微波處理后飽水煤巖沖擊破壞的試驗(yàn)研究

姚俊輝，陳 輝，管偉明，溫穎遠(yuǎn)，李虎威

（1.新疆大學(xué) 地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊830047；2.新疆大學(xué) 礦產(chǎn)資源生態(tài)環(huán)境保護(hù)性開采自治區(qū)高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊830047；3.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410083）

我國(guó)是世界上煤與瓦斯突出災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家之一，大部分礦區(qū)煤層透氣性低，瓦斯抽采難度大，礦山安全生產(chǎn)威脅嚴(yán)重[1]。因此，為降低開采過(guò)程中瓦斯的涌出量，防止瓦斯超限和積聚，開采前必須對(duì)瓦斯進(jìn)行合理抽采。

研究表明，煤層注熱可以有效提高瓦斯產(chǎn)量[2]。與傳統(tǒng)加熱技術(shù)相比，微波加熱具有熱慣性小、升溫快、選擇性加熱、穿透力強(qiáng)等特點(diǎn)[3]，大量文獻(xiàn)已經(jīng)證明微波注熱技術(shù)在煤層脫氣領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用潛能[4-7]。開采前，微波通過(guò)選擇性加熱煤巖中的的水分和礦物質(zhì)導(dǎo)致孔隙裂隙的發(fā)育和擴(kuò)張，從而使吸附瓦斯發(fā)生解吸、擴(kuò)散和滲透；開采時(shí)，鑿巖和爆破作業(yè)產(chǎn)生的沖擊載荷導(dǎo)致煤巖內(nèi)部空隙缺陷處的動(dòng)力學(xué)過(guò)程加劇，形成的微損傷使得微波注熱煤層動(dòng)力災(zāi)害的孕育機(jī)理更為復(fù)雜，所以有必要了解微波注熱煤層在高強(qiáng)度開采下的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)特性。

目前，針對(duì)巖石類材料中應(yīng)變率段的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性測(cè)試主要采用分離式霍普金森壓桿（SHPB）實(shí)驗(yàn)設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。張文清[8]等利用SHPB對(duì)松軟煤層的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性進(jìn)行了研究；單仁亮等[9]通過(guò)采用SHPB對(duì)無(wú)煙煤進(jìn)行了沖擊加載實(shí)驗(yàn)，獲得了煤的動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系；劉少虹等[10]基于改進(jìn)后的SHPB分析得到了煤在動(dòng)載作用下的破壞機(jī)制?，F(xiàn)有文獻(xiàn)集中匯報(bào)了沖擊加載對(duì)煤巖的影響，但鮮有文章提及沖擊荷載和微波注熱對(duì)煤巖的耦合破壞作用。此外，采煤作業(yè)中由于采空區(qū)積水和含水層的滲漏經(jīng)常導(dǎo)致煤巖較高的含水率，因此試驗(yàn)中應(yīng)考慮水分對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

為開展對(duì)微波處理后含水煤巖沖擊破壞的試驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)前對(duì)煤樣進(jìn)行飽水處理，隨后對(duì)飽水煤樣進(jìn)行不同時(shí)間的微波加熱，待煤樣冷卻后利用SHPB系統(tǒng)進(jìn)行恒定應(yīng)變率的沖擊加載試驗(yàn)，同時(shí)利用高速攝影儀記錄煤樣的破壞過(guò)程。比較了微波處理后煤巖動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)的變化，研究了微波加熱后煤巖沖擊破壞的全過(guò)程，初步分析了不同加熱時(shí)間下水分對(duì)煤巖沖擊破壞結(jié)果的影響。

1 試驗(yàn)程序

1.1 樣品和試驗(yàn)系統(tǒng)

根據(jù)國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)的相關(guān)規(guī)范[11-12]，從塊煤中提取巖心并加工為15個(gè)具有較高幾何完整性和巖相均勻性的圓柱狀煤巖樣品，煤樣的直徑為50 mm，長(zhǎng)徑比為0.6。為進(jìn)行后續(xù)的SHPB試驗(yàn)，對(duì)煤樣的上下端面進(jìn)行仔細(xì)打磨，使其表面平整度在0.02 mm以內(nèi)，并且端面垂直于柱面軸線在0.001 rad的范圍以內(nèi)。

