單軸壓縮下低溫冷凍原煤的變形及聲發(fā)射特征試驗(yàn)研究

樊國(guó)偉，尚軍寧

（1.運(yùn)城職業(yè)技術(shù)學(xué)院 教學(xué)礦井，山西 運(yùn)城044000；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）能源與礦業(yè)學(xué)院，北京100083）

隨著國(guó)家能源戰(zhàn)略的西移，西部礦區(qū)已成為我國(guó)主要的煤炭生產(chǎn)基地[1-2]。西部礦區(qū)煤層地質(zhì)條件相對(duì)簡(jiǎn)單，開(kāi)采難度相對(duì)較小。但隨著開(kāi)采深度的增加，煤層瓦斯含量與地應(yīng)力相應(yīng)升高，煤層滲透率降低，瓦斯抽采的難度加大。現(xiàn)有的煤層增透技術(shù)主要包括深孔爆破、水力壓裂、低溫凍結(jié)及超臨界氣體壓裂等。由于低溫凍結(jié)增透技術(shù)具有低能耗和無(wú)污染的優(yōu)勢(shì)受到廣泛關(guān)注。因此，迫切需要開(kāi)展低溫凍結(jié)條件下煤巖體的物理力學(xué)性質(zhì)研究，為西部礦區(qū)高瓦斯煤層的瓦斯抽采提供理論依據(jù)。近年來(lái)，眾多學(xué)者在低溫凍結(jié)煤巖的物理力學(xué)性質(zhì)方面開(kāi)展了大量的研究，取得了較為豐富的研究成果[3-13]。這些成果多是針對(duì)巖石和型煤進(jìn)行的研究，涉及凍結(jié)作用下原煤物理力學(xué)性質(zhì)的研究相對(duì)較少。因此，以西部礦區(qū)布爾臺(tái)礦4-2煤為研究對(duì)象，分別對(duì)自然狀態(tài)和自然飽水原煤進(jìn)行低溫冷凍，對(duì)冷凍處理后的2 組煤樣與未經(jīng)冷凍處理的1 組煤樣開(kāi)展單軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)，對(duì)3 種不同狀態(tài)下煤樣的強(qiáng)度及變形特征進(jìn)行分析，并對(duì)變形破壞過(guò)程中的聲發(fā)射特征與損傷演化規(guī)律展開(kāi)研究。該成果為低溫凍結(jié)增透技術(shù)在西部礦區(qū)高瓦斯煤層中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)描述

1.1 樣品制備

試驗(yàn)選用樣品取自內(nèi)蒙古布爾臺(tái)煤礦4-2煤層，屬侏羅系中下統(tǒng)延安組，平均煤層厚度為3.78 m，平均埋深為401 m，煤樣視密度為1.3 g/cm3。根據(jù)工業(yè)分析結(jié)果，煤樣的水分含量為9.97%，揮發(fā)分含量為26.43%，灰分含量為1.2%，固定碳含量為62.39%，屬于煙煤。

為降低試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散型，在選取煤樣時(shí)，應(yīng)盡量克服視缺陷結(jié)構(gòu)較多的煤樣，并在同一塊煤樣上取樣加工。根據(jù)國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)的建議，將煤塊制作成直徑為25 mm，高度為50 mm 的圓柱體煤樣。煤樣兩端面垂直于圓柱軸向，最大偏差不超過(guò)0.25°，端面的不平整度不大于0.1 mm。將加工好的煤樣分為自然狀態(tài)（標(biāo)記為N），自然冷凍狀態(tài)（NF）和飽水冷凍狀態(tài)（SF）3 組，每組3 個(gè)煤樣，并依次編號(hào)，其中自然狀態(tài)為對(duì)照組，然后對(duì)煤樣的高度、直徑及質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量并對(duì)其密度進(jìn)行計(jì)算，煤樣物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

單軸壓縮試驗(yàn)在北京市計(jì)算中心力學(xué)實(shí)驗(yàn)室完成，試驗(yàn)設(shè)備，包括WDW-100E 型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)和美國(guó)物理聲學(xué)公司（PAC）生產(chǎn)的PCI-Ⅱ型聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。為有效獲得不同處理?xiàng)l件下煤樣的全應(yīng)力應(yīng)變曲線并分析其力學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律，試驗(yàn)過(guò)程中，采用軸向位移控制加載方式，設(shè)定加載速率恒定為0.1 mm/min。聲發(fā)射系統(tǒng)的信號(hào)門檻值和采樣率分別設(shè)置為40 dB 和1 MHz。利用耦合劑和膠帶將聲發(fā)射傳感器固定于煤樣表面，保證兩者充分接觸且不脫落。

