低溫環(huán)境下重塑性煤體抗壓性能研究

孫修偉 ，梁為民 ，李敏敏 ，岳高偉 ，藺海曉

（河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 焦作 454003）

煤與瓦斯突出是指瓦斯異常涌出現(xiàn)象，在礦井生產(chǎn)過程中尤為常見，至今仍是全球礦業(yè)所遇到的重要困難之一[1-4]。石門揭煤層中煤和瓦斯的突出，常表現(xiàn)出延遲突出、強(qiáng)度大、次數(shù)多、危險(xiǎn)性大的特點(diǎn)，特別對于大部分中小煤礦，采煤過程中突出的煤與瓦斯對礦井安全生產(chǎn)、高效開采都會造成嚴(yán)重危害，甚至造成大量人員傷亡。如今，預(yù)抽瓦斯、排放鉆孔、水利化措施、深孔預(yù)裂爆破、煤體固化等[5-7]一系列消除石門揭煤過程中存在的突出風(fēng)險(xiǎn)的措施已被國內(nèi)外眾多學(xué)者采用，并通過理論實(shí)踐證實(shí)了防突的可行性，但對于一些煤層仍存在一定的安全性不足的問題。石門采煤液體冷凍技術(shù)對預(yù)防煤與瓦斯的突出具有重要意義。因此，對重塑性煤體低溫抗壓性能試驗(yàn)研究，將在一定理論基礎(chǔ)上提供安全石門揭煤。

目前，一些國內(nèi)外學(xué)者通過向煤層注水的方式改變煤體的物理、化學(xué)和力學(xué)性質(zhì)，以破壞煤體內(nèi)部兩相體系的平衡，從而達(dá)到防突的作用。石門低溫冷凍揭煤方法是結(jié)合人工冷凍技術(shù)提出的有效防突方式。周震等[8]提出煤體在彈性階段和屈服階段時(shí)最大應(yīng)力和彈性模量均與凍結(jié)時(shí)間成正比；董若蔚[9]采用液氮凍結(jié)石門揭煤技術(shù)，分析了液氮凍結(jié)下煤體強(qiáng)度及力學(xué)參數(shù)指標(biāo)的變化規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果表明：液氮凍結(jié)顯著提高了煤體各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)，凍結(jié)作用下抵抗破壞的能力得到加強(qiáng)；YUE Jiwei 等[10]對凍結(jié)煤樣進(jìn)行力學(xué)性能測試，研究了凍結(jié)煤體抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)隨溫度的降低呈線性增加；劉格辛等[11]通過采用單軸壓縮試驗(yàn)研究了低溫（-15～-5℃）砂巖物理力學(xué)性質(zhì)的變化，得出：砂巖單軸抗壓強(qiáng)度在低溫冷凍條件下有明顯變化，抗壓強(qiáng)度和彈性模量強(qiáng)度和彈性模量、泊松比表現(xiàn)出相反的趨勢；謝熊剛等[12-13]利用ANSYS 和RFPA2D等軟件模擬了不同低溫下石門揭露煤層的過程，建立了氣-固耦合溫度場數(shù)值模計(jì)算模型，得出注液凍結(jié)防突的最佳溫度在-15 ℃附近；李波等[14]采用CT 掃描探究得出，隨著溫度的降低，煤體內(nèi)部裂-孔隙不斷擴(kuò)展。相比較干燥煤樣，飽水煤樣因受到低溫作用下產(chǎn)生的凍脹力而引起裂-孔隙半徑減小。不同含水率下煤體內(nèi)部結(jié)構(gòu)由煤-煤分子致密點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)變成煤-水-煤界面結(jié)構(gòu)，使煤體自身力學(xué)性能發(fā)生改變。含水率越高，煤體單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量越小，塑性指數(shù)越大，低溫凍結(jié)作用相反。當(dāng)含水率逐漸增大直至飽和時(shí)，隨著溫度的變化，煤體的單軸抗壓強(qiáng)度保持恒定[15-16]。ZHANG 等[17]對干煤試樣和濕煤試樣分別進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)測試，對比分析得出：隨著含水率增加，單軸的抗壓強(qiáng)度和彈性模量均呈現(xiàn)出先增后減的態(tài)勢，曲線均與指數(shù)函數(shù)擬合效果較好。當(dāng)濕煤樣達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量較初始干態(tài)均有所降低，分別降低了48.3%和37.6%。秦虎等[18]利用聲發(fā)射特性測試得出，隨著含水量的增加，煤樣的單軸抗壓強(qiáng)度均逐漸降低，而聲學(xué)傳遞特性在不同含水率下有明顯差異。

