高溫三軸作用下無煙煤的物理特征研究

杜 賡，馮子軍，徐曉鵬，董文強

（1.太原理工大學 礦業(yè)工程學院，山西 太原 030024；2.太原理工大學 原位改性采礦教育部重點實驗室，山西 太原 030024）

巖石在單軸壓力加載下的全應力應變曲線形態(tài)變化特征可以分為5 個階段[1]，而在實際的原位開采過程中，必須涉及到靜水壓力對巖石力學性質(zhì)的影響[2]。在當前工程當中，比如煤層氣的高溫注熱開采，會涉及到高溫對無煙煤力學性質(zhì)的影響，以及在經(jīng)歷高溫條件后無煙煤的力學性質(zhì)變化規(guī)律。所以說，高溫高壓下巖石力學的研究成為當前巖石力學研究的重點。根據(jù)前人的研究[3-6]，溫度會改變巖石的微觀結(jié)構(gòu)，弱化其固體骨架結(jié)構(gòu)，從而劣化巖石的力學性能；在圍壓的加持下，煤巖的原生孔隙裂隙閉合，增加了煤巖的承載能力。在這種熱力耦合作用下，煤巖的力學特性不僅僅是溫度和圍壓對其影響的簡單疊加，而是呈現(xiàn)出更加復雜的演化規(guī)律。萬志軍等[7]曾研究了無煙煤和氣煤在500 m 原巖應力下室溫至600 ℃，煤體彈性模量隨溫度的變化，認為隨著溫度的增高，煤體彈性模量降低，并且發(fā)現(xiàn)在升高至500 ℃左右，煤體已不再是標準的彈性體。但在巖石失穩(wěn)強度的判斷中，巖石的峰值抗壓強度也是1 個重要的判斷指標。陰偉濤等[8]在研究粗、細?；◢弾r的彈性模量的過程中，發(fā)現(xiàn)粗粒花崗巖的彈性模量和熱變形受溫度的變化更大，認為在粗粒的花崗巖中，發(fā)生的熱破裂越明顯；武晉文[9]通過對中高溫三軸下的魯灰花崗巖進行聲發(fā)射研究，認為120 ℃左右是花崗巖發(fā)生熱破裂的門檻值溫度，并且在三軸作用下，升高溫的過程中，發(fā)生了裂縫愈合和二次破裂。對比于無煙煤的力學特性，其內(nèi)在的裂隙結(jié)構(gòu)也是影響其破壞特征的關(guān)鍵因素，無煙煤自身裂隙結(jié)構(gòu)較為完全；在三軸升溫的過程中，內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變化同樣也是復雜的。為此，通過對10 MPa 靜水壓力下，無煙煤（室溫～300 ℃）全應力應變曲線研究；300 ℃條件下，無煙煤（單軸15 MPa）全應力應變曲線研究；以及先升溫500 ℃然后降溫至300 ℃條件下，無煙煤（單軸15 MPa）全應力應變曲線研究，得出各個條件下的彈性模量以及峰值強度，通過300 ℃條件下的主應力σ1、σ2、σ3畫出莫爾圓，判斷300 ℃條件下和500 ℃降溫值300 ℃條件下，無煙煤的黏聚力和內(nèi)摩擦角是否發(fā)生變化，來判斷高溫對無煙煤的影響是否為可逆影響。

1 實驗設備與步驟

1.1 實驗設備

實驗系統(tǒng)是太原理工大學原位改性采礦教育部重點實驗室自主研發(fā)的伺服實驗裝置，核心部件為高溫三軸應力室，實驗設備可以模擬研究在600 ℃范圍內(nèi)不同地應力（圍壓、軸壓）下的三軸應力實驗。實驗機圍壓采用注入高度壓縮氣體施加（優(yōu)點是側(cè)向受力均勻，σ2=σ3），軸壓為液壓傳動，軸向和側(cè)向載荷獨立加載，采用光柵尺精確測量巖樣變形，精度為0.001 mm。加熱系統(tǒng)為電加熱棒加熱，用程序控制加熱速度，為防止快速升溫導致巖石內(nèi)部發(fā)生溫度梯度而減小熱沖擊效果對無煙煤產(chǎn)生的影響，從而設置加熱速度為6 ℃/h。溫度采集系統(tǒng)采用K 型熱電偶測定，熱電偶放置在煤巖之外的銅套外。