表1 煤樣物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of coal samples

1.3 試驗(yàn)方案

通過(guò)對(duì)煤樣進(jìn)行處理，獲得不同狀態(tài)下的試驗(yàn)樣品。對(duì)于飽水冷凍煤樣處理，首先對(duì)標(biāo)號(hào)為SF 的煤樣進(jìn)行飽水處理，采用自由吸水法，將煤樣完全浸泡在水中，在72 h 內(nèi)，每隔2 h 取出樣品，擦干表面水分后用天平稱重并記錄，煤樣的吸水質(zhì)量-時(shí)間曲線如圖1。

圖1 煤樣吸水質(zhì)量-時(shí)間曲線Fig.1 Coal sample water absorption quality-time curves

由圖1 可以看出，吸水時(shí)間在40 h 時(shí)，該組樣品基本達(dá)到飽和狀態(tài)。待煤樣完全飽水后，采用保鮮膜包裹密封，立刻與另外一組標(biāo)號(hào)為NF 的自然煤樣放入冰箱冷凍室中進(jìn)行冷凍處理，冷凍溫度為-20 ℃，冷凍時(shí)間為24 h。

試驗(yàn)中確保聲發(fā)射系統(tǒng)與萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)在時(shí)間上一致，然后開(kāi)始對(duì)煤樣進(jìn)行加載，聲發(fā)射系統(tǒng)同步開(kāi)始采集聲發(fā)射信號(hào)，直至煤樣發(fā)生破壞，停止加載，并對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。對(duì)于經(jīng)過(guò)低溫冷凍處理的煤樣，為了保證冷凍效果，直到試驗(yàn)前才從冷凍室取出，然后立即進(jìn)行試驗(yàn)，并在試驗(yàn)過(guò)程中忽略環(huán)境溫度對(duì)其產(chǎn)生的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 低溫冷凍下原煤的強(qiáng)度及變形特征

按照抗壓強(qiáng)度公式對(duì)3 種狀態(tài)下的煤樣進(jìn)行計(jì)算，不同狀態(tài)下煤樣單軸抗壓強(qiáng)度如圖2。不難看出低溫冷凍處理后的煤樣抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)一定程度降低，未經(jīng)冷凍處理的自然煤樣的平均抗壓強(qiáng)度最大，為22.62 MPa，而自然冷凍煤樣為19.47 MPa，較未冷凍狀態(tài)強(qiáng)度下降13.93%；飽水冷凍煤樣的平均抗壓強(qiáng)度最小，為16.96 MPa，較未冷凍自然煤樣強(qiáng)度下降25.02%。其主要原因是低溫條件下煤樣內(nèi)部的水緩慢結(jié)冰，體積膨脹對(duì)原始煤樣產(chǎn)生損傷，致使煤樣完整性降低，故抗壓強(qiáng)度相應(yīng)降低，且含水量越多，抗壓強(qiáng)度下降越多。

圖2 不同狀態(tài)下煤樣單軸抗壓強(qiáng)度Fig.2 Uniaxial compressive strength of coal samples in different conditions

不同狀態(tài)下煤樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3。從圖3可以看出，低溫冷凍處理后的煤樣變形趨勢(shì)與自然狀態(tài)下基本一致，依次可分為壓密階段、彈性變形階段、塑性變形階段和峰后破壞階段。在加載初期處于壓密階段，煤樣內(nèi)部孔隙、裂隙等原生缺陷在外部載荷作用下開(kāi)始閉合，導(dǎo)致該階段變形增加較快，曲線出現(xiàn)上凹；隨著載荷繼續(xù)增加，原生缺陷基本閉合，開(kāi)始進(jìn)入彈性階段，該階段應(yīng)力與應(yīng)變呈線性關(guān)系；隨著載荷繼續(xù)增大，曲線開(kāi)始偏離原來(lái)的直線，進(jìn)入塑性階段，內(nèi)部開(kāi)始產(chǎn)生微裂紋；隨著載荷增大至峰值載荷，進(jìn)入破壞階段，煤樣內(nèi)部微裂紋快速貫通，形成宏觀裂紋，煤樣破壞。

圖3 不同狀態(tài)下應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curves in different conditions

