烘干溫度與含水率對(duì)原煤物理力學(xué)特征影響研究

李 芒，馮 丹，李 想，徐建航，李 雷

石家莊鐵道大學(xué)，土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043

1 引言

煤炭作為重要的工業(yè)原料，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，對(duì)于煤炭的需求日益增大，導(dǎo)致煤礦的開(kāi)采作業(yè)越來(lái)越復(fù)雜，煤礦災(zāi)害事故也頻頻發(fā)生。如何突破現(xiàn)有技術(shù)瓶頸，安全地進(jìn)行深層采礦工作是行業(yè)內(nèi)關(guān)注的重要課題。因此，研究不同影響因素對(duì)原煤力學(xué)特征的影響，揭示原煤裂隙場(chǎng)演化規(guī)律，對(duì)于深層采礦具有重要的意義。王春光等［1］研究了四川白皎礦和徐州張雙樓礦的原煤溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合規(guī)律。王凱等［2］制備不同含水率的原煤和型煤煤樣，對(duì)比不同含水率下兩種煤樣的破壞方式。蔣長(zhǎng)寶等［3］進(jìn)行了不同含水狀態(tài)下的含瓦斯煤加卸載試驗(yàn)研究，得出了不同含水率煤樣的力學(xué)特性。許江等［4］以型煤試樣為研究對(duì)象，在不同溫度條件下對(duì)含瓦斯煤進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)，研究溫度對(duì)含瓦斯煤的變形及力學(xué)特性的影響規(guī)律。鄒俊鵬等［5］通過(guò)常規(guī)加載和循環(huán)載荷條件下的單軸和三軸力學(xué)強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)，借助聲發(fā)射技術(shù)，系統(tǒng)研究了單軸循環(huán)荷載及三軸載荷條件下原煤的損傷規(guī)律。

2 原煤?jiǎn)屋S壓縮試驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

天辰WAW 微機(jī)控制電液伺服試驗(yàn)機(jī)主要由加載系統(tǒng)和應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)組成。煤樣受到來(lái)自試驗(yàn)機(jī)壓頭加載的軸向應(yīng)力并自動(dòng)記錄，煤樣產(chǎn)生的應(yīng)變由應(yīng)變采集片采集。試驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄且動(dòng)態(tài)顯示實(shí)驗(yàn)曲線，并儲(chǔ)存到計(jì)算機(jī)里。

2.2 原煤煤樣制備

實(shí)驗(yàn)用原煤煤樣均取自遼寧省本溪市紅陽(yáng)煤田北部一井林盛礦所采煤塊。通過(guò)煤塊的垂直層里方向密集鉆取煤芯，并經(jīng)切割打磨等工序加工成50mm×100mm 的標(biāo)準(zhǔn)煤樣。

2.3 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谟谔骄亢娓蓽囟扰c含水率對(duì)原煤物理力學(xué)性質(zhì)的影響，因此將制備的原煤標(biāo)準(zhǔn)試件分為3 組進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)單一變量原則，對(duì)變量ω（含水率）T（溫度）進(jìn)行變量控制試驗(yàn)。對(duì)每個(gè)試件的進(jìn)行稱重和尺寸測(cè)量，質(zhì)量在260～310g之間，尺寸誤差1mm 之內(nèi)。選取相同含水率試件作為第1 組，分別放入40℃、60℃、80℃的恒溫箱中進(jìn)行烘干，24h 后取出，用于探究烘干溫度變量不同對(duì)原煤的影響；選取含水率不同的試件作為第2 組，全部放入60℃恒溫箱進(jìn)行烘干，24h 后取出，用于探究含水率不同對(duì)原煤的影響。對(duì)經(jīng)過(guò)不同預(yù)處理后的試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，觀察原煤試件的破壞形態(tài)。通過(guò)分析試件單軸壓縮過(guò)程中應(yīng)力-應(yīng)變曲線，顯示煤體的物理力學(xué)特性，揭示各參數(shù)變量對(duì)原煤物理力學(xué)性質(zhì)及的影響規(guī)律。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征分析

煤樣的單軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀基本相似，均可分為壓密階段、線彈性階段、塑性階段與破壞后階段四個(gè)階段。由于原煤的特殊性，其主要的物理力學(xué)特征主要取決于單軸壓縮曲線的峰前部分，因此主要分析峰前曲線。壓密階段（OA）：隨軸向應(yīng)力的增加，試件變形增加，軸向變形大于徑向變形，試件體積被壓縮。線彈性階段（AB）：試件體積逐漸增大，試件內(nèi)部微結(jié)構(gòu)被壓密密閉合。在此階段變形可恢復(fù)，試件并未產(chǎn)生裂紋。此階段應(yīng)力-應(yīng)變曲線接近于直線。塑性階段（BC）：巖石內(nèi)部形成新的裂隙場(chǎng)，隨著軸向應(yīng)力的增加，試件內(nèi)部裂隙場(chǎng)不斷演化，最終導(dǎo)致裂隙貫通使試件破壞。在此階段煤樣已有部分材料脫落，此時(shí)再以同樣的位移加載，試件的反作用力比較上一階段下降。由于張開(kāi)裂縫或微裂縫閉合所引起的變形是不可恢復(fù)的，所以呈現(xiàn)塑性變形特征。C 點(diǎn)表示為峰值強(qiáng)度。破壞后階段（CD）：試件達(dá)到峰值強(qiáng)度后，原煤還保留部分承載能力，并未完全喪失。隨著進(jìn)一步加載，試件產(chǎn)生擴(kuò)容，最終煤巖破碎喪失所有承載能力。

3.2 烘干溫度與含水率對(duì)原煤的物理力學(xué)特征的影響

不同含水率條件下，原煤試件單軸壓縮曲線如圖1 所示。經(jīng)計(jì)算，含水率由0%增加至13%，抗壓強(qiáng)度由21.8MPa 降低至9.7MPa，峰值應(yīng)變則由0.24mm降至0.17mm，彈性模量則由149.74MPa降至36.83MPa。煤樣的抗壓強(qiáng)度、峰值應(yīng)變和彈性模量均受其含水率的影響，均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即隨著含水率的增加，煤樣的抗壓強(qiáng)度降低、峰值應(yīng)變減小、彈性模量減小。不同烘干溫度條件下，原煤試件單軸壓縮曲線如圖2 所示。煤樣的抗壓強(qiáng)度、峰值應(yīng)變和彈性模量均受其烘干溫度的影響，均呈正相關(guān)關(guān)系，即隨著烘干溫度的增加，煤樣的抗壓強(qiáng)度增大、峰值應(yīng)變?cè)黾?、彈性模量增大?/p>

圖1 不同含水率原煤試件的軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖2 不同烘干溫度原煤試件的軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

原煤的烘干溫度以及含水率對(duì)其物理力學(xué)特征有著重要影響。在該地區(qū)原煤的開(kāi)采過(guò)程中，為利用最小的經(jīng)濟(jì)投入而獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益，可以合理有效地利用烘干溫度及含水率對(duì)煤體的影響。若出于安全考慮，可通過(guò)降低原煤含水率的方式來(lái)有效控制煤體破壞形態(tài)。若開(kāi)采工人及相關(guān)設(shè)備的安全可以得到保證，則可以通過(guò)適當(dāng)增大原煤含水率的方式，降低其抗壓強(qiáng)度，進(jìn)而可減小開(kāi)采動(dòng)力，降低經(jīng)濟(jì)投入。