不同沖擊傾向煤樣表面溫度場(chǎng)與變形場(chǎng)演化特征

呂玉凱，蔣 聰,成 果,姜耀東,2

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

不同沖擊傾向煤樣表面溫度場(chǎng)與變形場(chǎng)演化特征

呂玉凱1，蔣 聰1,成 果1,姜耀東1,2

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

采用實(shí)驗(yàn)手段，研究單軸壓縮過(guò)程中，沖擊傾向性和非沖擊傾向性煤樣表面變形場(chǎng)和溫度場(chǎng)演化特征。運(yùn)用白光散斑分析方法，對(duì)樣品表面變形局部化帶演化進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)非沖擊傾向性煤樣局部化出現(xiàn)在加載的彈性階段，而沖擊傾向性煤樣出現(xiàn)在塑性階段，沖擊煤樣的變形場(chǎng)演化要較非沖擊煤樣劇烈；沖擊煤樣與非沖擊煤樣的變形局部化內(nèi)部區(qū)域溫度整體較外部區(qū)域高，且變化規(guī)律基本相同，而局部化內(nèi)外溫差變化與其相反；沖擊煤樣的絕對(duì)溫度變化較非沖擊樣品變化大；沖擊煤樣的溫度場(chǎng)對(duì)應(yīng)的變形局部化演化較非沖擊煤樣簡(jiǎn)單；基于不同煤樣的全巖礦物分析及黏土礦物成分分析，對(duì)比了沖擊煤樣與非沖擊煤樣內(nèi)部晶體、非晶體及黏土礦物的含量，從而探討內(nèi)部組分對(duì)宏觀溫度場(chǎng)和變形場(chǎng)的影響。

煤樣；沖擊傾向性；溫度場(chǎng)；變形場(chǎng)；X射線衍射

我國(guó)淺部煤炭資源趨于枯竭，不可避免的進(jìn)入深部開(kāi)采；深部開(kāi)采中常呈現(xiàn)出開(kāi)采空間大、開(kāi)采擾動(dòng)劇烈、煤巖體的介質(zhì)屬性及應(yīng)力分布復(fù)雜的現(xiàn)狀，易導(dǎo)致異常劇烈的失穩(wěn)破壞發(fā)生，且不易獲取其宏觀前兆特征，為此，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量研究并得到許多成果[1]。在礦井深部開(kāi)采時(shí)發(fā)生沖擊地壓過(guò)程中也觀測(cè)到工作面及巷道溫度變化的前兆現(xiàn)象[2-3]。雙軸加載實(shí)驗(yàn)中，巖石失穩(wěn)破壞前，其表面的平均溫度有上升—下降—再上升的演化特征[4-5]，對(duì)于預(yù)制節(jié)理的巖石，其熱場(chǎng)變化中，先是降溫，然后在失穩(wěn)前開(kāi)始升溫，該降溫時(shí)刻可以視為樣品失穩(wěn)破壞前兆[6]。

煤巖體產(chǎn)生變形局部化的尺度范圍很大，大到由于地殼運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的數(shù)百公里斷層構(gòu)造、小到實(shí)驗(yàn)室尺度樣品均有該種現(xiàn)象的產(chǎn)生[7-8]。在實(shí)驗(yàn)室尺度下，更加容易獲取各種條件的變形局部化的演化特征。在單軸壓縮條件下，基于細(xì)觀統(tǒng)計(jì)損傷力學(xué)的研究上，可以將巖石變形局部化分為3個(gè)階段：非均勻損傷分布、局部化損傷、破壞；在非均勻損傷分布階段，變形局部化帶中應(yīng)變很小，可以忽略[9]。研究發(fā)現(xiàn)，樣品的剪切破壞區(qū)域是由于變形局部化帶的相對(duì)滑動(dòng)所導(dǎo)致[10]。針對(duì)巖石的變形局部化產(chǎn)生機(jī)理，也進(jìn)行過(guò)平面應(yīng)力、應(yīng)變、大變形彈塑性[11]與損傷耦合模型進(jìn)行過(guò)理論推導(dǎo)[12]。目前對(duì)煤樣樣品破壞過(guò)程中的變形場(chǎng)研究多集中在裂紋尖端如何演化，如裂紋方向、長(zhǎng)度等，較少關(guān)心即將產(chǎn)生或已經(jīng)出現(xiàn)的變形局部化帶自身的演化；與此同時(shí)，溫度場(chǎng)也是較少涉及變形局部化內(nèi)外溫度演化規(guī)律；非沖擊煤樣與沖擊傾向性煤樣是否變形場(chǎng)和溫度場(chǎng)有著不同的演化特征？以及這些不同是否與內(nèi)在結(jié)構(gòu)有著相互關(guān)聯(lián)？針對(duì)上述問(wèn)題，筆者展開(kāi)了相應(yīng)的研究。

