熱力耦合作用下煤樣力學(xué)行為影響的試驗研究?

王公忠趙新濤王國際（.河南工程學(xué)院安全工程學(xué)院,河南省鄭州市,459; .鄭州升達(dá)經(jīng)貿(mào)管理學(xué)院,河南省鄭州市,459）

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熱力耦合作用下煤樣力學(xué)行為影響的試驗研究?

王公忠1趙新濤1王國際2
（1.河南工程學(xué)院安全工程學(xué)院,河南省鄭州市,451191; 2.鄭州升達(dá)經(jīng)貿(mào)管理學(xué)院,河南省鄭州市,451191）

摘要采用河南工程學(xué)院測試中心的TAW－2000巖石三軸試驗機,對尺寸為?50 mm×100 mm的山西晉煤集團陽城晉圣潤東煤業(yè)原煤煤樣進行了不同溫度以及不同圍壓下的全應(yīng)力－應(yīng)變試驗。試驗結(jié)果表明,隨著圍壓的不斷增大,煤樣的峰值抗壓強度逐漸增加,煤樣的變形顯著增加,煤樣的彈性極限顯著增大;煤樣的抗壓強度隨著溫度的升高有降低的趨勢,溫度較低時其對煤樣的抗壓強度影響較小,當(dāng)溫度上升到65℃時,其抗壓強度降低較為明顯;在圍壓不變時,煤樣彈性模量隨著溫度升高有較明顯降低,泊松比逐漸增大;圍壓對煤樣泊松比的影響甚微,泊松比隨著圍壓的增加略微增加。

關(guān)鍵詞溫度 三軸應(yīng)力 彈性模量 泊松比

煤炭是一種特殊的有機巖石,溫度和應(yīng)力對其力學(xué)特征的影響都很大。溫度是影響煤體物理力學(xué)參數(shù)的主要因素之一,煤巖的力學(xué)參數(shù)如強度、泊松比以及彈性模量都會隨著溫度的變化而變化。有研究結(jié)果表明,煤的強度隨著溫度的升高出現(xiàn)相應(yīng)的降低,受到圍壓的影響,高煤階煤體表現(xiàn)出的規(guī)律性較為復(fù)雜,而中煤階煤體則表現(xiàn)出了較強的規(guī)律性,在高溫下煤的力學(xué)行為由脆性向延性轉(zhuǎn)變,煤的塑性蠕變增強;還有研究結(jié)果表明,煤的強度和彈性模量及應(yīng)變的變化規(guī)律隨著溫度的升高而產(chǎn)生的變化較為復(fù)雜;還有研究分析了無煙煤和氣煤彈性模量隨著溫度的演化規(guī)律,對比分析了無煙煤和氣煤彈性模量變化規(guī)律的異同,結(jié)果表明煤的彈性模量隨著溫度升高變化過程可以分為3個階段,分別是中低溫平穩(wěn)降低階段、中高溫劇烈降低階段和高溫緩慢降低階段;另有試驗結(jié)果表明,在溫度和應(yīng)力的共同作用下,氣煤在加載瞬間及后續(xù)變形過程中,始終伴隨著顯著的塑性變形,煤體變形為典型的黏彈塑性變形。

本次研究主要在不同溫度和不同圍壓條件下對原煤煤樣的全應(yīng)力－應(yīng)變過程進行分析,并研究地應(yīng)力和溫度對煤樣的彈性模量、泊松比以及煤樣變形變化規(guī)律。受到試驗設(shè)備及試驗難度的限制,這些研究大都是在單軸條件下進行的,試驗主要采用型煤試樣,而三軸應(yīng)力及原煤試樣條件下的研究較少。

1　煤樣的基本情況

本試驗采用的煤樣來自山西陽城礦區(qū)的主采煤層,山西晉煤集團陽城晉圣潤東煤業(yè)主采煤層為3＃煤,該煤層埋藏深度較淺,屬山西組,煤層穩(wěn)定可采,平均厚度為6.29 m,埋藏最深處約為310 m,最大瓦斯含量為10.5 m3/t。由于沉積成煤時期、構(gòu)造演化過程以及后期地質(zhì)構(gòu)造的控制等作用,煤體在成煤過程中沒有受到過較大的地質(zhì)構(gòu)造作用,煤質(zhì)相對較硬,為原生結(jié)構(gòu)煤。

