低溫凍結(jié)石門揭煤煤體溫度及力學(xué)性能變化規(guī)律研究

周震， 翟成

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 煤礦瓦斯治理國家工程研究中心， 江蘇 徐州 221116)

0 引言

石門揭煤是我國煤礦井下重要的巷道掘進(jìn)工程之一。石門揭煤時煤與瓦斯突出強度大，且80%以上的特大型煤與瓦斯突出均發(fā)生在石門揭煤過程，對煤礦造成嚴(yán)重破壞[1-2]。根據(jù)煤與瓦斯突出機理，煤體的力學(xué)強度是決定石門揭煤時能否抵擋煤與瓦斯突出動力的主要因素[3-4]。因此，為降低石門揭煤過程中煤與瓦斯突出危險性，結(jié)合人工凍結(jié)技術(shù)，國內(nèi)外學(xué)者提出低溫凍結(jié)石門揭煤方法[5-6]。在低溫凍結(jié)作用下，煤體內(nèi)部孔隙、裂隙中的水凍結(jié)成冰，冰的膠結(jié)作用可增強煤體的黏聚力，從而提高煤體的力學(xué)強度，使煤體狀態(tài)更加穩(wěn)定[7]。葉青等[8]提出了采用注液凍結(jié)技術(shù)增強石門揭煤煤體的強度、增加集中應(yīng)力區(qū)和卸壓區(qū)的長度來防止煤體發(fā)生流變而導(dǎo)致煤與瓦斯延時突出；馮濤等[9-10]通過凍結(jié)成型煤樣力學(xué)實驗論證了注液凍結(jié)法作為石門揭煤防突方法的可行性；謝雄剛等[11-12]采用RFPA2D系統(tǒng)和ANSYS數(shù)值模擬軟件，分別建立了石門揭煤凍結(jié)煤層過程氣固耦合數(shù)學(xué)模型及溫度場數(shù)值模擬計算模型；翟成等[13]探究了低溫凍結(jié)石門揭煤過程中煤體未凍水含量的變化規(guī)律。筆者通過試驗研究了低溫凍結(jié)石門揭煤煤體溫度及力學(xué)性能變化規(guī)律，對低溫凍結(jié)石門揭煤方法的工程實踐具有一定的指導(dǎo)作用。

1 試驗方案

1.1 煤樣制備

試驗采用型煤代替原煤，將煤粉、水泥、石膏、黃沙按配比1∶2∶2∶1混合并加入適量的水?dāng)嚢杈鶆蚝蟮谷肓⒎襟w模具，待漿液成型后進(jìn)行脫模，制作5個100 mm×100 mm×100 mm的煤樣。由于銅的導(dǎo)熱性能良好，熱傳導(dǎo)速率快，所以使用U形銅管作為導(dǎo)熱介質(zhì)，使液氮從U形銅管一端注入，液氮通過U形銅管有效吸收煤樣中的熱量，汽化產(chǎn)生的氮氣從U形銅管另一端排出。4個煤樣預(yù)埋U形銅管，煤樣通過U形銅管持續(xù)向液氮放出熱量，從而使煤樣逐漸被凍結(jié)；1個煤樣不預(yù)埋U形銅管作為對比試驗組。通過真空加壓飽水裝置、電熱鼓風(fēng)干燥箱和電子天平控制煤樣含水率為7%～9%[14-16]，以便對煤樣進(jìn)行凍結(jié)。

1.2 試驗步驟

(1) 將4個預(yù)埋U形銅管煤樣的U形銅管與液氮罐通過管閥相連，擰開液氮罐閥門對U形銅管注入液氮使煤樣分別凍結(jié)15，30，45，60 min。在U形銅管垂直平分線上距煤樣邊緣1/4處插入熱電偶，再將熱電偶與溫度傳感器相連，通過溫度傳感器測量煤樣內(nèi)部溫度。液氮溫度為-196 ℃，與煤樣的溫度差遠(yuǎn)大于煤樣與周圍環(huán)境之間的溫度差，因此熱交換主要發(fā)生在液氮與煤樣之間，且注液氮凍結(jié)前在煤壁貼上保溫棉，煤樣與周圍環(huán)境的熱交換可忽略不計。

(2) 用紅外熱成像儀測量未預(yù)埋U形銅管煤樣及凍結(jié)后煤樣的表面溫度。

(3) 在煤樣側(cè)面沿橫向、縱向貼上應(yīng)變片，將應(yīng)變片與應(yīng)變儀相連，在MTS電液伺服萬能試驗機上進(jìn)行單軸壓縮試驗(設(shè)軸向位移速率為0.1 mm/min)，測量煤樣單軸壓縮過程產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變。