1 變形場(chǎng)與溫度場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)樣品分別選自大臺(tái)井-10開(kāi)采水平3號(hào)煤層和唐山礦T2193工作面。大臺(tái)井-10開(kāi)采水平3號(hào)煤層為急傾斜煤層，平均角度45°～88°，平均埋深820 m，歷史上沒(méi)有發(fā)生過(guò)沖擊地壓事故，基本無(wú)沖擊危險(xiǎn)；唐山礦T2193工作面屬8,9號(hào)合區(qū)煤層，其平均厚度10 m，傾角11°，埋深688.2 m，單軸抗壓強(qiáng)度19.7 MPa、彈性指數(shù)7.58、沖擊能量指數(shù)3.1，具有中等以上的煤巖沖擊失穩(wěn)危險(xiǎn)傾向[2]。

測(cè)試樣品采用蠟封處理并用濕式加工法在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)加工為50 mm×50 mm×50 mm(長(zhǎng)×寬×高)的立方體試樣，每種煤層制成3塊，共6塊煤樣。

所構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示。該系統(tǒng)主要包括加載系統(tǒng)、熱紅外溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及變形場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；其中加載系統(tǒng)采用CSS-44100電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，最大荷載為100 kN、試驗(yàn)機(jī)精度為±0.5%。熱紅外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用AVIO生產(chǎn)的熱紅外成像儀，采集頻率5張/s、靈敏度0.08、輻射系數(shù)0.92；變形場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用Basler A641f CCD相機(jī)，分辨率為1 624像素×1 236像素拍攝、采集速率為15幀/s。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Experimental system

以平行于試樣節(jié)理的平面作為加載的上下端面，在樣品前后觀測(cè)面中選取較平整一面作為變形場(chǎng)與溫度場(chǎng)的監(jiān)測(cè)面，從兩類(lèi)煤樣中各選取具有代表性的一組進(jìn)行研究。其中變形場(chǎng)和溫度場(chǎng)均是對(duì)整個(gè)觀測(cè)平面進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，觀測(cè)面上任何一處的數(shù)據(jù)均可以提取分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 變形場(chǎng)演化特征

試樣在單軸加載條件下，經(jīng)歷彈性變形階段、微破裂穩(wěn)定發(fā)展階段、塑性變形階段及破裂后階段。TS-2試樣各階段應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2(a)所示。AB為彈性變形階段，BC為微破裂穩(wěn)定發(fā)展階段，CD為塑性變形階段；A點(diǎn)處應(yīng)力為0.198 MPa(0.048 1 με)；B點(diǎn)處應(yīng)力為1.341 2 MPa(0.052 1 με)；C點(diǎn)處應(yīng)力為5.606 4 MPa(0.057 44 με)；D點(diǎn)處應(yīng)力為8.404 4 MPa(0.060 88 με)。

圖3(a)為T(mén)S-2試樣加載過(guò)程中表面變形場(chǎng)在各應(yīng)力階段的時(shí)空演化云圖。從圖3(a)中可以發(fā)現(xiàn)：在單軸荷載8.008 8 MPa(0.061 6 με)時(shí)，變形局部化開(kāi)始在樣品的中下部顯現(xiàn)；在加載應(yīng)力為8.008 8～8.271 2 MPa(0.061 6～0.060 56 με)階段，變形局部化由靠近底端的區(qū)域逐漸向上擴(kuò)展、直至形成較完整條帶；在加載應(yīng)力8.271 2～8.318 0 MPa(0.060 56～0.060 68 με)階段，底端的變形局部化始終要明顯于其它位置處，也預(yù)示著試樣最先在該處發(fā)生破壞，并向上導(dǎo)升。TS-2樣品的變形局部化帶產(chǎn)生、形成于塑性階段，并最終破壞。

