液氮循環(huán)凍融作用對不同初始溫度煤樣損傷的影響

李和萬，劉 戩，王來貴，郭 鵬，于 洋，任天嬌

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.洛陽市建筑施工服務(wù)中心，河南 洛陽 471000；3.中國建筑集團第五工程局，河南 洛陽 471000)

隨著煤炭地下開采深度的增大，開采消耗資源及產(chǎn)生的廢物不斷增加，給深部煤炭資源綠色開發(fā)帶來了挑戰(zhàn)[1]。因此，國內(nèi)學(xué)者提出了流態(tài)化開采的技術(shù)構(gòu)想，該技術(shù)主要針對深部難開采的煤炭資源，通過人工致裂的方式將深部煤炭直接破碎成液態(tài)或固液混合狀態(tài)，并直接在地下進行能量轉(zhuǎn)換或以運輸鉆井抽采利用，實現(xiàn)“地上無煤，地下無人”的綠色安全開采目標(biāo)[2，3]。

深部原位人工破煤技術(shù)在流態(tài)化開采過程中十分關(guān)鍵。目前，常用的破煤技術(shù)主要以鉆掘、水力壓裂以及水射流割縫等[4，5]。但這些技術(shù)在強化了煤炭開采的同時，易影響煤基質(zhì)穩(wěn)定性，進而造成礦井坍塌等安全事故，局限性較大。大量研究表明，液氮低溫致裂煤層不僅致裂效果顯著，而且不會破壞煤巖骨架整體結(jié)構(gòu)，大大減少煤體開采巷道失穩(wěn)破壞事故，在深部原位人工破碎方面有良好的應(yīng)用前景[6-8]。據(jù)此，盧碩等[9，10]對不同種類煤樣進行了液氮循環(huán)凍融實驗，發(fā)現(xiàn)褐煤的增透效果最顯著，對無煙煤的增透效果不顯著，僅會降低無煙煤的力學(xué)性質(zhì)，以此提出了適用于不同煤種的增透方法；李和萬等[11-13]利用液氮低溫作為冷條件，常溫環(huán)境(20℃)作為熱條件，對不同含水飽和度、不同圍壓的長焰煤煤樣進行了循環(huán)凍融實驗，發(fā)現(xiàn)隨著含水飽和度與圍壓的增大，煤樣在經(jīng)過循環(huán)凍融后的損傷程度逐漸增大，破碎周期逐漸減小；但隨著資源開采深度的不斷增加，影響液氮循環(huán)凍融增透效果的條件不再局限于煤種、含水飽和度及圍壓等條件，煤樣所處環(huán)境的溫度同樣會對增透效果產(chǎn)生較大影響；在常溫帶以下，巖層的溫度以約3 ℃/100 m的溫度梯度不斷升高；較高的溫度會改變煤體的力學(xué)性質(zhì)，與常溫下的煤體表現(xiàn)出極大的差異。王霞[14]等以地應(yīng)力與溫度作為變量，探討了耦合作用下長焰煤的熱膨脹系數(shù)變化情況，發(fā)現(xiàn)熱膨脹系數(shù)的變化呈先緩再急再緩的規(guī)律。這些力學(xué)性質(zhì)的改變，會對液氮循環(huán)凍融的致裂效果產(chǎn)生一定的影響[15]。目前研究以循環(huán)凍融致裂煤體主要針對常溫煤體，對高溫煤體的研究鮮有報道。本文基于實驗室試驗，以溫度為唯一變量，深入研究液氮循環(huán)凍融作用對不同初始溫度煤樣物理性質(zhì)及力學(xué)性能的影響，為流態(tài)化開采提供理論參考。