1.2 試樣與實驗步驟

本次實驗所采集煤樣來自晉城礦區(qū)，屬沁水盆地南部，煤化程度屬無煙煤，煤質(zhì)較硬，鉆取煤試樣以無煙煤的垂直層理方向取心，截取φ50 mm×100 mm 的圓柱體，并磨平試樣的2 個端面，去掉含有弱面的試件，得到無煙煤標準樣。

1）測量試樣尺寸，放于紫銅套中，并按操作規(guī)程安裝于反應釜內(nèi)。

2）在常溫條件下，固定圍壓對試件軸向加載，加載速度為0.08 MPa/s，收集整個破壞過程中的應力應變曲線。

3）重新測量并安裝其他試樣，當溫度到達300℃時，待保溫4 h，然后再重復操作步驟2）。

4）溫度升高到500 ℃，然后將加熱棒的溫度控制在300 ℃，當熱電偶的溫度顯示為300 ℃時，保溫4 h，然后再重復操作步驟2）。

2 實驗結(jié)果

2.1 不同圍壓下的熱變形特征

在升溫至測試溫度條件下的過程中，記錄下來無煙煤在整個升溫過程中的軸向應變。無煙煤在不同靜水壓力條件下的熱應變?nèi)鐖D1。

圖1 無煙煤在不同靜水壓力條件下的熱應變Fig.1 Thermal strain of anthracite under different hydrostatic pressure conditions

在萬志軍等[10]和王霞等[11]先前所做的研究中，認為花崗巖和褐煤在升溫的過程，巖石發(fā)生的升溫膨脹變形可分為3 個階段。同樣地，無煙煤在不同靜水壓力條件下的升溫過程中，無煙煤的熱變形也均分為3 個階段。

1）低溫緩慢變形階段。在室溫-50 ℃內(nèi)，不同靜水壓力條件下，無煙煤沒有發(fā)生明顯的熱變形。

2）中高溫快速變形階段。在50 ℃之后，應變開始發(fā)生相對明顯的變化。在不同的靜水壓力條件下，無煙煤的快速變形階段的閾值溫度范圍不同，5 MPa 靜水壓力條件下的溫度范圍是50～460 ℃、10 MPa 靜水壓力條件下的溫度范圍是50～405 ℃、15 MPa 靜水壓力條件下的溫度范圍是50～360 ℃。無煙煤在不同靜水壓力條件下的熱膨脹系數(shù)如圖2。在中高溫快速變形的階段，無煙煤的熱膨脹系數(shù)也不同，總體上，無煙煤的熱膨脹系數(shù)隨著靜水壓力的增加而減小。

圖2 無煙煤在不同靜水壓力條件下的熱膨脹系數(shù)Fig.2 Thermal expansion coefficient of anthracite under different hydrostatic pressure conditions

3）超高溫平緩階段。無煙煤在升高至一定溫度后，熱應變隨著溫度而發(fā)生緩慢的變形。部分無煙煤試樣隨著溫度的增加出現(xiàn)了略微的收縮（即熱膨脹系數(shù)小于0），根據(jù)萬志軍等[7]和馮子軍等[12]研究，無煙煤在超高溫的條件下不再是標準的彈性體，而且由于無煙煤發(fā)生了低溫熱解，無煙煤中一部分固體有機質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w隨滲透管擴散到空氣中，導致無煙煤在超高溫條件下，不會有明顯的膨脹變形甚至部分試樣會出現(xiàn)收縮。

2.2 溫度和靜水壓力作用下無煙煤的破壞特征

通過模擬地下400 m 埋深（靜水壓力10 MPa）不同溫度（室溫和100、200、300 ℃）下無煙煤，以及300 ℃下不同埋深（靜水壓力0、5、10、15 MPa）下無煙煤的力學破壞。得出了各個試驗條件下的全應力-應變曲線。10 MPa 不同溫度條件下無煙煤的全應力應變曲線如圖3，300 ℃不同靜水壓力條件下無煙煤的全應力應變曲線如圖4。因為本研究是模擬無煙煤在靜水壓力條件下的力學破壞（初始壓力狀態(tài)為σ1=σ2=σ3），所以僅做出σ1≥σ2=σ3部分的應力應變曲線。

