熱力耦合作用下長(zhǎng)焰煤的熱變形規(guī)律試驗(yàn)研究

王 霞，馮子軍

(1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.太原理工大學(xué)原位改性采礦教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024)

我國(guó)的能源種類包括煤炭、石油、天然氣，其中煤炭資源儲(chǔ)量豐富，據(jù)第三次全國(guó)煤炭預(yù)測(cè)工作表明，煤炭保有儲(chǔ)量達(dá)10032.6億t[1]，低變質(zhì)煤約占一半以上[2]。低變質(zhì)煤包括：褐煤、長(zhǎng)焰煤、不粘煤，也包括部分弱粘結(jié)煤和1—3號(hào)氣煤，其中長(zhǎng)焰煤占低變質(zhì)煤的40%左右[3，4]。根據(jù)2025年中國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)，可知未來(lái)幾年煤炭的消費(fèi)仍在半數(shù)或半數(shù)以上[5]。因低變質(zhì)煤灰分高、揮發(fā)分高、含水率高、熱值低等缺點(diǎn)，目前，僅用于火力發(fā)電，其附加值較低，易造成一系列環(huán)境問(wèn)題。如何合理有效利用和開采低變質(zhì)煤，成為當(dāng)今社會(huì)的熱點(diǎn)問(wèn)題。隨著煤體原位開采方法的提出[6，7]，在煤體原位開采和地下氣化、液化過(guò)程中，煤層的變形問(wèn)題尤為突出。因此，研究煤體在高溫三軸應(yīng)力下的熱變形和熱膨脹系數(shù)的演化規(guī)律對(duì)煤層開采具有重要意義。

諸多學(xué)者對(duì)于花崗巖[8-10]、砂巖[11，12]、石灰?guī)r[13]、油頁(yè)巖[14]等的熱變形演化規(guī)律進(jìn)行了大量表征。由于煤中有機(jī)質(zhì)的影響，其熱變形演化規(guī)律[15-22]相對(duì)巖石更為復(fù)雜。文獻(xiàn)[16]通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)了煤體熱膨脹的閾值溫度為383K。文獻(xiàn)[17-20]應(yīng)用高溫三軸壓力機(jī)表征了不同地區(qū)的褐煤、亮煤在室溫～400℃的熱變形演化規(guī)律，表明不同煤種的熱變形規(guī)律差異性較強(qiáng)。文獻(xiàn)[22]研究了大尺寸(?200mm×400mm)無(wú)煙煤在原巖應(yīng)力下的熱變形規(guī)律，研究表明：無(wú)煙煤的熱變形隨溫度變化分為三個(gè)階段：熱膨脹階段、緩慢壓縮階段、劇烈壓縮階段；無(wú)煙煤脆性機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性機(jī)制的臨界溫度范圍在400～450℃。煤的熱變形規(guī)律和巖石有所不同，煤體韌性機(jī)制和脆性機(jī)制會(huì)對(duì)煤體的變形產(chǎn)生影響[23]。煤的塑性變形隨煤變質(zhì)程度的增高而逐漸降低，并逐漸消失[24，25]。

綜上可知，對(duì)于煤熱變形的研究集中于褐煤、無(wú)煙煤，對(duì)于長(zhǎng)焰煤在高溫三軸應(yīng)力下的熱變形規(guī)律研究的較少。文獻(xiàn)[26]指出深部開采的原巖應(yīng)力趨于靜水應(yīng)力，對(duì)于不同深度煤體的熱變形具有重要意義。而低變質(zhì)煤原位注熱開采油氣技術(shù)中煤體處于高溫三軸應(yīng)力耦合作用，研究其熱變形對(duì)煤體液化和氣化的研究有重要意義。本文利用太原理工大學(xué)原位改性采礦教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研制的伺服控制多功能高溫三軸巖石試驗(yàn)機(jī)對(duì)山西典型低變質(zhì)煤中的長(zhǎng)焰煤進(jìn)行試驗(yàn)研究，揭示了長(zhǎng)焰煤三軸應(yīng)力下的熱變形規(guī)律，闡述了溫度和三軸壓力對(duì)熱變形的影響機(jī)理，為低變質(zhì)煤原位注熱開采油氣技術(shù)中熱解滲流通道的變形提供數(shù)據(jù)支持。

