结构预测，可知未来几年煤炭的消费仍在半数或半数以上[5]。因低变质煤灰分高、挥发分高、含水率高、热值低等缺点，目前，仅用于火力发电，其附加值较低，易造成一系列环境问题。如何合理有效利用和开采低变质煤，成为当今社会的热点问题。随着煤体原位开采方法的提出[6，7]，在煤体原位开采和地下气化、液化过程中，煤层的变形问题尤为突出。因此，研究煤体在高温三轴应力下的热变形和热膨胀系数的演化规律对煤层开采具有重要意义。

诸多学者对于花岗岩[8-10]、砂岩[11，12]、石灰岩[13]、油页岩[14]等的热变形演化规律进行了大量表征。由于煤中有机质的影响，其热变形演化规律[15-22]相对岩石更为复杂。文献[16]通过试验研究发现了煤体热膨胀的阈值温度为383K。文献[17-20]应用高温三轴压力机表征了不同地区的褐煤、亮煤在室温～400℃的热变形演化规律，表明不同煤种的热变形规律差异性较强。文献[22]研究了大尺寸(∅200mm×400mm)无烟煤在原岩应力下的热变形规律，研究表明：无烟煤的热变形随温度变化分为三个阶段：热膨胀阶段、缓慢压缩阶段、剧烈压缩阶段；无烟煤脆性机制转变为韧性机制的临界温度范围在400～450℃。煤的热变形规律和岩石有所不同，煤体韧性机制和脆性机制会对煤体的变形产生影响[23]。煤的塑性变形随煤变质程度的增高而逐渐降低，并逐渐消失[24，25]。

综上可知，对于煤热变形的研究集中于褐煤、无烟煤，对于长焰煤在高温三轴应力下的热变形规律研究的较少。文献[26]指出深部开采的原岩应力趋于静水应力，对于不同深度煤体的热变形具有重要意义。而低变质煤原位注热开采油气技术中煤体处于高温三轴应力耦合作用，研究其热变形对煤体液化和气化的研究有重要意义。本文利用太原理工大学原位改性采矿教育部重点实验室自主研制的伺服控制多功能高温三轴岩石试验机对山西典型低变质煤中的长焰煤进行试验研究，揭示了长焰煤三轴应力下的热变形规律，阐述了温度和三轴压力对热变形的影响机理，为低变质煤原位注热开采油气技术中热解渗流通道的变形提供数据支持。

1 试验方法及试验设备

1.1 试验样品

试样长焰煤煤样取自山西河保偏煤田，从采煤工作面截取大块长焰煤煤样，并用砂线切割机以垂直层理方向取芯，切割，两端磨平，加工成∅50mm×100mm的标准样，以供测试及分析。长焰煤煤样工业分析和元素分析结果见表1。

表1 长焰煤煤样工业分析和元素分析 %

1.2 试验设备

试验设备为伺服控制多功能高温三轴岩石试验机，如图1所示。试验机由系统控制平台、高温三轴应力室、加热系统组成。试验机的轴压由液压站伺服控制，加载的最大主应力可达600MPa；围压由高纯度氮气加载。试验机的升温系统由11组加热棒均匀加热，最高温度可达600℃；实验过程中，轴向变形数据由光栅尺实时采集，该试验机可进行高温高压下岩石和煤体的渗流和力学特性试验。

