不同类型煤颗粒侧限压缩变形破碎特性试验研究

2022-03-26郭敬杰蔡浩鑫李海滨花春雨

煤炭科学技术 2022年2期

李伟，钟艺，郭敬杰，蔡浩鑫，李海滨，花春雨

（1.中国矿业大学煤矿瓦斯治理国家工程研究中心，江苏徐州 221116；2.中国矿业大学安全工程学院，江苏徐州 221116）

0 引言

在煤矿采掘活动中，煤体在不同的应力环境下产生破裂破碎和重新压实，而构造煤本身就是在地质条件下形成的煤颗粒的集合体，强度低、黏结性弱［1-4］，因此不同类型煤颗粒体在加载条件下的破碎特性、粒径迁移以及孔隙率演化等对研究煤与瓦斯突出［5-7］和瓦斯抽采［8-9］等具有重要的研究意义。

ZHONG 等［10］通过单个煤颗粒的单轴压缩试验，指出粒径与煤颗粒的强度、煤颗粒的杨氏模量均呈负相关。 DONG 等［11］对近似球形的单个煤颗粒进行大量的单轴压缩试验，提出煤颗粒在单轴加载过程依次表现出弹性与弹塑性，煤颗粒的抗压强度、当量杨氏模量都与粒径成负幂指数关系，且构造煤与原生煤在强度上存在较大差异。 WANG 等［12］也对大量的单个煤颗粒进行单轴压缩试验，利用试验数据分析对比各传统的强度理论，指出其中一种较少被关注的理论较为适用于煤颗粒。由于单个煤颗粒无法反映出煤体的裂隙，其并不能完全表征煤的力学性质，而构造煤多为弱黏结甚至无黏结，因此可以用煤颗粒群进行替代，进一步反映构造煤的性质。GUO 等［13］将构造煤视为无黏结颗粒，系统地研究了煤颗粒双轴剪切特性，结果表明构造煤颗粒只能存储少量的弹性势能，大量外界做功被耗散，通过研究煤颗粒群揭示了构造煤部分特性。马占国等［14］对饱和煤岩颗粒进行了侧限压缩试验，其指出饱和煤岩颗粒压缩过程的应力与应变成指数关系，且粒径对应变速率具有较大的影响，以及含水率对应变影响较大，但是没有深入研究煤颗粒的侧限加载过程。

通过对构造煤和原生煤的煤颗粒进行侧限压缩试验，通过研究加载过程的应力应变曲线和切线模量，分析煤颗粒侧限压缩过程中的变形特性。采用Hardin 的相对破碎率模型［15］和染色标定法［16］，分析煤颗粒群破碎特征并探讨构造煤与原生煤的煤颗粒之间的差异。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

试验所采用的煤样分别来自平煤十三矿、任楼矿、寺河矿和红沙梁矿，其中平煤十三矿和任楼矿煤样为构造煤样，寺河矿和红沙梁矿均为原生结构煤煤样。将4 个煤样破碎并筛分出大颗粒（粒径为3～4 mm）、中颗粒（粒径为2 ～3 mm）和小颗粒（粒径为1～2 mm），按照表1 对4 种煤样都配置6 种不同级配的煤颗粒群试样，6 种级配试样的初始级配曲线如图1 所示。

表1 试样组分Table 1 Sample components

图1 初始粒径级配Fig.1 Initial particle size grading

1.2 试验方法

试验采用图2所示的YAW4206 微机控制电液伺服压力试验机进行试样加载并记录其应力应变曲线。试验时将煤颗粒放入图3 中内径50 mm、高100 mm的缸筒里，并将压头置于煤颗粒之上。为避免加载过程中细小煤颗粒漏出所造成的误差，在缸筒底部进行密封处理。试验时控制下压板以0.1 mm／s 的速率向上移动，记录应力应变曲线，各试样所加载的最大应力见表2。

图2 YAW4206 试验机Fig.2 YAW4206 Experimental machine

图3 侧限压缩装置Fig.3 Confined compression device

表2 试验方案Table 2 Test scheme

试样加载完后对其进行筛分，记录各粒径区间上煤颗粒的质量，并绘制其级配曲线。对染色试样组而言，还需要对筛分后的煤颗粒进行颜色识别。

2 结果与分析

2.1 煤颗粒应力应变关系分析

试验中的侧限压缩装置为刚度远大于煤颗粒的钢制品，可近似认为加载过程中该装置无形变，只认为试样发生轴向的形变。从图4 所示的煤颗粒加载应力应变曲线可以看出，初始时刻曲线存在一定幅度且较为频繁的波动，随后曲线较为平缓斜率小，试验后期曲线较陡斜率较高，因而可将试样加载过程分为3 个阶段：滑移阶段、破碎阶段、压固阶段。