圖2(b)所示為DT-3煤樣單軸加載應(yīng)力、應(yīng)變曲線。其中AB為彈性變形階段，BC為微破裂穩(wěn)定發(fā)展階段，CD為塑性變形階段；A處應(yīng)力1.052 4 MPa(0.021 28 με)；B處應(yīng)力3.22 MPa(0.025 98 με)；C處應(yīng)力6.056 MPa(0.030 2 με)；D點(diǎn)處的應(yīng)力為6.938 4 MPa(0.032 56 με)。

圖2 TS-2和DT-3煤樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curves of TS-2 and DT-3 coal specimen

圖3(b)為試樣加載過(guò)程中不同應(yīng)力時(shí)刻對(duì)應(yīng)的表面變形場(chǎng)演化云圖。從圖3(b)中可以發(fā)現(xiàn)：煤樣在單軸荷載2.710 8 MPa(0.025 06 με)時(shí)，變形局部化才開(kāi)始顯現(xiàn)；加載到5.264 4 MPa(0.029 1 με)時(shí)，第1條變形局部化條帶已經(jīng)基本成型；加載到4.525 2 MPa(0.028 με)時(shí)，第2條變形局部化帶開(kāi)始出現(xiàn)，6.427 2 MPa(0.031 1 με)時(shí)基本成型；在局部化現(xiàn)象出現(xiàn)后，加載應(yīng)力的小幅度增加可以引起變形場(chǎng)較劇烈的演化；在應(yīng)力達(dá)到6.736 4 MPa(0.031 9 με)時(shí)，變形局部化區(qū)域形成并貫通試樣。右邊變形局部化條帶由上向下發(fā)生演化，而左側(cè)局部化條帶則整體完全顯現(xiàn)，并逐漸加強(qiáng)。DT-3樣品在彈性階段，就已經(jīng)出現(xiàn)變形局部化現(xiàn)象，在微破裂穩(wěn)定發(fā)展階段，基本成型；第2條在塑性變形階段形成。

圖3 TS-2和DT-3煤樣變形場(chǎng)演化云圖Fig.3 Deformation field nephogram of TS-2 and DT-3 specimen

2.2 溫度場(chǎng)演化特征

由于單軸加載過(guò)程中煤樣表面溫度變化范圍較小，且易受周?chē)h(huán)境影響，為此，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)環(huán)境場(chǎng)也進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)前壓機(jī)支座溫度為18.6 ℃、實(shí)驗(yàn)后壓機(jī)支座溫度為17.8 ℃、實(shí)驗(yàn)前TS-2試樣溫度為19.6 ℃、實(shí)驗(yàn)室溫度為18.2 ℃、濕度為24%。

通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)的溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到TS-2試樣的表面溫度場(chǎng)的時(shí)空演化特征。圖4(a)為不同應(yīng)力時(shí)刻對(duì)應(yīng)的TS-2試樣表面溫度演化云圖?？梢园l(fā)現(xiàn)：樣品表面溫度變化范圍在1 ℃范圍內(nèi)；開(kāi)始加載到6.000 8 MPa階段，溫度整體上升；隨后開(kāi)始降低；加載過(guò)程中樣品的中部溫度較邊緣要高，究其原因，本質(zhì)上是由于煤樣材料的非均勻性，其內(nèi)部的缺陷、微裂隙、孔隙結(jié)構(gòu)等多種因素影響下，煤體失穩(wěn)破壞過(guò)程中隨荷載的增加其內(nèi)部的微裂隙出現(xiàn)拉伸、閉合及錯(cuò)動(dòng)等反復(fù)的過(guò)程，以至于在溫度場(chǎng)中體現(xiàn)為溫度高低的變化。