1 試驗(yàn)方法及試驗(yàn)設(shè)備

1.1 試驗(yàn)樣品

試樣長(zhǎng)焰煤煤樣取自山西河保偏煤田，從采煤工作面截取大塊長(zhǎng)焰煤煤樣，并用砂線切割機(jī)以垂直層理方向取芯，切割，兩端磨平，加工成?50mm×100mm的標(biāo)準(zhǔn)樣，以供測(cè)試及分析。長(zhǎng)焰煤煤樣工業(yè)分析和元素分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 長(zhǎng)焰煤煤樣工業(yè)分析和元素分析 %

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備為伺服控制多功能高溫三軸巖石試驗(yàn)機(jī)，如圖1所示。試驗(yàn)機(jī)由系統(tǒng)控制平臺(tái)、高溫三軸應(yīng)力室、加熱系統(tǒng)組成。試驗(yàn)機(jī)的軸壓由液壓站伺服控制，加載的最大主應(yīng)力可達(dá)600MPa；圍壓由高純度氮?dú)饧虞d。試驗(yàn)機(jī)的升溫系統(tǒng)由11組加熱棒均勻加熱，最高溫度可達(dá)600℃；實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，軸向變形數(shù)據(jù)由光柵尺實(shí)時(shí)采集，該試驗(yàn)機(jī)可進(jìn)行高溫高壓下巖石和煤體的滲流和力學(xué)特性試驗(yàn)。

圖1 伺服控制多功能高溫三軸巖石試驗(yàn)機(jī)

1.3 試驗(yàn)方法

1)每次試驗(yàn)前多次測(cè)量試件尺寸，然后按照試驗(yàn)規(guī)程安裝于三軸試驗(yàn)機(jī)中。

2)將軸壓和圍壓加載至應(yīng)力預(yù)設(shè)值。按照軸壓—圍壓的順序循環(huán)逐級(jí)加載，加載完畢，開始升溫變形試驗(yàn)，升溫速率為24℃/h。

3)試驗(yàn)過(guò)程中，試樣的溫度、軸向壓力、軸向變形以及時(shí)間數(shù)據(jù)由電腦數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)自動(dòng)采集。

2 高溫三軸壓力下長(zhǎng)焰煤熱變形規(guī)律分析

2.1 長(zhǎng)焰煤熱變形規(guī)律

以巖石壓縮變形為正，膨脹變形為負(fù)，長(zhǎng)焰煤軸向變形隨溫度變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 長(zhǎng)焰煤試樣溫度與軸向應(yīng)變

由圖2可知，軸向變形在整個(gè)升溫過(guò)程中總體為負(fù)，表明長(zhǎng)焰煤在500℃范圍內(nèi)持續(xù)處于熱膨脹變形。根據(jù)熱膨脹變形將其分為兩個(gè)階段：

第一階段(室溫～400℃)：室溫至100℃時(shí)，煤樣的熱膨脹變形較小，如1#試樣在150℃時(shí)的膨脹量為1.96mm；2#試樣溫度小于77.4℃時(shí)，其變形量為0，當(dāng)溫度為100℃時(shí)熱膨脹量?jī)H為0.46mm。溫度小于100℃的熱變形主要由膨脹引起的，隨著溫度逐漸升高，煤樣在短時(shí)間內(nèi)快速膨脹。煤樣內(nèi)部礦物膨脹導(dǎo)致煤樣的體積膨脹，表現(xiàn)為煤樣宏觀上的軸向變形增加。100～400 ℃時(shí)，當(dāng)溫度到達(dá)400℃時(shí)，1#試樣的熱膨脹量達(dá)到了9.68mm，試樣的總變形量是100℃變形量的4.9倍；2#試樣的熱膨脹量為8.49mm。此階段煤體的熱變形包括：煤基質(zhì)的膨脹和熱解。在三軸壓力下，煤基質(zhì)的膨脹會(huì)導(dǎo)致煤體內(nèi)部孔隙裂隙閉合；熱解過(guò)程中產(chǎn)生的熱解氣，會(huì)將煤樣的孔隙和裂隙通道打開，400℃之前，煤體在三軸壓力下的熱解速率較小，此階段煤的體積膨脹和熱解使煤的膨脹速率達(dá)到了相對(duì)穩(wěn)定階段。