1.2煤樣采集與制備

為了更加精確地分析地應(yīng)力和溫度對煤樣的彈性模量、泊松比以及應(yīng)力－應(yīng)變變化規(guī)律,采用原煤煤樣作為研究對象。本試驗方案中煤樣的試件為圓柱體,直徑為50 mm,高度為100 mm,高徑比為2∶1。

2　煤樣全應(yīng)力－應(yīng)變試驗

2.1試驗設(shè)備

煤樣的力學(xué)試驗是在河南工程學(xué)院測試中心實驗室的TAW－2000巖石三軸試驗機上進行測試的。

2.2試驗方法

在不同溫度和不同圍壓條件下進行煤樣全應(yīng)力－應(yīng)變過程試驗,軸向采用位移控制的方式以50 mm/min的加載速率進行加載,直至煤樣被破壞。具體試驗方法如下:在恒定圍壓為2 MPa時,進行煤體溫度分別為25℃、45℃和65℃下的三軸壓縮試驗,然后將恒定圍壓定為4 MPa和8 MPa重復(fù)上述試驗,煤的三軸力學(xué)試驗方法見表1。

表1　煤的三軸力學(xué)試驗方法

由表1可以看出,由于試驗采用的是該礦區(qū)的原煤煤樣,因此煤樣之間存在一定差異性。為了更準(zhǔn)確、科學(xué)地研究熱力耦合作用下煤樣力學(xué)特性,避免極端情況的影響,這里每組試驗分別取3個煤樣,然后利用幾何平均計算其平均值。

3　試驗結(jié)果及分析

3.1不同圍壓條件下煤樣的力學(xué)特性

非生長季自然覆蓋物主要為凋落物與積雪。凋落物積雪是否存在及其厚度對土壤溫度高低及變化程度有很大影響，尤其是在低溫的冬季。凋落物或積雪能夠改變（增加）所覆蓋土壤的溫度，從而對溫室氣體的產(chǎn)生和排放產(chǎn)生影響。例如較厚的覆蓋層能夠隔離表層土壤與低溫空氣，降低土壤凍結(jié)的強度及凍結(jié)的深度，這種環(huán)境會有利于反硝化作用[41，34]。據(jù)報道冬季放牧?xí)p少土壤調(diào)落物覆蓋，從而導(dǎo)致凍融期草地N2O排放顯著降低[15]。

本次試驗采用試樣高徑比為2∶1的圓柱體,圍壓為2 MPa、4 MPa和8 MPa時煤樣全應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖1、圖2和圖3所示。

圖1　圍壓為2 MPa時煤樣全應(yīng)力－應(yīng)變曲線

由圖1可以看出,試件承載力在0～12 MPa之間時,煤樣的全應(yīng)力－軸向應(yīng)變曲線為通過坐標(biāo)原點的直線,軸向應(yīng)變與試件承載力成正比,煤樣發(fā)生線彈性變化;試件承載力大于12 MPa后全應(yīng)力－軸向應(yīng)變曲線由直線變?yōu)榍€,煤樣由彈性變形轉(zhuǎn)向塑性變形,試件承載力的峰值應(yīng)力為16.1 MPa,對應(yīng)的軸向應(yīng)變?yōu)?.017。在應(yīng)力到達(dá)峰值之前,應(yīng)變隨著應(yīng)力的增加而增加,煤樣內(nèi)的微破裂不斷發(fā)展,軸向與徑向應(yīng)變速率迅速增大,應(yīng)力達(dá)到峰值后,煤樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞,裂隙迅速擴展、交叉聯(lián)合形成宏觀斷裂面,但試件基本保持整體狀態(tài),此后,煤樣變形主要表現(xiàn)為沿宏觀斷裂面的塊體滑移,而應(yīng)力隨應(yīng)變增加而迅速減小。

在試驗條件下,由于軸向壓縮導(dǎo)致煤樣徑向擴張,所以軸向應(yīng)變?yōu)檎?徑向應(yīng)變?yōu)樨?fù)值。全應(yīng)力－徑向曲線的變化趨勢與全應(yīng)力－軸向曲線相似, 在0～12 MPa之間時,煤樣發(fā)生線彈性變化。試件承載力大于12 MPa后全應(yīng)力－徑向應(yīng)變曲線由直線變?yōu)榍€,煤樣由彈性變形轉(zhuǎn)向塑性變形,對應(yīng)峰值應(yīng)力的徑向應(yīng)變?yōu)椋?.01。