1 試驗方案

1.1 煤樣制備

以遼寧省阜新盆地的長焰煤煤樣為研究對象，以《巖石物理力學(xué)性質(zhì)實驗規(guī)程》中制備試樣的方式制成50 mm×50 mm×50 mm正方體試樣[16]。為保證實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，利用NM-4B非金屬超聲檢測儀對所制煤樣的縱波波速進行測量，測量后煤樣的最大波速為1943.17 m/s，最小波速為1783.99 m/s，平均波速為1877.64 m/s。從縱波波速上可認為所制試樣內(nèi)部整體結(jié)構(gòu)相似，可減小試驗誤差。在試件表面節(jié)理結(jié)構(gòu)平整、清晰的位置處畫出觀測區(qū)域及觀測方向，便于后續(xù)對實驗前后煤樣節(jié)理寬度的測量。由于所制煤樣在210 ℃時發(fā)生自燃，因此本次試驗選取的溫度梯度為20、45、70、95、120、145、170、195 ℃，編號分別為：t20、t45、t70、t95、t120、t145、t170、t195。

1.2 試驗方法

將煤樣置于數(shù)顯電熱恒溫干燥箱中，為減小誤差，使煤樣受熱均勻，以5 ℃/min的升溫方式加熱煤樣。當(dāng)數(shù)顯達到對應(yīng)溫度值后，恒溫保持2 h，以保證煤樣完全受熱。在恒溫加載后將煤樣迅速放置至注入液氮的凍融設(shè)備中，凍結(jié)10 min，解凍20 min為一個凍融周期(T)，反復(fù)進行上述步驟，直至煤樣發(fā)生宏觀破碎。使用激光共聚焦顯微鏡測量煤樣試驗前后表面節(jié)理寬度，計算寬度增長量；使用NM-4B非金屬超聲檢測儀測定試驗前后煤樣整體聲波傳播速度，計算波速衰減率及孔隙量，結(jié)合寬度增長量定量分析煤樣損傷程度；使用MH-25單軸實驗機對實驗后未破碎煤樣進行單軸壓縮實驗，計算煤樣的抗壓強度，定性分析煤樣的整體損傷情況。以此揭示不同初始溫度煤樣在液氮循環(huán)凍融作用下的損傷規(guī)律。試驗流程如圖1所示。

圖1 試驗流程

2 煤樣損傷

2.1 煤樣表面節(jié)理形貌

煤樣在獲得不同初始溫度與液氮循環(huán)凍融作用后，其表面節(jié)理會發(fā)生擴展。為了研究液氮循環(huán)凍融作用對不同初始溫度煤樣表面節(jié)理的演化規(guī)律，對煤樣試驗前后的表面節(jié)理形貌進行掃面，并計算表面節(jié)理擴展量(表1)。其中初始溫度在195 ℃的t195煤樣在經(jīng)過3T循環(huán)凍融作用后發(fā)生破碎，破碎后表面節(jié)理形貌無法測量，其他煤樣在經(jīng)過3T凍融作用后的表面節(jié)理形貌如圖2所示。

表1 不同初始溫度煤樣凍融前后表面節(jié)理擴展量

圖2 不同初始溫度煤樣凍融前后表面節(jié)理形貌

根據(jù)圖2及表1可知，不同初始溫度煤樣經(jīng)過液氮循環(huán)凍融作用后，煤樣表面節(jié)理發(fā)生擴展。將煤樣初始溫度與表面節(jié)理擴展量進行擬合，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，煤樣初始溫度與試驗前后表面節(jié)理擴展量正相關(guān)，初始溫度較高的煤樣節(jié)理擴展量明顯大于常溫煤樣節(jié)理寬度擴展量，且擴展速率逐漸增加，表明高溫環(huán)境對煤樣的增透效果顯著。

圖3 煤樣初始溫度與表面節(jié)理擴展量的關(guān)系

2.2 煤樣整體結(jié)構(gòu)損傷程度測定

聲波是由物體振動產(chǎn)生的機械波，以縱波傳播為主。聲波測試中，速度出現(xiàn)明顯降低則表明在介質(zhì)中產(chǎn)生了新的裂隙或裂紋，空氣充滿介質(zhì)導(dǎo)致速度減慢。因此，煤樣內(nèi)部孔隙、節(jié)理等微觀擴展情況，可由波速變化來表征[17]。利用NM-4B非金屬超聲檢測儀測算出煤樣實驗前后聲波的傳遞速度，本試驗按平行層理的3、4表面定義為x，平行層理的5、6表面定義為y，垂直于節(jié)理的1、2定義為z，計算出三個方向上的波速衰減速率來體現(xiàn)煤樣的結(jié)構(gòu)整體破壞的程度，波速衰減率計算方法見式(1)。