式中：A0、AS分別為試樣和桿子的橫截面積，m2；E為桿子的彈性模量，Pa；C0為桿子的波速，m/s；LS為桿子的長(zhǎng)度，m；εI、εR、εT分別為桿的入射應(yīng)變，反射應(yīng)變和透射應(yīng)變；t為時(shí)間。

系統(tǒng)采用的紡錘形沖頭可以實(shí)現(xiàn)恒應(yīng)變率下半正弦應(yīng)力波加載，因此適合用于非均質(zhì)脆性材料的高應(yīng)變率加載[13]，關(guān)于系統(tǒng)詳細(xì)的試驗(yàn)原理請(qǐng)參考文獻(xiàn)[14]。SHPB試驗(yàn)裝置的沖頭、入射桿、透射桿和吸收桿均為高強(qiáng)度的40Cr合金鋼，SHPB試驗(yàn)系統(tǒng)各部件參數(shù)見表1。

表1 SHPB試驗(yàn)系統(tǒng)各部件參數(shù)Table 1 Component parameters of SHPB test system

試驗(yàn)場(chǎng)景如圖1。

圖1 試驗(yàn)場(chǎng)景Fig.1 Experimental scenes

為同步拍攝煤樣的破壞過(guò)程，沖擊試驗(yàn)中型號(hào)為FASTCAMSA1.1的高速攝影儀與SHPB系統(tǒng)相連接，當(dāng)SHPB系統(tǒng)的示波器開始記錄輸入桿的應(yīng)力波信號(hào)時(shí)，會(huì)同步輸出5 V的電平信號(hào)，該信號(hào)也是高速攝影儀的觸發(fā)信號(hào)。由此可以解決SHPB和高速攝影儀同步運(yùn)行的問(wèn)題，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)照片拍攝時(shí)間的確定[14]。沖擊試驗(yàn)中高速攝影時(shí)的幀頻率為75 000幅/s，大約每13.3μs拍攝1張，最大內(nèi)存可擴(kuò)充至8 GB。

1.2 試驗(yàn)方案

對(duì)15個(gè)煤樣進(jìn)行標(biāo)號(hào)，然后進(jìn)行飽水處理，直至煤樣質(zhì)量不再發(fā)生變化后取出；然后把飽水煤樣分成4組：1#～6#煤樣為第1組，7#～9#煤樣為第2組，10#～12#煤樣為第3組，13#～15#煤樣為第4組；最后對(duì)這4組煤樣進(jìn)行高功率（6 kW）的微波加熱和0.3 MPa沖擊氣壓下的動(dòng)態(tài)加載，具體方案如下：

1）1#～6#煤樣。不進(jìn)行微波加熱，直接進(jìn)行沖擊加載試驗(yàn)。

2）7#～9#煤樣。微波加熱50 s后，進(jìn)行沖擊加載試驗(yàn)。

3）10#～12#煤樣。微波加熱125 s后，進(jìn)行沖擊加載試驗(yàn)。

4）13#～15#煤樣。微波加熱200 s后，進(jìn)行沖擊加載試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)力平衡

沖擊加載過(guò)程中試件被夾在入射桿和透射桿之間，紡錘形沖頭擊打入射桿時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力波在巖石內(nèi)部經(jīng)過(guò)幾次透反射后，巖石內(nèi)部應(yīng)力達(dá)到均勻分布是采用準(zhǔn)靜態(tài)方程求解巖石動(dòng)力學(xué)參數(shù)的前提條件[15]。因此，沖擊試驗(yàn)需要進(jìn)行應(yīng)力平衡檢驗(yàn)。試件兩端的應(yīng)力可以通過(guò)式（4）和式（5）獲得[16]：

式中：σ1、σ2分別為試件左端和右端的應(yīng)力，Pa；εI、εR、εT分別為桿件的入射應(yīng)變、反射應(yīng)變和透射應(yīng)變；E為桿件的彈性模量，Pa。