第二階段：400℃～終溫，煤樣的熱膨脹量持續(xù)增加，膨脹速率減小。隨著溫度升高至450℃，1#、2#試樣熱膨脹變形量分別為10.61mm、9.7mm。1#試樣在500℃時(shí)熱膨脹量達(dá)到了11.31mm，最終軸向變形達(dá)到1.1%左右。煤體溫度大于400℃時(shí)，煤樣的熱解速率加快，產(chǎn)氣量增加，導(dǎo)致部分基質(zhì)收縮。由于長(zhǎng)焰煤的變質(zhì)程度較低，熱解產(chǎn)氣量較少，導(dǎo)致熱解時(shí)基質(zhì)的收縮量與熱膨脹量相比較小，煤樣整體還是表現(xiàn)為熱膨脹。溫度到達(dá)500℃時(shí)，熱解產(chǎn)氣量對(duì)長(zhǎng)焰煤固體骨架的影響較小，所以在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，長(zhǎng)焰煤表現(xiàn)為持續(xù)熱膨脹。

2.2 長(zhǎng)焰煤熱膨脹系數(shù)演化規(guī)律

長(zhǎng)焰煤是一種變質(zhì)程度較低的煤，根據(jù)文獻(xiàn)[24]煤構(gòu)造變形的韌性機(jī)制發(fā)生在煤階較低的煤中。巖石的熱膨脹系數(shù)是指巖石試件溫度升高1℃在長(zhǎng)度方向上引起的應(yīng)變量[27]。假設(shè)：長(zhǎng)焰煤煤樣的熱應(yīng)變?cè)趶椥苑秶鷥?nèi)。煤樣的熱膨脹系數(shù)可以由式(1)得出：

式中，α(T，σV)為熱膨脹系數(shù)，10-5/℃；ΔL為軸向相對(duì)變形量，mm；T為溫度，℃；L為試樣原長(zhǎng)，mm；σV為體積應(yīng)力，MPa。

長(zhǎng)焰煤在熱力耦合作用下的軸向熱膨脹系數(shù)如圖3所示。煤樣的線性熱膨脹系數(shù)隨著溫度的升高逐漸升高；隨著地應(yīng)力增大，熱膨脹系數(shù)減小，如地應(yīng)力為7.5MPa時(shí)，軸向熱膨脹系數(shù)整體小于5MPa。

圖3 長(zhǎng)焰煤在熱力耦合作用下的軸向熱膨脹系數(shù)

根據(jù)圖3，可以將煤樣的線性熱膨脹系數(shù)分為三個(gè)階段。第一階段：熱膨脹系數(shù)開始升高的溫度節(jié)點(diǎn)隨地應(yīng)力的增加而增大。1#地應(yīng)力為5MPa，初始溫度17.7℃，18.1℃時(shí)熱膨脹系數(shù)開始增大；2#地應(yīng)力7.5MPa，初始溫度16.9℃，77.4℃時(shí)熱膨脹系數(shù)開始增大。地應(yīng)力的增大，制約了煤體的熱膨脹，熱應(yīng)力和體積應(yīng)力有一段相互平衡階段，使得熱膨脹系數(shù)保持不變。

第二階段：熱膨脹系數(shù)隨著溫度的升高快速增加。1#試樣18.1～100℃，熱膨脹系數(shù)隨溫度升高幾乎呈直線增加；2#試樣77.4～200℃，熱膨脹系數(shù)也隨著溫度的升高大幅度升高。

第三階段：熱膨脹系數(shù)隨溫度的升高緩慢增加。1#試樣在100～400℃時(shí)，線性熱膨脹系數(shù)由1.96×10-5/℃變化至2.42×10-5/℃；2#試樣在200～450℃，線性熱膨脹系數(shù)由1.76×10-5/℃升至2.15×10-5/℃。試樣在此階段線性熱膨脹系數(shù)的變化幅度較小，增幅僅為 0.22%左右。