η=(v0-v3)/v0

(1)

式中，η為波速衰減率；v3為試驗后聲波在煤樣中的傳播速度，m/s；v0為試驗前聲波在煤樣中的傳播速度，m/s。

煤樣凍融后波速衰減率與初始溫度關(guān)系如圖4所示。隨著煤樣初始溫度的升高波速衰減率變化逐漸明顯。垂直于層理方向的變化較大，表明煤樣孔裂隙在法線方向發(fā)生了擴展，即有新的空氣介質(zhì)生成。

圖4 煤樣初始溫度與波速衰減率的關(guān)系

煤樣內(nèi)部非固體介質(zhì)的含量可以用孔隙量來表征，其大小主要受到節(jié)理大小、體積與煤階的影響。對于煤儲層來說，節(jié)理的發(fā)育程度決定了煤體的損傷程度，因此，可根據(jù)威利(Wyllie)時間方程來推導(dǎo)得到縱波波速衰減率與孔隙量的關(guān)系[18]：

式中，vt為聲波在水中的傳播速度，m/s；vma為聲波在煤體中的傳播速度，m/s；φ為孔隙量。

試驗煤樣的物理性質(zhì)與孔隙水等物理因素大致相同，且vt和vma是定值1497.00 m/s、2168.44 m/s，此時孔隙量隨著縱波波速衰減率增大而逐漸變大，若v0取煤樣平均波速1877.64 m/s，則由式(2)推導(dǎo)得：

φ=2.57/(1-η)-2.23

(3)

根據(jù)式(3)計算不同煤樣的孔隙量如圖5所示。凍融后煤樣孔隙量增速隨著初始溫度的升高而逐漸加快，表明不同初始溫度煤樣經(jīng)過液氮循環(huán)凍融后，內(nèi)部節(jié)理結(jié)構(gòu)逐漸擴展。初始溫度越高，擴展速率越快，煤樣內(nèi)部液氮的含量越多，導(dǎo)致相同周期下，高初始溫度煤樣內(nèi)部單元所受溫度應(yīng)力增大。此外，前期循環(huán)凍融所衍生的次生裂紋逐漸與主節(jié)理交匯形成節(jié)理面，使孔隙量大幅提升。說明煤樣初始溫度在液氮循環(huán)凍融致煤樣節(jié)理累積損傷過程中起主要作用。

圖5 不同初始溫度煤樣孔隙量

2.3 煤樣單軸抗壓強度的測定

經(jīng)液氮循環(huán)凍融后，初始溫度195 ℃煤樣發(fā)生了破碎，無法測定其力學(xué)性質(zhì)。其他煤樣利用MH-25單軸實驗機進行單軸壓縮實驗，加載速率為0.1 mm/min。煤樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6所示。隨著煤樣初始溫度的升高，液氮循環(huán)凍融后的應(yīng)力與應(yīng)變逐漸降低，說明隨著初始溫度的升高，煤樣凍融后內(nèi)部所產(chǎn)生的微裂隙逐漸增大，煤樣承載能力變差。煤樣初始溫度與單軸抗壓強度的關(guān)系如圖7所示。

圖6 不同初始溫度煤樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖7 煤樣所具初始溫度與單軸抗壓強度的關(guān)系

結(jié)合圖6與圖7，隨著煤樣初始溫度的升高，煤樣的單軸抗壓強度逐漸降低，這是由于煤樣的初始溫度升高，初始溫度與液氮低溫的溫差逐漸增大，所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力也逐漸變大。導(dǎo)致煤樣的孔隙、裂隙及節(jié)理結(jié)構(gòu)等附近衍生次生裂紋，且溫度越高衍生的數(shù)量越多，節(jié)理發(fā)育越明顯，損傷區(qū)域變大，導(dǎo)致煤樣的抗壓強度降低。另外，隨著初始溫度的升高，液氮氣化的速率逐漸加快，能夠為液氮的凍結(jié)增加“自增壓”效果，進一步提高凍融效果。