圖5(a)為T(mén)S-2試樣在單軸壓縮條件下的變形局部化帶內(nèi)外溫度變化曲線，當(dāng)試樣微應(yīng)變?yōu)?.057 94時(shí)刻，對(duì)應(yīng)的變形局部化帶內(nèi)溫度為28.6 ℃、外部溫度為28.56 ℃(6.052 MPa)，樣品的變形局部化帶內(nèi)、外部及表面平均溫度均達(dá)到最大值，該時(shí)刻處于煤樣的塑性變形階段；與樣品初始溫度相比，內(nèi)部升高9 ℃、外部升高8.96 ℃。在微應(yīng)變0.057 94前，溫度急劇增大；當(dāng)微應(yīng)變?yōu)?.060 78時(shí)刻，內(nèi)部溫度為28.54 ℃、外部溫度為28.49 ℃(8.37 MPa)，樣品的變形局部化帶內(nèi)、外部及表面平均溫度均達(dá)到最小值，減去樣品初始溫度，內(nèi)部升高6.74 ℃、外部6.69 ℃。而在微應(yīng)變達(dá)到0.060 88時(shí)，煤樣達(dá)到最大破壞應(yīng)力時(shí)刻。在樣品進(jìn)入塑性階段后，溫度出現(xiàn)先增大→增大到最大值→減小→減小到最小值，當(dāng)減小到最小值時(shí)刻，預(yù)示著樣品即將失穩(wěn)破壞。

圖4 TS-2和DT-3煤樣表面溫度場(chǎng)演化云圖Fig.4 Surface temperature field nephogram of TS-2 and DT-3 specimen

圖5 TS-2和DT-3試樣變形局部化帶內(nèi)外溫度曲線Fig.5 Temperature inside and outside deformation localization band of TS-2 and DT-3 coal specimen

圖6 TS-2和DT-3試樣變形局部化帶內(nèi)外溫度差值變化散點(diǎn)圖Fig.6 The temperature difference between inside and outside deformation localization band of TS-2 and DT-3 coal specimen

為了進(jìn)一步研究變形局部化帶內(nèi)外溫度差異隨加載的變化規(guī)律，特繪成圖6(a)。由圖6(a)可知，TS-2變形局部化內(nèi)外溫度最大差異為0.057 5 ℃，發(fā)生在0.060 34 με(8.131 6 MPa)時(shí)刻；平均溫差為0.045 1 ℃，最小差異為0.033 2 ℃，發(fā)生在0.060 68 με時(shí)刻(8.322 8 MPa)；隨著軸向應(yīng)變的增加，煤樣的變形局部化帶內(nèi)外溫差開(kāi)始減?。辉?.057 94 με前，溫差整體減小，并減小到極小值，與表面溫度增大規(guī)律相反；在0.057 94～0.060 78 με階段，溫差整體增大，與表面溫度呈現(xiàn)減小趨勢(shì)相反。

究其原因，可能是荷載增加，原生裂隙、空隙壓密，導(dǎo)致變形局部化內(nèi)外區(qū)域溫差減小；而隨著荷載繼續(xù)增大，裂隙開(kāi)始演化，空氣介質(zhì)的作用，導(dǎo)致變形局部化內(nèi)外溫差增大。

實(shí)驗(yàn)前DT-3試樣溫度為21.8 ℃、實(shí)驗(yàn)前壓機(jī)支座溫度為19.4 ℃、實(shí)驗(yàn)后為19.4 ℃、實(shí)驗(yàn)室溫度為18.6 ℃、濕度為26%。

圖4(b)為不同應(yīng)力時(shí)刻對(duì)應(yīng)的試樣表面溫度演化云圖。從圖4(b)可發(fā)現(xiàn)：當(dāng)加載應(yīng)力從5.634 4～6.382 8 MPa時(shí)，試樣表面溫度逐漸升高，且在應(yīng)力達(dá)到6.382 8 MPa時(shí)達(dá)到最大值；之后開(kāi)始降低；試樣表面的平均溫度呈現(xiàn)明顯的區(qū)域化，左側(cè)溫度最高、中間次之、右側(cè)最低。