1#試樣的溫度大于400℃時(shí)，煤樣的軸向熱膨脹系數(shù)有一定程度的降低。1#試樣在400℃時(shí)的線性熱膨脹系數(shù)為2.42×10-5/℃，500℃時(shí)的線性熱膨脹系數(shù)為2.27×10-5/℃。

長(zhǎng)焰煤熱膨脹系數(shù)隨著溫度的升高可分為三個(gè)階段，且與溫度之間可用分段函數(shù)表示，見(jiàn)表2。

表2 長(zhǎng)焰煤熱膨脹系數(shù)的分段擬合表

2.3 三軸壓力對(duì)長(zhǎng)焰煤熱變形規(guī)律的影響

三軸壓力對(duì)煤樣的熱變形具有抑制作用，由圖2可知，長(zhǎng)焰煤煤樣的軸向應(yīng)變隨地應(yīng)力的增大而增大。地應(yīng)力為7.5MPa時(shí)的軸向應(yīng)變均高于地應(yīng)力為5MPa時(shí)的軸向應(yīng)變。

室溫～100℃時(shí)，煤樣在地應(yīng)力5MPa和7.5MPa時(shí)，100℃內(nèi)的軸向應(yīng)變分別為-1.96×10-2、-0.46×10-2。1#試樣從室溫升至100℃，煤樣持續(xù)膨脹；2#試樣溫度小于77.4℃時(shí)，由于地應(yīng)力和熱應(yīng)力平衡，煤樣沒(méi)有發(fā)生形變；當(dāng)溫度大于77.4℃時(shí)，熱應(yīng)力大于地應(yīng)力，煤樣膨脹，軸向應(yīng)變減小。

100℃～終溫，1#、2#試樣的軸向應(yīng)變隨著溫度的升高而減小。300℃時(shí)長(zhǎng)焰煤煤樣的軸向應(yīng)變分別為：-0.695×10-2、-0.576×10-2；溫度在450 ℃時(shí)，長(zhǎng)焰煤煤樣的軸向應(yīng)變分別為-1.061×10-2、-0.97×10-2。由此可知，地應(yīng)力為7.5MPa時(shí)的軸向應(yīng)變均高于地應(yīng)力為5MPa時(shí)的軸向應(yīng)變。當(dāng)?shù)貞?yīng)力增大時(shí)，對(duì)煤體的約束增加，從而阻礙了煤體的熱膨脹變形。通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)焰煤的熱變形隨著地應(yīng)力的增大，變形量逐漸減小；變形速率隨著地應(yīng)力的增大而減小。

由圖3可知，長(zhǎng)焰煤煤樣熱膨脹系數(shù)與地應(yīng)力存在閾值，小于閾值溫度熱膨脹系數(shù)快速增大；當(dāng)溫度超過(guò)閾值溫度時(shí)，煤樣線性膨脹系數(shù)的增速較慢。地應(yīng)力在5MPa、7.5MPa時(shí)的線性熱膨脹系數(shù)閾值分別為100℃、200℃。

花崗巖的膨脹系數(shù)峰值在570 ℃左右；安山巖的膨脹系數(shù)峰值在250℃[27]。長(zhǎng)焰煤煤樣的熱膨脹系數(shù)峰值與溫度、地應(yīng)力有關(guān)，由圖3可知：地應(yīng)力為5MPa時(shí)，煤樣的熱膨脹系數(shù)峰值在400℃，地應(yīng)力在7.5MPa時(shí)，熱膨脹系數(shù)峰值對(duì)應(yīng)的溫度高于450℃。

3 長(zhǎng)焰煤和無(wú)煙煤熱變形特征對(duì)比

在三軸壓力下，煤的熱變形均是由煤基質(zhì)的膨脹和熱解引起的。長(zhǎng)焰煤1#試樣和無(wú)煙煤[28]的熱應(yīng)變特征規(guī)律如圖4所示。長(zhǎng)焰煤是變質(zhì)程度最低的一種煙煤，煤樣隨著溫度的升高持續(xù)膨脹。高變質(zhì)煙煤——無(wú)煙煤在500m原巖應(yīng)力下，隨著溫度的升高先膨脹后壓縮。