試驗過程如圖1所示。

圖1 試驗過程Fig.1 Experiment process

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 煤樣溫度變化

不同凍結(jié)時間下煤樣內(nèi)部溫度變化曲線如圖2所示，結(jié)果見表1。

(a) 凍結(jié)15 min

表1 不同凍結(jié)時間下煤樣內(nèi)部溫度Table 1 Internal temperature of coal samples under different freezing time

可看出凍結(jié)過程中煤樣內(nèi)部溫度持續(xù)降低，即凍結(jié)時間越長，煤樣內(nèi)部溫度降低量越大；凍結(jié)60 min時，煤樣內(nèi)部溫度由25.33 ℃降低到-34.95 ℃，溫度降低量達(dá)60.28 ℃，凍結(jié)效果較好。

不同凍結(jié)時間下煤樣表面溫度變化云圖如圖3所示。從圖3可看出：① 原始煤樣表面幾何中心溫度為23.45 ℃，凍結(jié)15，30，45，60 min后，表面幾何中心溫度依次為10.28，10.07，5.38，-7.30 ℃；原始煤樣表面最低溫度為22.02 ℃，凍結(jié)15，30，45，60 min后，表面最低溫度依次為8.01，7.71，4.11，-10.10 ℃；原始煤樣表面最高溫度為24.16 ℃，凍結(jié)15，30，45，60 min后，表面最高溫度依次為16.53， 14.31，16.86，8.42 ℃；原始煤樣表面平均溫度為23.36 ℃，凍結(jié)15，30，45，60 min后，表面平均溫度依次為12.05，10.92，8.60，-1.67 ℃。這表明隨著凍結(jié)時間的增加，煤樣表面幾何中心溫度、表面最低溫度、表面最高溫度和表面平均溫度均呈下降趨勢。② 煤樣表面最低溫度位于U形銅管附近，煤樣表面最高溫度位于煤樣邊界。這是由于液氮與煤樣內(nèi)部的熱交換以U形銅管為中心逐漸向四周擴散，U形銅管附近煤的熱量最先被液氮吸收，處于煤樣邊界煤的熱量最后被液氮吸收。

(a) 未凍結(jié)

2.2 煤樣力學(xué)性能變化

不同凍結(jié)時間下煤樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示，煤體在整個單軸壓縮過程中依次經(jīng)歷壓密、彈性變形、屈服和破壞4個階段[17-18]。從圖4可看出，壓密階段隨著凍結(jié)時間的增加而縮短，未進(jìn)行凍結(jié)的煤樣在壓密階段應(yīng)變達(dá)1.655 4%，凍結(jié)15，30，45，60 min的煤樣在壓密階段應(yīng)變分別降到了0.932 8%， 0.388 0%，0.170 8%，0.271 6%，這是由于凍結(jié)作用使煤孔隙中的水凝固成冰，壓密階段應(yīng)變減??；在彈性變形階段和屈服階段，煤樣的最大應(yīng)力隨著凍結(jié)時間的增加而增大，這是由于煤樣內(nèi)部的水凍結(jié)成冰，冰對煤樣內(nèi)部基質(zhì)顆粒的膠結(jié)作用和孔隙的充填作用明顯，并且凍結(jié)時間越長，煤樣凍結(jié)程度越高，提高了煤樣的力學(xué)強度。

圖4 不同凍結(jié)時間下煤樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curves of coal samples under different freezing time

不同凍結(jié)時間下煤樣最大應(yīng)力和彈性模量見表2，并采用多項式擬合方式繪制曲線，如圖5所示?？煽闯鲭S著凍結(jié)時間的增加，煤樣的最大應(yīng)力和彈性模量均呈增大趨勢；凍結(jié)60 min后，最大應(yīng)力由2.074 MPa增大到4.252 MPa，增幅為105%，彈性模量由0.403 GPa增大到0.621 GPa，增幅為54.1%。

表2 不同凍結(jié)時間下煤樣最大應(yīng)力和彈性模量Table 2 Maximum stress and elastic modulus of coal samples under different freezing time

圖5 不同凍結(jié)時間下煤樣最大應(yīng)力和彈性模量變化曲線Fig.5 Variation curves of maximum stress and elastic modulus of coal samples under different freezing time

3 結(jié)論

(1) 隨著凍結(jié)時間的增加，煤樣內(nèi)部及表面溫度呈下降趨勢；煤樣表面最低溫度位于U形銅管附近，煤樣表面最高溫度位于煤樣邊界。

(2) 煤體在整個單軸壓縮過程中依次經(jīng)歷壓密、彈性變形、屈服和破壞4個階段。在壓密階段，隨著凍結(jié)時間的增加，煤樣應(yīng)變逐漸減小，壓密階段縮短；在彈性變形階段和屈服階段，隨著凍結(jié)時間的增加，煤樣最大應(yīng)力和彈性模量均呈增大趨勢。