圖5(b)為試樣在單軸壓縮條件下變形局部化帶內(nèi)外溫度變化曲線，從圖5(b)可以看出，當(dāng)試樣微應(yīng)變?yōu)?.030 98(6.374 MPa)時(shí)刻，對(duì)應(yīng)的變形局部化帶內(nèi)溫度為29.26 ℃、外部溫度為29.2 ℃，且與表面平均溫度均達(dá)到最大值；與樣品初始溫度相比，內(nèi)部升高7.46 ℃、外部升高7.4 ℃；之后，隨著荷載繼續(xù)增加，樣品的變形局部化帶內(nèi)、外部及表面平均溫度均呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。在微應(yīng)變?yōu)?.032 42時(shí)刻，樣品的內(nèi)部溫度為29.183 2 ℃、外部溫度29.139 9 ℃，之后，溫度整體有上升趨勢(shì)，較樣品初始溫度而言，其內(nèi)部升高7.38 ℃、外部升高7.34 ℃；在0.030 98～0.032 42 με階段，樣品處于塑性階段，當(dāng)達(dá)到0.032 56 με時(shí)，達(dá)到最大破壞應(yīng)力時(shí)刻。

如圖6(b)所示，加載到0.030 98 με前，溫差整體減小，并減小到極小值，與表面溫度增大規(guī)律相反；0.030 98～0.032 42 με階段，溫差整體增大，與表面溫度呈現(xiàn)減小趨勢(shì)相反。

2.3 變形局部化帶內(nèi)外溫度演化特征

在觀測(cè)試樣表面變形局部化附近選取測(cè)點(diǎn)，以研究溫度變化同時(shí)來(lái)探究變形場(chǎng)如何演化，圖7中測(cè)點(diǎn)均為隨機(jī)選取，由于規(guī)律相似，故只用其中一組測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析；同理，變形局部化帶內(nèi)外溫度變化規(guī)律較相似，故文章中只研究其內(nèi)部溫度變化規(guī)律。

如圖8(a)所示，在微應(yīng)變達(dá)到0.057 94時(shí)，溫度達(dá)到最大值，變形局部化內(nèi)部區(qū)域平均溫度為28.6 ℃，外部區(qū)域平均溫度為28.56 ℃，相對(duì)拉伸分量為-0.018 4 mm，相對(duì)滑動(dòng)分量為-0.085 6 mm；在微應(yīng)變達(dá)到0.058 3時(shí)，相對(duì)滑動(dòng)分量出現(xiàn)一次突變，為-0.074 7 mm；微應(yīng)變?yōu)?.060 5時(shí)，相對(duì)拉伸分量及滑動(dòng)分量均呈現(xiàn)快速變化，其中相對(duì)拉伸分量達(dá)到-0.007 1 mm、相對(duì)滑動(dòng)分量達(dá)到-0.139 mm；變形局部化內(nèi)部區(qū)域溫度為28.545 ℃、外部為28.504 ℃。

圖7 樣品變形局部化帶內(nèi)測(cè)點(diǎn)選取示意Fig.7 The measuring points schematic of deformation localization band of specimen

圖8 TS-2和DT-3試樣溫度場(chǎng)-變形場(chǎng)變化曲線Fig.8 The temperature-deformation curves of TS-2 and DT-3 specimen

圖8(b)為DT-3樣品變形局部化區(qū)域內(nèi)溫度、相對(duì)滑動(dòng)分量及相對(duì)拉伸分量變化曲線。從圖8(b)可以看出：當(dāng)試樣微應(yīng)變?yōu)?.030 98時(shí)刻，變形局部化帶內(nèi)溫度為29.26 ℃、外部溫度為29.2 ℃，與表面平均溫度均達(dá)到最大值，相對(duì)應(yīng)的拉伸分量為0.395 1 mm、相對(duì)滑動(dòng)分量為0.186 4 mm；微應(yīng)變達(dá)到0.032 28時(shí)，相對(duì)拉伸分量為0.863 3 mm、相對(duì)滑動(dòng)分量為0.203 9 mm，相對(duì)應(yīng)的變形局部化內(nèi)部區(qū)域溫度為29.2 ℃、外部為29.15 ℃。