體積應(yīng)變曲線有3個明顯階段,即體積變形階段,試件承載力為0～13 MPa;體積不變階段,試件承載力為13～15 MPa;體積擴容階段,試件承載力超過15 MPa。在體積變形階段前期,體積持續(xù)減小,體積應(yīng)變與試件承載力成正比,體積減小速率恒定,當(dāng)試件承載力超過10 MPa后即該階段后期,體積應(yīng)變曲線斜率開始變大,偏離直線段,體積減小速率降低。在體積不變階段,隨著應(yīng)力的增加,體積應(yīng)變基本不變,這說明煤樣體積雖有變形,但體積基本沒有變化,軸向壓縮與徑向擴張相抵消。在體積擴容階段分為兩部分,第一部分是在應(yīng)力達(dá)到峰值應(yīng)力前,隨著應(yīng)力增加,體積應(yīng)變不斷減小,且應(yīng)變速率越來越大;第二部分是達(dá)到峰值應(yīng)力后,應(yīng)力隨著應(yīng)變減小而迅速降低,在此階段體積應(yīng)變一直在減小,并由正值減小為負(fù)值,這說明煤樣體積持續(xù)增加。在擴容階段,煤樣處于三軸壓力狀態(tài)下,體積應(yīng)變持續(xù)增加的原因為應(yīng)力達(dá)到峰值前,煤樣內(nèi)的微破裂不斷發(fā)展,形成一些裂隙,應(yīng)力達(dá)到峰值后,煤樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞,裂隙迅速擴展、交叉聯(lián)合形成宏觀斷裂面,煤樣變形主要表現(xiàn)為沿宏觀斷裂面的塊體滑移。

由圖2可以看出,4 MPa圍壓下的煤樣的全應(yīng)力－軸向應(yīng)變曲線、全應(yīng)力－徑向應(yīng)變曲線以及全應(yīng)力－體積應(yīng)變曲線的變化規(guī)律與2 MPa圍壓是相似的。峰值應(yīng)力為29.8 MPa,峰值應(yīng)力對應(yīng)的軸向應(yīng)變?yōu)?.023,徑向應(yīng)變?yōu)椋?.0125,峰值應(yīng)力相對圍壓為2 MPa明顯提高。

圖2　圍壓為4 MPa時煤樣全應(yīng)力－應(yīng)變曲線

圖3　圍壓為8 MPa時煤樣全應(yīng)力－應(yīng)變曲線

由圖3可以看出,8 MPa圍壓下的煤樣的全應(yīng)力－軸向應(yīng)變曲線、全應(yīng)力－徑向應(yīng)變曲線以及全應(yīng)力－體積應(yīng)變曲線的變化規(guī)律與4 MPa圍壓是相似的。峰值應(yīng)力為56.5 MPa,峰值應(yīng)力對應(yīng)的軸向應(yīng)變?yōu)?.025,徑向應(yīng)變?yōu)椋?.014,峰值應(yīng)力相對4 MPa圍壓明顯提高。

綜合圖1、圖2和圖3可以看出,在不同圍壓條件下,煤樣的軸向變形仍大致可分為壓密階段、彈性變形階段、屈服階段和破壞后階段。圍壓對煤樣變形具有明顯的影響,隨著圍壓的增大,巖石的抗壓強度顯著增加、巖石的變形顯著增加以及巖石的彈性極限顯著增大。煤的峰值應(yīng)力見表2,煤的峰值應(yīng)力下的軸向應(yīng)變見表3。

由表2和表3可以看出,平均峰值應(yīng)力和平均屈服應(yīng)變隨著圍壓的增大而增大。

3.2力熱耦合作用下煤的力學(xué)特性

溫度是影響煤體物理力學(xué)參數(shù)的重要因素之一,不同溫度下煤樣應(yīng)力－應(yīng)變對比曲線如圖4所示。

由圖4可以看出,煤樣的抗壓強度隨著溫度的升高有降低的趨勢,在溫度較低時對煤樣的抗壓強度影響較小,當(dāng)溫度上升到65℃時,其抗壓強度降低較為明顯,這是因為隨著溫度的升高,煤樣的延性加大,屈服點降低。有研究表明,由于溫度升高使煤樣內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力,在熱應(yīng)力的作用下,煤樣產(chǎn)生新的孔隙裂隙,導(dǎo)致煤樣抵抗變形的能力降低。煤的彈性模量與溫度之間的關(guān)系如圖5所示,煤的泊松比與溫度之間的關(guān)系如圖6所示。