應(yīng)力平衡檢測(cè)如圖2。由圖2可以看出，測(cè)得的波形曲線基本消除了應(yīng)力彌散引起的波的振蕩，同時(shí)波形曲線呈半正弦狀表明已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了恒應(yīng)變率加載。煤樣兩端的應(yīng)力也基本處于平衡狀態(tài)，因?yàn)橥干鋺?yīng)力波等于入射應(yīng)力波和反射應(yīng)力波之和。

圖2 應(yīng)力平衡檢測(cè)Fig.2 Stress balance check

研究中對(duì)全部15個(gè)煤樣均進(jìn)行了應(yīng)力平衡檢驗(yàn)，結(jié)果滿足SHPB的試驗(yàn)要求。SHPB試驗(yàn)結(jié)果見表2。需要說(shuō)明的是由于設(shè)備原因以及煤巖本身在結(jié)構(gòu)和成分上的非均一性，煤樣的加載應(yīng)變率不可避免地存在一定程度上的差異。

2.2 應(yīng)力應(yīng)變曲線

15個(gè)煤樣的動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3。由圖3可以看出，由于煤樣內(nèi)部的微裂隙在高速?zèng)_擊載荷作用下以極快的速度閉合，導(dǎo)致動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線相比較靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線沒(méi)有明顯的壓密階段，曲線一開始就進(jìn)入彈性階段，彈性模量也大于靜態(tài)加載時(shí)的數(shù)值。彈性階段過(guò)后，曲線偏離直線進(jìn)入屈服階段，這是因?yàn)闆_擊加載過(guò)程中煤樣內(nèi)部的薄弱之處首先破壞產(chǎn)生新的裂隙，隨后應(yīng)力波在煤樣內(nèi)部往復(fù)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致應(yīng)力不斷在裂隙周圍集中，裂隙不斷演化、發(fā)展。最后，當(dāng)煤樣內(nèi)部裂紋不斷增加和擴(kuò)展到一定程度的時(shí)候，貫通裂隙產(chǎn)生，煤樣整體發(fā)生破壞而失去承載能力。

圖3 煤樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curves of coal sam ples

2.3 峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，可以繪制出峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變隨微波時(shí)間的發(fā)展變化圖（圖4）。

表2 SHPB試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Experimental results of SHPB

由于煤巖中礦物組成、顆粒大小以及微裂紋的發(fā)育程度、分布形式和產(chǎn)狀要素的差異，導(dǎo)致相同微波加熱時(shí)間下煤樣峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變的分布離散性較大。盡管如此，圖4仍呈現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律：隨著微波時(shí)間的延長(zhǎng)，峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變逐漸減小，其變化趨勢(shì)可以分為3個(gè)階段：加熱初期（0～50 s）、加熱中期（50～125 s）和加熱后期（125～200 s）。其中，與其他2個(gè)階段相比，加熱中期煤樣的動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)變化明顯，平均峰值應(yīng)力從14.82 MPa減小至8.48 MPa，變化幅度為42.78%；平均峰值應(yīng)變則由7.66×10-3減小至5.27×10-3，變化幅度為31.20%。

圖4 煤樣的峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變Fig.4 Peak stress and peak strain of coal sam ples

導(dǎo)致上述現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是煤樣中的水分在微波加熱的作用下相態(tài)發(fā)生了變化，產(chǎn)生的蒸汽壓力破壞了煤樣內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)。加熱初期（0～50 s），煤中孔隙和微裂隙中的水分在微波的刺激下逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗魵庵饾u逸散至空氣中，此時(shí)蒸汽壓力對(duì)煤內(nèi)微結(jié)構(gòu)的破壞作用較弱；加熱中期（50～125 s）,大量水分轉(zhuǎn)變?yōu)樗魵獠⒃诿簶觾?nèi)不斷積累，原本的運(yùn)移通道不能滿足現(xiàn)有水蒸汽順利的向外排放，煤樣內(nèi)的蒸汽壓力逐漸升高并作用于孔隙和微裂隙的表面。當(dāng)蒸汽壓力積累到超過(guò)煤巖內(nèi)微結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度時(shí)，孔隙和微裂隙發(fā)育和擴(kuò)張，造成煤樣峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變的大幅下降；加熱后期（125～200 s），由于之前孔隙和微裂隙的發(fā)育和擴(kuò)張使得煤樣內(nèi)水蒸氣的運(yùn)移能力大幅提高，此時(shí)水蒸氣能夠快速排出而不在煤樣內(nèi)產(chǎn)生積聚，因此本階段水蒸氣對(duì)煤樣微結(jié)構(gòu)的破壞作用較弱，對(duì)應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的變化幅度因此再次變小。ITAYA[17]和Lepers[18]也認(rèn)為巖土材料中水分蒸發(fā)產(chǎn)生的壓力對(duì)巖土材料的破壞起著重要作用。