試樣失穩(wěn)破壞前變形局部化區(qū)域內(nèi)外溫度出現(xiàn)升高可能由于其相對(duì)拉伸主導(dǎo)或由相對(duì)滑動(dòng)所主導(dǎo)；而溫度要比變形場(chǎng)變化要靈敏，分析原因可能是由于試樣已經(jīng)在內(nèi)部產(chǎn)生變形局部化現(xiàn)象，然后演化擴(kuò)展到外表面，而試樣表面溫度監(jiān)測(cè)已經(jīng)包括了樣品內(nèi)部局部化產(chǎn)生引起的溫度改變。

3 細(xì)觀實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法

為了研究不同沖擊傾向煤樣表面溫度場(chǎng)與變形場(chǎng)的演化規(guī)律與其內(nèi)部礦物含量間的關(guān)系，進(jìn)行了相應(yīng)的細(xì)觀實(shí)驗(yàn)。如圖9所示，實(shí)驗(yàn)設(shè)備為日本理學(xué)D/max-2500PC全自動(dòng)粉末X射線衍射儀，采用全巖礦物分析和黏土礦物分析兩種測(cè)試方式。實(shí)驗(yàn)參數(shù)：CuKα靶，管壓40 kV、管流150 mA、發(fā)散狹縫1 mm、接收狹縫0.16 mm、步進(jìn)式掃描、步寬0.04°、掃描速度為2(°)/min、選用低角度衍射、2θ(衍射角)為4°～64°。受到外界環(huán)境影響，煤中會(huì)含有各類(lèi)無(wú)機(jī)礦物，為此在測(cè)試前須對(duì)煤樣進(jìn)行去除碳酸鹽和硅酸鹽等處理，使其不影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3.2 全巖礦物測(cè)定結(jié)果

采用X射線能譜法來(lái)獲取全巖礦物實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)經(jīng)處理，可得圖10所示的衍射圖譜曲線。

圖9 實(shí)驗(yàn)樣品及設(shè)備Fig.9 Experimental specimens and equipments

圖10 全巖礦物X射線衍射圖譜Fig.10 Whole rock mineral X-ray diffraction of specimens

基于上述分析，可得樣品中的礦物質(zhì)含量及黏土礦物總量，見(jiàn)表1。分析發(fā)現(xiàn)：樣品中礦物均主要以非晶質(zhì)為主；黏土礦物含量TS-2煤樣較高，約占8.3%，DT-3樣品含量較低，為8.0%。兩種煤樣的非晶質(zhì)礦物含量要占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，黏土礦物只占少量比例。

表1全巖礦物X射線分析結(jié)果
Table1AnalysisresultsofwholerockmineralX-raydiffraction

編號(hào)礦物種類(lèi)和含量/%石英軟水鋁石斜長(zhǎng)石方解石白云石非晶質(zhì)黏土礦物總量/%DT-30 40 391 38 0TS-25 10 49 310 871 28 3

3.3 黏土礦物分析結(jié)果

黏土礦物通常是指粒徑小于2 μm含水的層狀硅酸鹽礦物，各樣品所含黏土礦物種類(lèi)及相對(duì)含量見(jiàn)表2,煤樣黏土礦物X射線譜圖如圖11所示。

表2黏土礦物X射線衍射分析結(jié)果
Table2Analysisresultsofclaymineraldiffraction

編號(hào)黏土礦物相對(duì)含量/%伊利石高嶺石綠泥石DT-31783TS-2100

圖11 煤樣黏土礦物衍射圖Fig.11 Clay mineral diffraction of coal specimens

分析結(jié)果表明：DT-3煤樣黏土礦物主要為綠泥石，占83%，還有17%的伊利石；TS-2煤樣黏土礦物為高嶺石。從黏土礦物膨脹性方面考慮，伊蒙混層為強(qiáng)膨脹性礦物，而高嶺石的膨脹性相對(duì)較小。