表2　煤的峰值應(yīng)力　MPa

表3　煤的峰值應(yīng)力下的軸向應(yīng)變

圖4　不同溫度下煤樣應(yīng)力－應(yīng)變對比曲線

由圖4和圖5可以看出,煤樣彈性模量隨著圍壓的不斷增加也有所增加;在圍壓不變時,煤樣彈性模量隨著溫度增加有較明顯降低。

圖5　煤的彈性模量與溫度之間的關(guān)系

圖6　煤的泊松比與溫度之間的關(guān)系

由圖4和圖6可以看出,在圍壓不變時,泊松比隨著溫度的升高有增大的趨勢,煤樣泊松比與圍壓關(guān)系不大,隨著圍壓的不斷增加,煤樣泊松比稍有增加,基本上在0.19～0.22之間,這說明煤樣抵抗變形破壞的能力逐漸隨溫度升高降低。溫度升高改變了煤樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu),使得煤樣內(nèi)的孔隙裂隙增加。

4　結(jié)語

（1）圍壓對煤樣變形具有明顯的影響,巖石的抗壓強度和變形隨著圍壓的增大顯著增加,巖石的彈性極限顯著增大。

（2）在體積變形階段前期,體積持續(xù)減小,體積應(yīng)變與試件承載力成正比,體積減小速率恒定;在體積變形階段后期,體積應(yīng)變曲線斜率開始變大,偏離直線段,體積減小速率降低;在體積不變階段,軸向壓縮與徑向擴張相抵消。在擴容階段前期即應(yīng)力達(dá)到峰值應(yīng)力前,隨著應(yīng)力增加,體積應(yīng)變不斷減小,且應(yīng)變速率越來越大,

后期達(dá)到峰值應(yīng)力后,應(yīng)力隨著應(yīng)變減小而迅速降低。

（3）煤樣的抗壓強度隨溫度的升高有降低的趨勢,在溫度較低時對煤樣的抗壓強度影響較小,當(dāng)溫度上升到65℃時,其抗壓強度降低較為明顯;在圍壓不變時,隨著溫度升高,煤樣彈性模量有較明顯降低;泊松比逐漸增大,泊松比與圍壓關(guān)系不大,隨著圍壓的不斷增加,煤樣泊松比稍有增加,基本上在0.19～0.22之間。

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（責(zé)任編輯王雅琴）

Experimental research on mechanical behavior of coal sample with thermo-mechanical coupling effect

Wang Gongzhong1,Zhao Xintao1,Wang Guoji2
（1.School of Safety Engineering,Henan Institute of Engineering,Zhengzhou,Henan 451191,China; 2.Shengda Economics Trade& Management College of Zhengzhou,Zhengzhou,Henan 451191,China）

AbstractUnder different temperatures and different confining pressures,the authors conducted completed stress-strain experiments of raw coal sample（50 mm diameter and 100 mm height）from Yangcheng Jinsheng Rundong Coal Mine,Shanxi Jincheng Mining Group by using TAW-2000 triaxial testing machine from Henan Institute of Engineering Test Center.The experiment results showed that with increasing of confining pressure,the compressive strength of coal sample peak value gradually increased,the deformation and elastic limit of coal sample obviously increased;the compressive strength of coal sample had reduced trend when the temperature increased,the compressive strength effects of coal sample were weak when temperature was lower, when temperature rised to 65℃the compressive strength obviously decreased;when the confining pressures were stable but temperature increased,the elastic modulus of coal sample significantly reduced and the poisson ratio gradually increased;confining pressures had little effects on poisson ratio of coal sample,with confining pressure increased,the poisson ratio had a slight increased.

Key wordstemperature,triaxial stress,elastic modulus,poisson ratio

作者簡介:王公忠（1975－）,男,山東泰安人,副教授,博士研究生,主要從事地下工程災(zāi)害預(yù)防與控制等方面的研究與教學(xué)工作。

基金項目:?河南工程學(xué)院科技創(chuàng)新團隊（CXTD20144002）

中圖分類號TQ530.2

文獻標(biāo)識碼A