图1 伺服控制多功能高温三轴岩石试验机

1.3 试验方法

1)每次试验前多次测量试件尺寸，然后按照试验规程安装于三轴试验机中。

2)将轴压和围压加载至应力预设值。按照轴压—围压的顺序循环逐级加载，加载完毕，开始升温变形试验，升温速率为24℃/h。

3)试验过程中，试样的温度、轴向压力、轴向变形以及时间数据由电脑数据采集系统实时自动采集。

2 高温三轴压力下长焰煤热变形规律分析

2.1 长焰煤热变形规律

以岩石压缩变形为正，膨胀变形为负，长焰煤轴向变形随温度变化规律如图2所示。

图2 长焰煤试样温度与轴向应变

由图2可知，轴向变形在整个升温过程中总体为负，表明长焰煤在500℃范围内持续处于热膨胀变形。根据热膨胀变形将其分为两个阶段：

第一阶段(室温～400℃)：室温至100℃时，煤样的热膨胀变形较小，如1#试样在150℃时的膨胀量为1.96mm；2#试样温度小于77.4℃时，其变形量为0，当温度为100℃时热膨胀量仅为0.46mm。温度小于100℃的热变形主要由膨胀引起的，随着温度逐渐升高，煤样在短时间内快速膨胀。煤样内部矿物膨胀导致煤样的体积膨胀，表现为煤样宏观上的轴向变形增加。100～400 ℃时，当温度到达400℃时，1#试样的热膨胀量达到了9.68mm，试样的总变形量是100℃变形量的4.9倍；2#试样的热膨胀量为8.49mm。此阶段煤体的热变形包括：煤基质的膨胀和热解。在三轴压力下，煤基质的膨胀会导致煤体内部孔隙裂隙闭合；热解过程中产生的热解气，会将煤样的孔隙和裂隙通道打开，400℃之前，煤体在三轴压力下的热解速率较小，此阶段煤的体积膨胀和热解使煤的膨胀速率达到了相对稳定阶段。

第二阶段：400℃～终温，煤样的热膨胀量持续增加，膨胀速率减小。随着温度升高至450℃，1#、2#试样热膨胀变形量分别为10.61mm、9.7mm。1#试样在500℃时热膨胀量达到了11.31mm，最终轴向变形达到1.1%左右。煤体温度大于400℃时，煤样的热解速率加快，产气量增加，导致部分基质收缩。由于长焰煤的变质程度较低，热解产气量较少，导致热解时基质的收缩量与热膨胀量相比较小，煤样整体还是表现为热膨胀。温度到达500℃时，热解产气量对长焰煤固体骨架的影响较小，所以在整个试验过程中，长焰煤表现为持续热膨胀。

2.2 长焰煤热膨胀系数演化规律

长焰煤是一种变质程度较低的煤，根据文献[24]煤构造变形的韧性机制发生在煤阶较低的煤中。岩石的热膨胀系数是指岩石试件温度升高1℃在长度方向上引起的应变量[27]。假设：长焰煤煤样的热应变在弹性范围内。煤样的热膨胀系数可以由式(1)得出：

式中，α(T，σV)为热膨胀系数，10-5/℃；ΔL为轴向相对变形量，mm；T为温度，℃；L为试样原长，mm；σV为体积应力，MPa。

长焰煤在热力耦合作用下的轴向热膨胀系数如图3所示。煤样的线性热膨胀系数随着温度的升高逐渐升高；随着地应力增大，热膨胀系数减小，如地应力为7.5MPa时，轴向热膨胀系数整体小于5MPa。

图3 长焰煤在热力耦合作用下的轴向热膨胀系数

根据图3，可以将煤样的线性热膨胀系数分为三个阶段。第一阶段：热膨胀系数开始升高的温度节点随地应力的增加而增大。1#地应力为5MPa，初始温度17.7℃，18.1℃时热膨胀系数开始增大；2#地应力7.5MPa，初始温度16.9℃，77.4℃时热膨胀系数开始增大。地应力的增大，制约了煤体的热膨胀，热应力和体积应力有一段相互平衡阶段，使得热膨胀系数保持不变。

第二阶段：热膨胀系数随着温度的升高快速增加。1#试样18.1～100℃，热膨胀系数随温度升高几乎呈直线增加；2#试样77.4～200℃，热膨胀系数也随着温度的升高大幅度升高。

第三阶段：热膨胀系数随温度的升高缓慢增加。1#试样在100～400℃时，线性热膨胀系数由1.96×10-5/℃变化至2.42×10-5/℃；2#试样在200～450℃，线性热膨胀系数由1.76×10-5/℃升至2.15×10-5/℃。试样在此阶段线性热膨胀系数的变化幅度较小，增幅仅为 0.22%左右。

1#试样的温度大于400℃时，煤样的轴向热膨胀系数有一定程度的降低。1#试样在400℃时的线性热膨胀系数为2.42×10-5/℃，500℃时的线性热膨胀系数为2.27×10-5/℃。

长焰煤热膨胀系数随着温度的升高可分为三个阶段，且与温度之间可用分段函数表示，见表2。

表2 长焰煤热膨胀系数的分段拟合表

2.3 三轴压力对长焰煤热变形规律的影响

三轴压力对煤样的热变形具有抑制作用，由图2可知，长焰煤煤样的轴向应变随地应力的增大而增大。地应力为7.5MPa时的轴向应变均高于地应力为5MPa时的轴向应变。

室温～100℃时，煤样在地应力5MPa和7.5MPa时，100℃内的轴向应变分别为-1.96×10-2、-0.46×10-2。1#试样从室温升至100℃，煤样持续膨胀；2#试样温度小于77.4℃时，由于地应力和热应力平衡，煤样没有发生形变；当温度大于77.4℃时，热应力大于地应力，煤样膨胀，轴向应变减小。