與自然狀態(tài)下的煤樣相比，冷凍處理后煤樣的壓密階段曲線斜率降低，且飽水冷凍狀態(tài)下最小。對(duì)比不同狀態(tài)煤樣的峰后階段，可以看出：自然狀態(tài)下煤樣的曲線最長(zhǎng)，呈階梯式跌落，表現(xiàn)出一定的脆性；而飽水冷凍狀態(tài)下煤樣的曲線最短，呈直接跌落，煤樣直接破壞，脆性明顯增強(qiáng)。出現(xiàn)以上現(xiàn)象的主要原因是低溫冷凍條件下煤樣內(nèi)部水緩慢結(jié)冰，由于水的反膨脹現(xiàn)象造成體積增大，導(dǎo)致煤樣完整性降低，故在較低載荷下樣品內(nèi)部出現(xiàn)裂隙閉合，產(chǎn)生較大變形；飽水煤樣在冷凍處理時(shí)，出現(xiàn)較大的損傷，煤樣的完整性較差，脆性隨含水量的增加相應(yīng)增強(qiáng)，因此峰后曲線表現(xiàn)出迅速跌落；可以看出，初始煤樣的完整性越低，其脆性越強(qiáng)。

不同狀態(tài)下煤樣破壞形態(tài)如圖4。從圖4 可以看出，自然狀態(tài)下的破碎煤樣塊度較大，而經(jīng)過(guò)低溫冷凍處理后煤樣的破碎程度明顯增加，且飽水冷凍狀態(tài)下破碎程度最高，主要原因是含水煤樣在低溫冷凍過(guò)程中由于膨脹導(dǎo)致的損傷降低了煤樣的完整性，內(nèi)部裂隙發(fā)育，達(dá)到峰值載荷后，煤樣更容易破碎。

2.2 低溫冷凍下原煤的聲發(fā)射特征

煤巖在其變形破壞過(guò)程中會(huì)以彈性波（聲發(fā)射）的形式向外界釋放能量[14]，通過(guò)對(duì)聲發(fā)射參數(shù)進(jìn)行分析可以更好地認(rèn)識(shí)煤巖變形破壞特征。利用AE win 軟件對(duì)聲發(fā)射波形信號(hào)進(jìn)行處理，得到聲發(fā)射參數(shù)時(shí)間序列，由于聲發(fā)射數(shù)據(jù)較多，以下僅對(duì)通道1 的聲發(fā)射參數(shù)展開(kāi)分析。

圖4 不同狀態(tài)下煤樣破壞形態(tài)Fig.4 Coal sample failure patterns under different conditions

不同狀態(tài)下煤樣載荷、撞擊率、損傷隨時(shí)間演化如圖5。由圖5 可以看出，低溫冷凍處理后煤樣的撞擊率隨時(shí)間演化規(guī)律與自然狀態(tài)下的煤樣基本一致：加載初期因內(nèi)部原生缺陷及冷凍膨脹裂隙閉合產(chǎn)生少量的聲發(fā)射，撞擊率相應(yīng)較??；彈性階段僅產(chǎn)生少量的聲發(fā)射，撞擊率較低；隨著載荷的繼續(xù)增加，進(jìn)入塑性變形階段，內(nèi)部裂紋擴(kuò)展，產(chǎn)生的聲發(fā)射較多，撞擊率相應(yīng)增大；臨近峰值載荷處，聲發(fā)射大量產(chǎn)生，撞擊率達(dá)到最大值，可作為煤樣的破壞前兆；而峰后階段則由于裂紋擴(kuò)展貫通會(huì)產(chǎn)生一定的聲發(fā)射信號(hào)。

其存在的差異主要為：加載初期自然狀態(tài)和自然冷凍狀態(tài)下的煤樣僅產(chǎn)生少量聲發(fā)射，撞擊率較??；而飽水冷凍狀態(tài)下產(chǎn)生較多的聲發(fā)射，撞擊率較大，其主要原因是飽水冷凍煤樣內(nèi)部冷凍膨脹形成較多裂隙，在外部載荷作用下冷凍膨脹裂隙及原生缺陷閉合產(chǎn)生聲發(fā)射的較多，對(duì)應(yīng)撞擊率較大。同樣低溫冷凍處理后煤樣最大撞擊率也相應(yīng)增高，自然狀態(tài)下最小，僅為49，而自然冷凍狀態(tài)下為54，較自然狀態(tài)下增加10.20%，飽水冷凍狀態(tài)下最大撞擊率最大，為60，較自然狀態(tài)下增加22.45%。主要原因是低溫冷凍作用致使煤樣內(nèi)部產(chǎn)生膨脹裂隙，在外部載荷作用下，內(nèi)部裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展活動(dòng)更加頻繁，故產(chǎn)生的聲發(fā)射較自然狀態(tài)下多，撞擊率較大。