圖4 1#長(zhǎng)焰煤和無(wú)煙煤軸向應(yīng)變對(duì)比

在小于200℃時(shí)，長(zhǎng)焰煤和無(wú)煙煤都隨著溫度的升高發(fā)生熱膨脹變形。由于煤體變質(zhì)程度的不同，導(dǎo)致長(zhǎng)焰煤和無(wú)煙煤的軸向熱應(yīng)變具有差異性，長(zhǎng)焰煤煤樣的膨脹變形較大。溫度大于200℃時(shí)，無(wú)煙煤和長(zhǎng)焰煤都發(fā)生熱解，但表現(xiàn)出了截然不同的變形特征。由于長(zhǎng)焰煤變質(zhì)程度較低，熱解氣產(chǎn)生量較小，熱解產(chǎn)氣量并沒(méi)有使煤體骨架弱化，其變形為熱膨脹；無(wú)煙煤在200℃之后，無(wú)煙煤熱解產(chǎn)氣量增大，大量熱解氣的產(chǎn)出使得無(wú)煙煤骨架被弱化，導(dǎo)致無(wú)煙煤發(fā)生壓縮變形。熱解產(chǎn)氣量的多少對(duì)煤體的骨架有很大的影響，在試驗(yàn)過(guò)程中，長(zhǎng)焰煤的熱解產(chǎn)氣量較少，溫度到達(dá)500℃時(shí)的熱解產(chǎn)氣量并沒(méi)有使長(zhǎng)焰煤的固體骨架發(fā)生弱化，使得長(zhǎng)焰煤整體表現(xiàn)為熱膨脹。

4 結(jié) 論

煤的熱變形與煤體的變質(zhì)程度、試樣孔隙裂隙發(fā)育程度以及應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)有關(guān)。通過(guò)對(duì)長(zhǎng)焰煤煤樣在不同地應(yīng)力下，熱變形和熱膨脹系數(shù)隨溫度變化的試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明：

1)長(zhǎng)焰煤在地應(yīng)力5MPa、7.5MPa時(shí)，長(zhǎng)焰煤在500℃內(nèi)表現(xiàn)為熱膨脹變形，熱膨脹系數(shù)隨溫度的升高可分為三個(gè)階段：開始增加階段、快速增加階段、緩慢增加階段，與溫度之間可采用分段線性函數(shù)表示，相關(guān)性系數(shù)可達(dá)0.96。

2)三軸壓力對(duì)長(zhǎng)焰煤的熱變形有顯著影響，壓力越高，開始產(chǎn)生膨脹變形的溫度點(diǎn)越高，1#和2#試樣開始膨脹的溫度分別為18.1℃、77.4℃；熱膨脹系數(shù)越小，7.5MPa的熱膨脹系數(shù)曲線整體趨于5MPa之下。

3)長(zhǎng)焰煤煤樣熱膨脹系數(shù)與地應(yīng)力存在閾值，小于閾值溫度熱膨脹系數(shù)快速增大；當(dāng)溫度超過(guò)閾值溫度時(shí)，煤樣線性膨脹系數(shù)的增速較慢。地應(yīng)力在5MPa、7.5MPa時(shí)的線性熱膨脹系數(shù)閾值分別為100℃、200℃；長(zhǎng)焰煤的熱膨脹系數(shù)峰值與溫度、地應(yīng)力有關(guān)，三軸壓力越高，峰值熱膨脹系數(shù)對(duì)應(yīng)的溫度越高。煤樣在地應(yīng)力5MPa時(shí)，峰值熱膨脹系數(shù)對(duì)應(yīng)的溫度為400℃，7.5MPa地應(yīng)力下，450℃內(nèi)未出現(xiàn)峰值熱膨脹系數(shù)，其所需溫度可能更高。

4)長(zhǎng)焰煤煤樣在熱力耦合作用下，煤樣的熱變形隨著地應(yīng)力的增加逐漸減小，其熱變形速率也在減小。