图4 煤颗粒加载应力应变曲线Fig.4 Stress-strain curve of coal particles under loading

煤颗粒加载初期为滑移阶段，曲线呈现明显的波动性，此阶段松散的煤颗粒在轴向应力作用下发生相对滑移填充孔隙，伴随少量煤颗粒破碎，整体呈现抗压能力较弱、易变形特性，该过程中外界输入能量主要用于颗粒摩擦耗散；随后进入破碎阶段，该阶段煤颗粒更为密集，难以发生相对滑移，颗粒间接触力随加载增强，破碎能阈值较低的颗粒首先破碎，破碎后的小煤颗粒再次滑移填充孔隙，颗粒间接触力重新分配，使得试样更加密实，因而宏观表现为试样变形量较大，该过程中外界输入能量主要被颗粒破碎和摩擦消耗［17］；压固阶段出现在加载后期，煤颗粒经过破碎滑移后结构更为稳定，宏观上表现为应变硬化，此阶段外界能量较多地存储在煤颗粒中［18］。

对比构造煤与原生煤试样的应力应变曲线可以发现，破碎阶段构造煤曲线的斜率明显低于原生煤，表明该阶段构造煤抗变形能力更弱。在图5 所示的煤颗粒加载后的状况中，图5a 和图5b 等构造煤颗粒在应力10 MPa 下已经出现了明显黏结现象，而图5c 和图5d 等原生煤颗粒十分松散且没有黏结成块现象，表明构造煤颗粒在应力作用后被快速压实，呈现塑性变形，具有流变特性，存在结构咬合［19］甚至黏聚力［20］，且并不能存储较多的能量。

图5 加载后的煤颗粒Fig.5 Loaded coal particles

试验结束后卸压瞬间，原煤试样出现明显回弹，但构造煤并没有观测到相关现象，表明在压固阶段，构造煤试样外界输入能量主要被塑性变形和破碎消耗，而原煤试样中能量存储为弹性势能在卸荷瞬间释放。

2.2 切线模量-应力曲线分析

切线模量是应力相对于应变变化率，能反映物体瞬时的变形能力［21］，其计算公式为式（1）：

式中：Et为切线模量；σ为轴向应力；ε为试样轴向应变；F为轴向载荷；s为压头轴向位移；l为试样初始高度。

由于加载过程中煤颗粒滑移与破碎现象以及试验机非完全连续加载均会导致试样加载曲线出现波动，并对计算切线模量产生一定影响，因此对数据进行等间隔取样处理，图6 为处理过后S1 级配试样的切线模量随应力的变化情况。在滑移阶段和破碎阶段的前期（应力低于2 MPa），原生煤试样的切向模量均高于构造煤试样，进一步印证了构造煤颗粒本身的抵抗变形能力较弱。破碎阶段末端构造煤与原生煤试样的切线模量的差距逐渐减少，进入压实阶段后等于甚至超过原生煤样，说明构造煤试样经过破碎阶段后更早进入应变硬化阶段，硬化特性更明显。

图6 切线模量-应力曲线Fig.6 Tangential modulus-stress curve

2.3 煤颗粒加载前后的级配曲线分析

图7 为2 个不同矿的构造煤的S1、S3 级配试样经不同应力加载后的颗粒级配曲线。显示了应力的增加，试样的级配曲线不断向左上角移动，趋近其最终级配曲线［22］。试样级配在应力5 MPa 作用下发生了明显变化，主要对应颗粒滑移阶段和破碎阶段，但增加应力后，级配曲线变化减缓，该过程对应固化阶段，颗粒破碎量相对较少，因此级配变化幅度降低。

图7 试验前后级配曲线Fig.7 Gradation curves before and after experiment

平煤十三矿S1、S3 和任楼S3 三个试样在应力为15 MPa 和20 MPa 时，级配曲线接近重合，表明3种试样在15 MPa 时已形成稳定级配和力学结构且具有很强的抗变形能力，因此只有极少颗粒出现破碎。

此外，试验发现除S1 级配其余级配试样的级配曲线在加载后均出现了“阶梯”形状，如图7 中S3试样加载后级配曲线所示。显示了破碎后粒径2.5～3.0 mm 的煤颗粒极少，出现“粒径丢失”的情况，表明侧限加载过程中粒径2.5 ～3.0 mm 的煤颗粒不稳定容易破碎。

2.4 破碎情况总体分析

颗粒群破碎与初始空隙率、颗粒形貌、粒径级配及颗粒本身力学特性密切关联，是一个复杂的力学过程。颗粒群的级配曲线变化能较好地表征其破碎情况，许多学者通过级配曲线积分量化得到破碎程度。采用了Hardin 的相对破碎率模型［15］进行试样破碎的量化分析。图8 为相对破碎率计算示意，称破碎量与残余破碎势之和为整体破碎势Bp，则关于相对破碎率计算公式如式（2）—式（4）：

式中：Br为相对破碎率，无量纲；Bt为破碎量，为图8 中破碎前后粒径级配曲线和横轴所围成的面积，无量纲；Bp为整体破碎势，为图8 中初始级配曲线与竖轴所围成的面积，无量纲；d为粒径，Hardin 认为粒径小于0.074 mm 的颗粒非常稳定，难以发生破碎［15］；bp为对粒径进行无量纲化处理后的值；p为小于某粒径的质量占比。