3 高溫煤體循環(huán)凍融力學(xué)模型建立與機理

液氮循環(huán)凍融可以極大激發(fā)高溫煤體結(jié)構(gòu)的損傷潛能，促使孔隙、裂隙及節(jié)理結(jié)構(gòu)發(fā)育，達到“碎煤”的目的。根據(jù)上述試驗，可將促使煤樣損傷的因素分為宏觀和微觀損傷兩個方面。即將凍融循環(huán)分為“凍”和“融”兩個部分。第一部分為不同煤樣接觸液氮的冷加載過程；第二部分為溫度回升并重新加熱至初始溫度的熱加載過程。凍融力學(xué)模型及損傷機理分析如圖8所示。

圖8 宏觀凍融力學(xué)模型及微觀損傷機理

根據(jù)圖8，宏觀上：在液氮冷加載過程中，煤樣表面的溫度急劇降低，而內(nèi)部還處于初始高溫狀態(tài)，此時，煤樣呈現(xiàn)出一種冷鋒面外部基質(zhì)收縮、內(nèi)部基質(zhì)膨脹的不協(xié)調(diào)狀態(tài)，導(dǎo)致煤樣表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，煤樣表面節(jié)理結(jié)構(gòu)在這種拉應(yīng)力的作用下發(fā)生擴展；而當(dāng)煤樣處于回溫狀態(tài)且上升至初始溫度的過程中，煤樣表面溫度急劇升高，而內(nèi)部溫度緩慢升高，此時，煤樣呈現(xiàn)出一種熱鋒面外部基質(zhì)膨脹、內(nèi)部基質(zhì)收縮的狀態(tài)。煤樣在這種循環(huán)凍融的作用下表面節(jié)理寬度增大，所衍生的次生裂紋增多。另外，在這種交變的溫度場中，煤樣內(nèi)部受熱不均導(dǎo)致煤樣變形不協(xié)調(diào)，加劇了表面節(jié)理結(jié)構(gòu)的劣化，最終影響煤樣的承載能力，使煤樣的脆性減弱，延性增加，最終失穩(wěn)破壞。

微觀上：裂紋的衍生與擴展主要由兩方面引起的，一方面是冷加載的拉應(yīng)力作用下，微裂紋尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致裂紋擴展；另一方面是由于液氮在短時間內(nèi)氣化，并且隨著煤樣初始溫度的升高，液氮氣化的速率不斷加快，導(dǎo)致裂紋尖端孔隙壓力大幅增大，促進了煤樣的損傷。引用修正后的Jansan-Hult損傷模型，可認為裂紋塑性區(qū)內(nèi)的尖端位置發(fā)生損傷[19]。裂紋尖端位置及塑性區(qū)如圖9所示。

圖9 裂紋尖端位置及塑性區(qū)示意

若設(shè)塑性區(qū)內(nèi)對數(shù)損傷ω為：

式中，ξ為裂紋尖端到塑性區(qū)內(nèi)任意一點的距離，mm；d1為裂紋尖端塑性區(qū)長度，mm；d為總的塑性區(qū)長度，mm。

g=ξ/d=(x-a)/(c-a)

(5)

可以得到遠場應(yīng)力計算方式：

式中，σ∞為煤樣的遠場應(yīng)力，MPa；sy為煤樣的屈服應(yīng)力，MPa。

在每周期的循環(huán)凍融作用下，煤樣微裂紋尖端發(fā)生小范圍屈服，即a/b>>1，則：

F(ξ/d)=C1d/ξ-C2

(7)

式中，C1和C2為常數(shù)。

據(jù)此，可計算出煤樣微裂紋尖端的塑性區(qū)長度：

式中，M為材料常數(shù)。

式中，煤樣微裂紋的損傷區(qū)與塑性區(qū)的長度之比d1/d即為C1/C2。

在液氮冷加載所產(chǎn)生的拉應(yīng)力與液氮氣化的膨脹應(yīng)力共同作用下，微裂隙尖端位置的損傷區(qū)域不斷進入塑性階段，導(dǎo)致C0變小，塑性區(qū)域長度d不斷變大，促使裂紋尖端擴展，加速了煤樣整體結(jié)構(gòu)的劣化。