基于上述分析，發(fā)現(xiàn)TS-2煤樣的非晶質(zhì)含量要明顯少于DT-3煤樣，而晶體的含量要多于DT-3煤樣。非晶質(zhì)含量多的煤樣，更多的表現(xiàn)出煤的非均質(zhì)特性，DT-3煤樣中富含石英，增加了其硬度；而TS-2煤樣中，含有更多的軟水鋁石、斜長(zhǎng)石、方解石、白云石，硬度雖然有所降低，但晶體種類(lèi)含量較豐富。黏土礦物含量方面，DT-3煤樣的伊蒙混層較唐山礦的高嶺石的膨脹性要強(qiáng)。

4 結(jié) 論

(1)沖擊傾向性煤樣的變形局部化帶出現(xiàn)較突然。其出現(xiàn)在樣品塑性變形階段，而非沖擊性煤樣在彈性階段就已經(jīng)出現(xiàn)變形局部化現(xiàn)象，在微破裂穩(wěn)定發(fā)展階段，基本成型。

(2)沖擊與非沖擊煤樣進(jìn)入塑性階段后，兩者其變形局部化區(qū)域內(nèi)外溫差變化均與溫度變化規(guī)律相反；沖擊與非沖擊煤樣變形局部化帶內(nèi)外溫差變化規(guī)律相似；沖擊煤樣在變形局部化區(qū)域內(nèi)外溫度升高的絕對(duì)值要大于非沖擊煤樣，且極小值溫度也要小于非沖擊煤樣，表明沖擊煤樣在相同的加載條件及環(huán)境場(chǎng)下，沖擊煤樣溫度變化較非沖擊煤樣劇烈，幅度也大，釋放出更多的內(nèi)能。

(3)試樣失穩(wěn)破壞前變形局部化區(qū)域內(nèi)外溫度出現(xiàn)升高可能由于其變形局部化區(qū)域相對(duì)拉伸主導(dǎo)或由相對(duì)滑動(dòng)所主導(dǎo)；而溫度要比變形場(chǎng)變化靈敏。沖擊煤的溫度變化主要對(duì)應(yīng)變形局部化相對(duì)滑動(dòng)分量，與相對(duì)拉伸基本無(wú)關(guān)；而非沖擊煤樣溫度變化則與相對(duì)拉伸和滑動(dòng)均密切相關(guān)。

(4)沖擊煤樣的非晶質(zhì)含量要明顯少于非沖擊煤樣，而晶體的含量要多于非沖擊煤樣；沖擊煤樣的晶體種類(lèi)更加多樣化；黏土礦物含量?jī)烧呋鞠嗤菦_擊煤樣的黏土礦物膨脹性要較強(qiáng)些。

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Evolutionofthesurfacetemperaturefieldanddeformationfieldofdifferentimpactpronenesscoalspecimens

Lü Yu-kai1，JIANG Cong1,CHENG Guo1,JIANG Yao-dong1,2

(1.SchoolofMechanicsandCivilEngineering，ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing)，Beijing100083,China；2.StateKeyLaboratoryofCoalResourcesandSafeMining,ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing)，Beijing100083,China)

It took experimental methods to study the evolution characteristics of surface deformation field and temperature field of coal specimens with uniaxial compression.The impact and non-impact proneness propensity coal specimens were selected to research.The white light speckle method was used to analysis the surface deformation localization evolution of the specimens.It can be concluded that the deformation localization of non-impact proneness coal specimens appeares in elastic stage;but the impact proneness one appeares in plastic stage;the impact one is more severe than the non-impact one for deformation field.The temperature within the deformation localization is higher than outer region,and the same variation for both the impact and non-impact proneness propensity coal specimens;however,the temperature difference between inside and outside localized has an opposite variation;the absolute temperature of impact specimens has a bigger change than the non-impact ones;deformation field corresponding temperature field,which the impact ones are latter simply.Based on the whole rock mineral analysis and clay mineral composition analysis of different coal specimens,internal crystal,amorphous and clay mineral content were compared between impact and non-impact coal specimens,so as to explore the influence of the macroscopic temperature field and deformation field caused by the internal components.

coal specimens;impact proneness;temperature field;deformation field;XRD

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0009

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)資助項(xiàng)目(2010CB226801)

呂玉凱(1982—)，男，山西大同人,博士，博士后。E-mail：lvyukai2006@126.com

TD313

A

0253-9993(2014)02-0273-07

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