2.4 煤樣的沖擊破壞過(guò)程

不同微波加熱時(shí)間下煤樣沖擊破壞過(guò)程如圖5。

圖5 不同微波加熱時(shí)間下煤樣的沖擊破壞過(guò)程Fig.5 Im pact fracture process of coal sam ples w ith differentm icrowave heating times

由圖5可以看出，煤的主要裂縫平行于加載方向，沖擊試驗(yàn)中煤樣表現(xiàn)為典型的劈裂破壞。在動(dòng)載荷的作用下，微波對(duì)含水煤樣的影響隨加熱時(shí)間的變化而不同。隨著加熱的不斷進(jìn)行，煤樣產(chǎn)生裂紋的時(shí)間越來(lái)越早、產(chǎn)生裂紋的數(shù)量也越來(lái)越多，并且煤樣的主裂紋也越來(lái)越寬。由此可以推測(cè)在相同沖擊載荷的作用下，煤樣的破碎時(shí)間與加熱時(shí)間息息相關(guān)，微波加熱的時(shí)間越長(zhǎng)，煤巖就越早發(fā)生破碎并失去承載能力。

2.5 煤樣的沖擊破碎形態(tài)

煤樣的破壞作為煤巖內(nèi)微結(jié)構(gòu)不斷劣化的結(jié)果，其破壞形態(tài)反映了煤巖內(nèi)微裂隙的發(fā)展發(fā)育的程度，因此對(duì)其分析有著重要意義[19]。不同微波加熱時(shí)間下煤樣的沖擊破壞形態(tài)如圖6。

圖6 不同微波加熱時(shí)間下煤樣的沖擊破壞形態(tài)Fig.6 Failure shapes of coal samples under dynam ic loading w ith differentm icrowave heating times

從圖6可以看出，隨著微波加熱時(shí)間的增加，沖擊載荷作用后煤樣的破碎塊度不僅越來(lái)越小，也越來(lái)越均勻。加熱50 s后，煤樣的破碎塊度與未加熱時(shí)相比差別不大；加熱125 s后煤樣的破碎塊度在尺寸和分布上發(fā)生明顯變化，其塊度的尺寸更小、分布也更為均勻；加熱200 s后的煤樣破碎塊度與加熱125 s相比時(shí)雖有變化，但變化程度較小。煤樣破碎形態(tài)的變化趨勢(shì)與煤樣動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)的變化趨勢(shì)基本一致，再一次說(shuō)明了不同加熱時(shí)間下水分對(duì)煤巖的差異化作用。

3結(jié) 論

1）在沖擊載荷的作用下煤樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線沒(méi)有壓密階段，煤樣的峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變隨著加熱的進(jìn)行逐漸減小，其中在加熱中期（50～125 s）的下降幅度最大，分別達(dá)到42.78%和31.20%。

2）在沖擊載荷的作用下煤樣主要表現(xiàn)為劈裂破壞，并且微波加熱的時(shí)間越長(zhǎng)煤樣就越早發(fā)生破碎。此外，煤樣的破碎塊度隨著加熱的進(jìn)行也越來(lái)越細(xì)碎和均勻，其中加熱125 s后煤樣破碎塊度的變化最為明顯。

3）微波加熱對(duì)飽水煤巖的影響存在明顯的時(shí)間效應(yīng)，相比較加熱初期和后期，加熱中期（50～125 s）對(duì)煤巖的破壞作用最為明顯。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是煤巖中的水分在微波的作用下快速汽化，隨著加熱的進(jìn)行煤樣內(nèi)部的蒸汽壓力不斷上升并在加熱中期達(dá)到最大，導(dǎo)致煤巖的微觀結(jié)構(gòu)在此階段發(fā)生明顯劣化。