2.3 低溫冷凍下原煤的損傷演化特征

巖石在破壞變形過(guò)程中的聲發(fā)射反映了其內(nèi)部裂紋萌生、擴(kuò)展和貫通破壞的演化過(guò)程，因此可以采用聲發(fā)射參數(shù)來(lái)定義損傷變量[15-16]。用聲發(fā)射累計(jì)能量來(lái)定義損傷。

圖5 不同狀態(tài)下煤樣載荷、撞擊率、損傷隨時(shí)間演化Fig.5 Evolution of coal sample load, hit rate and damage with time under different conditions

從圖5 可以看出，不同狀態(tài)的煤樣損傷隨時(shí)間的演化趨勢(shì)基本不發(fā)生變化，依次可分為初始損傷階段、損傷緩慢階段、快速損傷階段和峰后損傷階段。在加載初期，因內(nèi)部冷凍膨脹裂隙及原生缺陷閉合產(chǎn)生一定的損傷，損傷緩慢增加，處于初始損傷階段；進(jìn)入彈性階段后，內(nèi)部產(chǎn)生彈性可恢復(fù)變形，僅產(chǎn)生少量聲發(fā)射，損傷基本保持恒定，處于損傷緩慢階段；進(jìn)入塑性變形階段后，內(nèi)部裂紋不斷擴(kuò)展，聲發(fā)射快速增加，損傷快速增加，處于快速損傷階段，臨近峰值載荷時(shí)，損傷出現(xiàn)明顯的臺(tái)階上升，可作為煤樣的破壞前兆；而在峰后階段，煤樣破壞卸壓，因此損傷緩慢增加。

相比于自然煤樣，低溫冷凍處理后的煤樣壓密階段和峰后階段出現(xiàn)一定變化，飽水冷凍狀態(tài)下壓密階段損傷增加較多，而自然冷凍狀態(tài)下增加較少，主要是含水量越高，冷凍處理過(guò)程中產(chǎn)生的冷凍膨脹裂隙越多，壓密階段聲發(fā)射活動(dòng)越頻繁，損傷積累越多。低溫冷凍處理后峰后階段明顯縮短，且損傷增加較少，飽水冷凍狀態(tài)下峰后損傷基本不增加，峰值載荷處煤樣發(fā)生破壞，損傷達(dá)到最大值1；而自然冷凍狀態(tài)下峰后損傷小幅增加；自然狀態(tài)下峰后損傷仍有較大增加。低溫冷凍處理后煤樣在峰值載荷處損傷演化明顯不同，自然狀態(tài)下呈多級(jí)臺(tái)階上升；而自然冷凍狀態(tài)和飽水冷凍狀態(tài)下呈單級(jí)臺(tái)階上升，損傷增長(zhǎng)較快，對(duì)應(yīng)破壞越劇烈，煤樣破碎程度越高。

3 結(jié) 論

1）低溫冷凍處理后自然和飽水煤樣較未冷凍煤樣的抗壓強(qiáng)度會(huì)降低，分別降低13.93%和25.02%，脆性明顯增強(qiáng)；冷凍煤樣變形趨勢(shì)基本不變，但壓密階段載荷-位移曲線斜率會(huì)降低。

2）低溫冷凍處理后自然和飽水煤樣撞擊率演化規(guī)律與未冷凍煤樣基本一致，但加載初期飽水煤樣撞擊率明顯增大；自然和飽水煤樣的最大撞擊率較未冷凍煤樣大，分別增加10.20%和22.45%。

3）低溫冷凍處理后自然和飽水煤樣損傷演化規(guī)律與未冷凍煤樣基本一致，但飽水冷凍狀態(tài)下壓密階段損傷增加較多；低溫冷凍處理后峰后損傷階段明顯縮短，且該階段損傷增加較少。

4）低溫冷凍處理后煤樣在峰值載荷處損傷演化明顯不同，自然狀態(tài)下呈多級(jí)臺(tái)階上升；而自然冷凍狀態(tài)和飽水冷凍狀態(tài)下呈單級(jí)臺(tái)階上升，損傷增長(zhǎng)較快，對(duì)應(yīng)破壞越劇烈，煤樣破碎程度越高。