目前，國內(nèi)和國外的學(xué)者對重塑性煤體在低溫力學(xué)性能方面的研究都比較少。基于此，通過凍結(jié)不同溫度下重塑性煤體力學(xué)性能測試研究，分析不同溫度（-40、-30、-20、-10、0、20 ℃）、不同含水率（0%、4%、8%、12%、16%）下重塑性煤體的抗壓性能變化規(guī)律，為石門低溫冷凍采煤工程的實(shí)際應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)，也為防治煤與瓦斯突出新技術(shù)的發(fā)展指明了新的途徑。

1 煤樣制備

實(shí)驗(yàn)所用的煤樣取自河南省鞏義市大峪溝一礦礦井，煤的視密度1.6 t/m3，煤層平均厚度4.62 m，埋深175～650 m，煤層傾角7°～14°，粉狀無煙煤，屬于“三軟”煤層，礦井涌水量為11.55～15.02 m3/h。在工作面上取出煤樣后，及時(shí)進(jìn)行密封保存，避免會出現(xiàn)分化現(xiàn)象。將取得的煤樣進(jìn)行粉碎，篩分到粒徑在0.18～0.25 mm 內(nèi)。含水率初步設(shè)定為20%，將煤粉與純凈水按照5∶1 的比例壓制成煤樣，記為煤樣1、煤樣2、煤樣3。根據(jù)3 組煤樣含水率隨著烘干時(shí)間的變化，選取含水率依次為16%、12%、8%、4%、0%作為實(shí)驗(yàn)含水率控制的依據(jù)。在WES-1000B 萬能試驗(yàn)機(jī)上壓制成50 mm×100 mm 的標(biāo)準(zhǔn)煤樣。3 組煤樣含水率隨烘干時(shí)間的變化規(guī)律如圖1。

圖1 含水率隨烘干時(shí)間的變化規(guī)律Fig.1 Variation of moisture content with drying time

2 低溫下重塑性煤單軸壓縮實(shí)驗(yàn)和破壞特征

為了減少實(shí)驗(yàn)的誤差和離散性，將實(shí)驗(yàn)方案設(shè)定為5 個(gè)含水率（0%、4%、8%、12%、16%）和6 個(gè)溫度（20、0、-10、-20、-30、-40 ℃）下每個(gè)3 組共90 組的交叉實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)得出溫度-含水率耦合作用下重塑性煤體單軸抗壓強(qiáng)度及單軸抗壓強(qiáng)度平均值，溫度-含水率耦合下重塑性煤體單軸抗壓強(qiáng)度見表1。

表1 溫度-含水率耦合下重塑性煤體單軸抗壓強(qiáng)度Table 1 Uniaxial compressive strength of remolding coal under temperature-moisture content coupling

由重塑性煤樣單軸壓縮下的破壞形態(tài)可知，不同含水率下煤樣均會表現(xiàn)出圓錐破壞、柱狀劈裂破壞、剪切破壞3 種破壞形式。含水率的不同，煤樣產(chǎn)生的破壞裂紋寬度也不相同。含水率4%時(shí)煤樣破壞形態(tài)如圖2，含水率12%時(shí)煤樣破壞形態(tài)如圖3。

圖2 含水率4%時(shí)煤樣破壞形態(tài)Fig.2 Failure modes of coal samples with 4% moisture content

圖3 含水率12%時(shí)煤樣破壞形態(tài)Fig.3 Failure modes of coal samples with 12% moisture content

含水率4%時(shí)煤樣的破壞形態(tài)表現(xiàn)為煤體表面先出現(xiàn)些許的裂紋，主裂紋大致與縱向軸線呈30°左右的方向上，主裂紋的兩側(cè)有幾條不太明顯的微裂紋；隨著應(yīng)力和位移的進(jìn)一步增大，裂紋逐漸變寬，主裂紋依然占有主要地位，微裂紋也有擴(kuò)大的趨勢，最終試件會沿著主裂紋突然發(fā)生剪切破壞，破壞面基本跟垂直方向呈30°左右，表現(xiàn)出較為明顯的脆性破壞。