綜上，液氮冷加載可以促進微裂隙擴展，而熱加載可以促進微裂隙二次擴展。二者不同溫度的交替循環(huán)，煤樣節(jié)理結(jié)構(gòu)局部強度較弱的顆粒組織在熱脹冷縮產(chǎn)生的溫度應(yīng)力作用下破壞和脫落，這種破壞和脫落將加劇煤體上節(jié)理擴展及產(chǎn)生新節(jié)理。

煤樣凍融過程中產(chǎn)生的溫度應(yīng)力計算如下：若假定煤樣是各向同性材料，即煤樣的線膨脹系數(shù)在液氮循環(huán)凍融過程中不會變化，此時煤樣的線應(yīng)變在三個方向上均相同，無切應(yīng)變的產(chǎn)生。據(jù)此，將煤基質(zhì)劃分為無數(shù)個單元，每個單元溫度的變化用Δt來表示。假設(shè)在凍融過程中煤樣不受約束，則煤樣所受溫度應(yīng)力可表示為[20]：

σt=αEΔt

(10)

式中，σt為煤樣所受溫度應(yīng)力，MPa；E為變形模量，GPa；Δt為溫差，℃；α為線膨脹系數(shù)。

此時煤樣體內(nèi)各點三個方向上的應(yīng)變可表示為：

式中，εx、εy、εz分別為煤樣三個方向上各點的應(yīng)變；αx、αy、αz分別為煤樣三個方向上各點的線膨脹系數(shù)。

然而，由于煤體內(nèi)部的相互約束和外部載荷的作用，煤樣在損傷過程中無法產(chǎn)生均勻的線性變形，并且所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力又會促使煤樣發(fā)生附加變形，因此煤樣的實際應(yīng)變可表示為：

式中，ν為泊松比；σx、σy、σz分別為煤樣三個方向上各點的溫度應(yīng)力，MPa。

不同初始溫度煤樣注入液氮時，煤樣溫度驟降，所產(chǎn)生的溫差為液氮的氣化溫度與煤樣所具初始溫度的絕對值之和。液氮氣化體積迅速膨脹約696倍，可取E為3.2 GPa，α為6.435×10-6/℃，可計算出煤樣所受溫度應(yīng)力σt，見表2。

表2 不同初始溫度煤樣注液氮后所受溫度應(yīng)力

根據(jù)表2，煤樣初始溫度越高，液氮冷加載時產(chǎn)生的溫度應(yīng)力越大，所引起的應(yīng)變量也就越大，遠大于煤基質(zhì)的抗拉強度(0.52 MPa)所引起的應(yīng)變量，導(dǎo)致煤樣發(fā)生損傷。煤樣初始溫度越高，應(yīng)變量差值幅度越大，煤樣損傷程度也越大，在這種高應(yīng)變的環(huán)境下，煤樣的破碎周期也會大幅降低。

綜上，利用液氮循環(huán)凍融技術(shù)實現(xiàn)深部原位人工破煤效果十分顯著，煤樣初始溫度越高，破碎效果越明顯。

4 結(jié) 論

1)隨著煤樣初始溫度的升高，節(jié)理擴展程度越顯著，煤樣的破壞浸泡周期減少，單軸抗壓強度降低，越容易發(fā)生宏觀破碎，初始溫度為195 ℃煤樣經(jīng)過3T作用率先發(fā)生宏觀破壞。

2)液氮的低溫冷加載使煤樣產(chǎn)生了溫度應(yīng)力，導(dǎo)致煤樣表面節(jié)理逐漸擴展，煤樣所具初始溫度越高，所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力越大，表面節(jié)理擴展程度越大，煤樣力學(xué)性質(zhì)的劣化程度也越大。

3)建立了從宏、微觀兩個方面的煤樣結(jié)構(gòu)損傷力學(xué)模型，通過分析所計算得到的不同初始溫度煤樣液氮循環(huán)凍融過程中所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力大小與實驗中煤樣的損傷程度較為吻合。煤樣所處的高溫環(huán)境是煤樣結(jié)構(gòu)損傷的重要因素，為實際工程中深部碎煤提供參考。