圖3 10 MPa 下不同溫度全應力應變曲線Fig.3 Full stress-strain curves at different temperatures at 10 MPa

圖4 300 ℃下不同靜水壓力全應力應變曲線Fig.4 Full stress-strain curves of different hydrostatic pressure at 300 ℃

2.2.1 靜水壓力作用下無煙煤的破壞特征

1）在靜水壓力為10 MPa 時，由于長時間的受壓狀態(tài)，使無煙煤中的孔裂隙閉合，相較于單軸壓縮實驗，10 MPa 下的應力應變曲線中不存在壓密階段。

2）在10 MPa 靜水壓力下，無煙煤發(fā)生的破壞均為脆性破壞。即在應力達到峰值強度的一瞬間，會發(fā)出一聲脆響，然后應力馬上出現(xiàn)大幅度降低，到達殘余應力狀態(tài)。在10 MPa 靜水壓力下，無煙煤的初始應力和應變相同，比較峰值應變，可以得出，隨著溫度的增加，峰值應變在減小。

3）溫度對無煙煤的強度起到弱化作用。表現(xiàn)在，隨著溫度的增高，無煙煤的彈性模量和峰值強度都有一定程度上的減小。10 MPa 靜水壓力條件無煙煤的彈性模量和峰值強度參數(shù)見表1，10 MPa、300 ℃條件下無煙煤的彈性模量和峰值強度分別是同條件室溫下的60%和56%。這在工程中會造成巨大的影響，有可能會造成固井的強度不夠，這就要求在鉆井時，更加注重支護。

表1 10 MPa 靜水壓力條件無煙煤的彈性模量和峰值強度參數(shù)Table 1 Elastic modulus and peak strength parameters of anthracite under 10 MPa hydrostatic pressure

2.2.2 不同溫度無煙煤的破壞特征

1）300 ℃條件下，無煙煤的彈性模量與峰值強度隨圍壓的變化與常溫下的規(guī)律大致相同。即隨著圍壓的增加，無煙煤的彈性模量和峰值強度都增加。300 ℃條件下無煙煤的彈性模量和峰值強度參數(shù)見表2。

表2 300 ℃條件下無煙煤的彈性模量和峰值強度參數(shù)Table 2 The elastic modulus and peak strength parameters of anthracite at 300 ℃

2）在15 MPa 靜水壓力條件下，無煙煤在屈服階段的斜率要明顯低于其他靜水壓力條件。巖石破壞后，應力下降的更少，且有一段類似于延性破壞中應力應變的關(guān)系（之后應力下降的原因是，巖石破壞使得密封圍壓的紫銅套出現(xiàn)破損）。這就表明在300 ℃時，15 MPa 的圍壓使得無煙煤的破壞逐漸轉(zhuǎn)向半脆性破壞。

3）隨著圍壓的增加，無煙煤的塑性增強，無煙煤進入塑性階段表現(xiàn)出來的彈塑性特征越發(fā)明顯。

2.2.3 彈性模量與溫度和圍壓σ3關(guān)系

根據(jù)劉泉聲等[13]的研究，脆性巖石的彈性模量隨溫度的變化呈二次多項式變化。用軟件Origin 對表1 和表2 數(shù)據(jù)進行擬合得到彈性模量隨溫度和圍壓σ3的變化函數(shù)E（σ3，T）為：

式中：T 為溫度；σ3為最小主應力；a、b、c、d、e、f為擬合系數(shù)，a=1.616，b=2.97×10-2MPa-1，c=2.66×10-3MPa-2，d=1.667 GPa，e=3.34×10-4GPa/℃，f=6.22×10-6MPa/℃；E 為楊氏彈性模量。。

3 無煙煤的熱破壞特征

在本研究的實驗條件下，無煙煤的破壞特征仍然是脆性破壞。無煙煤300 ℃、10 MPa 靜水壓力條件下試件破壞后（圖略），主破裂面明顯且與試件長軸方向斜交；且生成了多個破碎小塊，是明顯的壓剪破壞[14]。