含水率較高時(shí)（8%、12%、16%）煤樣的破壞形態(tài)由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢ㄌ卣鞯乃苄云茐?。煤體表面先出現(xiàn)一點(diǎn)微小的裂紋，隨著應(yīng)力和位移的不斷增大，裂紋逐漸變寬，試件上下開始出現(xiàn)微小的裂紋；隨著應(yīng)變的逐漸增加，裂紋逐漸擴(kuò)張，煤樣最終被破壞，這種破壞表現(xiàn)為較為明顯的塑性破壞。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 重塑性煤體單軸壓縮下的力學(xué)性能

在豎向應(yīng)力作用下，重塑性煤樣產(chǎn)生縱向壓縮變形與橫向的膨脹變形。溫度-含水率耦合作用下重塑性煤體應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4。測試煤樣在溫度-含水率耦合下會經(jīng)歷4 個(gè)階段：壓實(shí)、彈性、屈服、軟化。加載初期，煤樣應(yīng)力逐漸增加，應(yīng)變不變，直至應(yīng)力達(dá)到5.5 MPa 附近煤樣才會進(jìn)入彈性階段。煤樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線在彈性階段均出現(xiàn)類似于直線部分，應(yīng)力與應(yīng)成正比例關(guān)系。

圖4 溫度-含水率耦合下煤體應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curves of coals under temperature-moisture coupling

由圖4 可以看：出溫度高于0 ℃時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率隨含水率的增加逐漸減小，即含水率越高，彈性模量越?。粶囟鹊陀? ℃時(shí)，隨著水分的增加，曲線的斜率（彈性模量）會慢慢升高。微裂-孔隙在彈性過程中逐步被壓實(shí)進(jìn)入屈服階段，隨應(yīng)變的增大，曲線逐漸平緩。在不同溫度下，裂紋的生成速度會隨著含水率的提高而變慢，煤樣的可塑性會增加。煤樣內(nèi)部裂紋隨垂直壓力增大而產(chǎn)生并不斷擴(kuò)大，逐漸達(dá)到煤樣受力的極限。溫度在20 ℃與0 ℃下，屈服強(qiáng)度隨著含水率的增加逐漸降低，含水率在0%處屈服強(qiáng)度達(dá)到最大。溫度低于0 ℃，屈服強(qiáng)度隨溫度的降低逐漸升高，最大值均出現(xiàn)在最大含水率處。這是由于水凍結(jié)成冰提高了煤顆粒之間的黏結(jié)，煤樣從脆性轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄?，屈服?qiáng)度提高，微裂紋逐漸發(fā)展為宏觀裂紋，煤樣進(jìn)入軟化階段，軟化階段隨著含水率越來越高會逐漸延長，煤樣最終遭到破壞。

由于低溫作用下冰水相變會產(chǎn)生一定的凍脹力，隨著外荷載的增加，重塑性煤體在凍脹力的作用下發(fā)生體積的膨脹，從而導(dǎo)致原有的損傷擴(kuò)展，產(chǎn)生了新的裂隙和裂紋。由熱彈性理論可知：體積應(yīng)變、煤樣孔隙內(nèi)部產(chǎn)生的凍脹力均是隨溫度變化的函數(shù)，體積應(yīng)變與孔隙冰脹力的關(guān)系為[19-20]：

由式(4)可知， ?P(T)/?T>0恒成立，即在-40～20 ℃內(nèi)，煤體孔隙中的冰脹力隨著溫度的降低逐漸降低，重塑性煤體的抗壓強(qiáng)度得到提高。

3.2 溫度對重塑性煤體抗壓強(qiáng)度的影響

實(shí)驗(yàn)得到不同含水率（0%、4%、8%、12%、16%）下重塑性煤體抗壓強(qiáng)度與溫度的擬合曲線，同一含水率不同溫度下重塑性煤抗壓強(qiáng)度擬合曲線如圖5。

圖5 同一含水率不同溫度下重塑性煤抗壓強(qiáng)度擬合曲線Fig.5 Fitting curves of compressive strength of remoldeling coals at different temperatures with the same moisture content