100℃～终温，1#、2#试样的轴向应变随着温度的升高而减小。300℃时长焰煤煤样的轴向应变分别为：-0.695×10-2、-0.576×10-2；温度在450 ℃时，长焰煤煤样的轴向应变分别为-1.061×10-2、-0.97×10-2。由此可知，地应力为7.5MPa时的轴向应变均高于地应力为5MPa时的轴向应变。当地应力增大时，对煤体的约束增加，从而阻碍了煤体的热膨胀变形。通过数据对比可以发现长焰煤的热变形随着地应力的增大，变形量逐渐减小；变形速率随着地应力的增大而减小。

由图3可知，长焰煤煤样热膨胀系数与地应力存在阈值，小于阈值温度热膨胀系数快速增大；当温度超过阈值温度时，煤样线性膨胀系数的增速较慢。地应力在5MPa、7.5MPa时的线性热膨胀系数阈值分别为100℃、200℃。

花岗岩的膨胀系数峰值在570 ℃左右；安山岩的膨胀系数峰值在250℃[27]。长焰煤煤样的热膨胀系数峰值与温度、地应力有关，由图3可知：地应力为5MPa时，煤样的热膨胀系数峰值在400℃，地应力在7.5MPa时，热膨胀系数峰值对应的温度高于450℃。

3 长焰煤和无烟煤热变形特征对比

在三轴压力下，煤的热变形均是由煤基质的膨胀和热解引起的。长焰煤1#试样和无烟煤[28]的热应变特征规律如图4所示。长焰煤是变质程度最低的一种烟煤，煤样随着温度的升高持续膨胀。高变质烟煤——无烟煤在500m原岩应力下，随着温度的升高先膨胀后压缩。

图4 1#长焰煤和无烟煤轴向应变对比

在小于200℃时，长焰煤和无烟煤都随着温度的升高发生热膨胀变形。由于煤体变质程度的不同，导致长焰煤和无烟煤的轴向热应变具有差异性，长焰煤煤样的膨胀变形较大。温度大于200℃时，无烟煤和长焰煤都发生热解，但表现出了截然不同的变形特征。由于长焰煤变质程度较低，热解气产生量较小，热解产气量并没有使煤体骨架弱化，其变形为热膨胀；无烟煤在200℃之后，无烟煤热解产气量增大，大量热解气的产出使得无烟煤骨架被弱化，导致无烟煤发生压缩变形。热解产气量的多少对煤体的骨架有很大的影响，在试验过程中，长焰煤的热解产气量较少，温度到达500℃时的热解产气量并没有使长焰煤的固体骨架发生弱化，使得长焰煤整体表现为热膨胀。

4 结 论

煤的热变形与煤体的变质程度、试样孔隙裂隙发育程度以及应力场、温度场有关。通过对长焰煤煤样在不同地应力下，热变形和热膨胀系数随温度变化的试验研究，研究结果表明：

1)长焰煤在地应力5MPa、7.5MPa时，长焰煤在500℃内表现为热膨胀变形，热膨胀系数随温度的升高可分为三个阶段：开始增加阶段、快速增加阶段、缓慢增加阶段，与温度之间可采用分段线性函数表示，相关性系数可达0.96。

2)三轴压力对长焰煤的热变形有显著影响，压力越高，开始产生膨胀变形的温度点越高，1#和2#试样开始膨胀的温度分别为18.1℃、77.4℃；热膨胀系数越小，7.5MPa的热膨胀系数曲线整体趋于5MPa之下。

3)长焰煤煤样热膨胀系数与地应力存在阈值，小于阈值温度热膨胀系数快速增大；当温度超过阈值温度时，煤样线性膨胀系数的增速较慢。地应力在5MPa、7.5MPa时的线性热膨胀系数阈值分别为100℃、200℃；长焰煤的热膨胀系数峰值与温度、地应力有关，三轴压力越高，峰值热膨胀系数对应的温度越高。煤样在地应力5MPa时，峰值热膨胀系数对应的温度为400℃，7.5MPa地应力下，450℃内未出现峰值热膨胀系数，其所需温度可能更高。

4)长焰煤煤样在热力耦合作用下，煤样的热变形随着地应力的增加逐渐减小，其热变形速率也在减小。