根據(jù)Mohr’s Criterion 準則[15-18]，認為巖石內(nèi)某一點的破壞主要決定于它的最大主應力和最小主應力，即σ1和σ3。根據(jù)該理論，可以在τ-σ 的平面上，繪制一系列的莫爾應力圓，然后做出一系列的極限應力圓的包絡線。這條包絡線與σ 軸之間的夾角為巖石的內(nèi)摩擦角，包絡線在τ 軸上的截距為巖石的黏聚力。根據(jù)表2 中的結(jié)果，做出300 ℃時各靜水壓力條件下極限應力圓，然后做出包絡線，300 ℃下無煙煤摩爾包絡線如圖5。

圖5 300 ℃下無煙煤摩爾包絡線Fig.5 Molar’s envelope curves of anthracite at 300 ℃

林睦曾[19]認為巖石是1 種導溫系數(shù)和導熱系數(shù)比較小的脆性材料，即煤巖是1 種熱彈性巖石，類似于外界載荷對巖石的破壞，當溫度高于某一峰值時，尤其是超高溫時，巖石就會發(fā)生不可逆的改變。在實際工程中，比如在無煙煤的原位注熱開采煤層氣過程中，會涉及到無煙煤升溫至300 ℃以及以上。這些工程當中，有的會涉及到無煙煤再降溫過程，比如在開采煤層氣之后，原位條件下的無煙煤煤層還需要在降溫之后被采出，這時無煙煤的力學性質(zhì)是否可以恢復到原來的水平，是用來判斷后續(xù)工作的關(guān)鍵。探尋溫度對無煙煤的弱化作用是否不可逆也是十分重要的。

在地層環(huán)境中，由于地層具有一定的保溫效果[20]，煤層降溫300 ℃可能需要1 年的時間。而在實驗室中，直接降溫會因為降溫速度過快而導致巖石發(fā)生二次破裂。使得所測數(shù)據(jù)與實際情況嚴重不符。本研究中采用先將無煙煤試件升溫至500 ℃然后控制加熱棒溫度，使無煙煤低速降溫至300 ℃（降溫速度約10 ℃/h）。得出各個靜水壓力條件下的應力-應變曲線，并做出摩爾包絡線，500 ℃降溫至300 ℃下無煙煤應力應變曲線如圖6，500 ℃降溫至300℃下無煙煤摩爾包絡線圖7。

圖6 500 ℃降溫至300 ℃下無煙煤應力應變曲線Fig.6 Stress-strain curves of anthracite when the temperature is lowered from 500 ℃to 300 ℃

圖7 500 ℃降溫至300℃下無煙煤摩爾包絡線Fig.7 Molar’s envelope curves of anthracite when the temperature is lowered from 500 ℃to 300 ℃

由圖6 可知：無煙煤在升溫500 ℃然后降溫至300 ℃之后，無煙煤的彈性模量以及峰值強度都有所降低。

由圖7 可知：相較于300 ℃無煙煤的黏聚力和內(nèi)摩擦角，升溫然后降溫至300 ℃的情況下，無煙煤的黏聚力和內(nèi)摩擦角都有一定程度上的減小。這說明溫度改變了原位條件下的無煙煤裂隙結(jié)構(gòu)，這種影響類似于巖石破壞的塑性破壞，即降低溫度，無煙煤的黏聚力和內(nèi)摩擦角也無法恢復成原來條件下的狀態(tài)；溫度對原位條件下的無煙煤的弱化作用有一部分是永久性的。這與劉泉聲[13]的研究結(jié)果是相符的。

4 結(jié) 論

1）無煙煤在300 ℃以及15 MPa 以內(nèi)，發(fā)生的仍然是脆性破壞。即在破壞時會產(chǎn)生大量的能量，破壞面呈明顯的壓剪破壞特征面。

2）無煙煤在升溫過程中，在50 ℃之后就開始發(fā)生明顯的熱變形；無煙煤的熱變形隨溫度以線性的比例膨脹；圍壓越大，無煙煤的膨脹量越小。

3）圍壓對無煙煤的強度起保護作用；溫度對無煙煤的強度起弱化作用。主要體現(xiàn)在：無煙煤的彈性模量隨溫度的增高，呈二次多項式減小的規(guī)律；且隨著溫度的增高，無煙煤的黏聚力和內(nèi)摩擦角都會減小。

4）溫度對無煙煤的影響有一部分是不可逆的。在升溫的過程中，高溫改變無煙煤的物理屬性與高壓改變巖石屬性相似，即在溫度冷卻后，無煙煤也無法恢復到原先的強度水平，這對無煙煤的后續(xù)開采影響巨大。