图8 相对破碎率计算示意Fig.8 Diagram of relative breakage rate calculation

通过计算试样相对破碎率可以得到图9 所示的各因素与相对破碎率关系，图9a 显示了应力对相对破碎率有较大影响，但是当应力较高时，影响程度较弱，这也进一步印证了煤颗粒在压固阶段发生的破碎较少。

从图9b 中可以看出，单一级配系列（S1、S2、S3）的试样相对破碎率近似随着粒径的增加而增加。这是因为，粒径较大的颗粒自然堆积后容易产生较大的孔隙，且难以通过颗粒滑移填充，故易产生较强的接触力，更容易达到颗粒破碎阈值导致颗粒破碎，破碎后的颗粒填充孔隙后形成抗荷载能力更强的结构；反之对于粒径较小的颗粒，自然堆积后产生孔隙较小，产生少量破碎后即可填充孔隙形成稳定抗压结构，因此，单一级配系列的试样相对破碎率近似随粒径增大而增大。

图9 各因素对试样相对破碎率的影响Fig.9 Influence of various factors on relative breakage rate of samples

由于混合级配系列（M1、M2、M3）的试样中煤颗粒粒径分布相对更均匀，初始孔隙较低，故混合级配系列试样相对破碎率总体较单一级配系列更低。煤颗粒的相对破碎率受到粒径级配和煤种共同影响。混合级配系列中红沙梁矿试样的相对破碎率受级配影响极小；任楼矿和寺河矿煤颗粒破碎率随大粒径颗粒减少而增大；平煤十三矿的单一级配和混合级配系列试样均未表现出明显规律，这与构造煤的塑性、弱黏结和力学性质不均匀有关。

2.5 煤颗粒破碎具体特征

粒径3～4 mm 为大粒径；2～3 mm 为中粒径；1～2 mm 为小粒径。试验后染色试样组的煤颗粒在一定粒径区间内尺寸差距较小，可认为均匀混合的各染色煤颗粒质量百分比与其在一个面上的面积百分比相等［23］。因此可通过图10 所示的颜色识别步骤可以得到中粒径上绿色与红色煤颗粒的质量。

图10 染色煤颗粒颜色识别过程Fig.10 Color recognition process of dyed coal particles

式中：pb-m为大粒径煤颗粒破碎至中粒径的占比；mb-m为大粒径煤颗粒破碎至中粒径的质量；ms，b为大粒径煤颗粒存活的质量；m0，b为其初始质量。

对颜色识别后的数据采用式（5）和式（6）处理可得到图10 所示的大、中粒径煤颗粒破碎特征。中粒径煤颗粒的绝对破碎率均在50%以上且均高于大粒径破碎率，与前文中粒径2.5 ～3.0 mm 颗粒缺失对应，可能是因为煤颗粒结构纹理特性导致了该粒径区间煤颗粒不稳定，极易破碎，因而2～3 mm 煤颗粒破碎率更高。

图11a 中相同条件下构造煤大、中粒径绝对破碎率均明显高于原生煤，也进一步印证了图9b 中相同条件下构造煤相对破碎率均高于原生煤。此外，图11b 中原生煤试样大粒径煤颗约50%以上破碎至中粒径范围，而构造煤试样的大粒径煤颗粒发生破碎后在中粒径范围内比例更小。这是因为破碎为中粒径颗粒强度不足以支撑其载荷，因此更多大粒径构造煤破碎为小粒径甚至更小的颗粒。综合以上结果，表明试验条件相同，构造煤更容易发生破碎且破碎程度更高。

图11 大、中粒径煤颗粒的破碎特征Fig.11 Breakage characteristics of large and medium size coal particles

3 讨论

在应力加载下，煤颗粒逐渐压实并产生破碎，尤其是构造煤颗粒，本身在经历了地质时期应力破坏破碎后，呈现塑性特征。而在此次试验中，再次加载破碎，使得构造煤颗粒更容易破碎至更小粒径，甚至呈现流变特征，使得加载后煤体孔隙率更低，如图12 所示。但外界加载做功主要消耗在煤颗粒摩擦、破碎流变等阶段，构造煤颗粒本身存储的弹性能很低。在现场条件下，受采掘影响，构造煤也存在二次破碎重新压实作用，改造煤颗粒孔隙结构，导致构造煤区域渗透率更低，具备了保存吸附瓦斯条件［24］。在卸压边界条件下，复杂构造应力叠加采动应力，使得构造煤体产生局部大变形，为转化富集游离瓦斯能提供条件，同时也为破碎抛出弱黏结的构造煤提供能量和物质基础［25-26］。而原煤颗粒表现出较难破碎，且具有较高的弹性能存储特性。进一步对不同类型煤颗粒的细观力学、颗粒破碎动力学的深入研究为煤岩动力灾害预测预报提供基础。