同一含水率下，重塑性煤體的抗壓強(qiáng)度擬合曲線隨溫度升高逐漸減小，均呈反比例函數(shù)趨勢。在含水率較低（0%和4%）的情況下，重塑性煤體抗壓強(qiáng)度隨溫度的變化不會有太大的起伏。由于水分子的介入，分子之間距離不斷增加，范德華力變小，所以煤體在含水率為4%、8%、12%、16%時(shí)，表現(xiàn)出一定含水率下煤體抗壓強(qiáng)度一般大于完全烘干狀態(tài)下煤體的抗壓強(qiáng)度。在冰凍條件下，當(dāng)含水量由4%提高到16%，煤體的抗壓強(qiáng)度都有不同程度的提高。溫度在-30～0 ℃范圍內(nèi)，含水率0%的抗壓強(qiáng)度比4%稍高。這一方面是因?yàn)槊毫Ｖg的相對摩擦較大，在含水率低的情況下，顆粒之間的咬合力更強(qiáng)，水分子會破壞煤粒之間的平衡，造成煤粒之間的滑動表面一定程度偏移；另一方面則是因?yàn)楹娓上湓诳刂坪实倪^程中，水分的控制是由表面烘干到試件中央，雖然經(jīng)過一段時(shí)間的密封保存，但由于水分子分布比較分散與試件不均勻，造成抗壓強(qiáng)度降低。與含水率12%、溫度20 ℃下的抗壓強(qiáng)度值相比較，重塑性煤體在同一含水率，溫度為-10、-20、-30、-40 ℃時(shí)的抗壓強(qiáng)度依次提高約47.8%、70.5%、98.1%、115.2%。

3.3 含水率對重塑性煤體抗壓強(qiáng)度的影響

同一溫度不同含水率下重塑性煤抗壓強(qiáng)度擬合曲線如圖6。

圖6 同一溫度不同含水率下重塑性煤抗壓強(qiáng)度擬合曲線Fig.6 Fitting curves of compressive strength of remoldeling coals under different moisture content at the same temperature

隨著含水率的增加，煤體在常溫（20 ℃）和0 ℃的抗壓強(qiáng)度變化不大，且均呈降低的趨勢。2 種溫度下均表現(xiàn)出含水率為0%時(shí)，抗壓強(qiáng)度最大。這是由于煤體中的水分沒有凍結(jié)，相對滑移變形變大，減少了顆粒間的摩擦力，從而降低了重塑性煤的抗壓強(qiáng)度。當(dāng)試驗(yàn)煤樣低于0 ℃時(shí)(凍結(jié)溫度)，隨著含水率的升高，重塑性煤體的抗壓強(qiáng)度呈二次函數(shù)曲線逐漸升高。隨著溫度的逐漸降低，重塑性煤體抗壓強(qiáng)度受含水率的影響越顯著。同樣含水率的煤樣，隨著凍溫的降低，其抗壓強(qiáng)度也在逐步提高。這是因?yàn)楹实脑黾?，使?煤結(jié)合作用變成煤-水-煤結(jié)合作用，重塑性煤體在凍結(jié)作用下內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的水由冰取代，影響了顆粒間的排布，煤顆粒與顆粒之間形成了較強(qiáng)有力的黏結(jié)，提高煤體抗壓強(qiáng)度。

相對常溫（20 ℃）、含水率16%條件下，各階段的抗壓強(qiáng)度相對增長率如圖7。

圖7 抗壓強(qiáng)度相對增長率Fig.7 Relative growth rate of compressive strength

隨著溫度的降低，抗壓強(qiáng)度相對增長率逐漸增加。對于0 ℃，隨含水率的增加抗壓強(qiáng)度相對增長率呈下坡式增長。溫度低于0 ℃，抗壓強(qiáng)度相對增長率曲線均隨含水率的增加呈先降低后增加的趨勢，抗壓強(qiáng)度相對增長率在含水率4%的情況下出現(xiàn)拐點(diǎn)。含水率超過4%時(shí)，凍結(jié)溫度越低，抗壓強(qiáng)度的相對提高幅度就越快，最大依次增長63.75%、97.73%、142.56%、164.24%。

3.4 溫度和含水率對煤體峰值應(yīng)變與應(yīng)力的影響

不同溫度下煤體峰值應(yīng)力與峰值應(yīng)變的變化曲線如圖8，不同含水率下煤體峰值應(yīng)力與峰值應(yīng)變的變化曲線如圖9。

圖8 不同溫度下煤體峰值應(yīng)力與峰值應(yīng)變的變化曲線Fig.8 Variation curves of peak stress and peak strain of coals at different temperatures

圖9 不同含水率下煤體峰值應(yīng)力與峰值應(yīng)變的變化曲線Fig.9 Variation curves of peak stress and peak strain of coals under different moisture content

由圖8 可以看出：隨著凍結(jié)溫度的降低，煤體峰值應(yīng)力與峰值應(yīng)變均逐漸呈直線型增加，相比較常溫（20 ℃），峰值應(yīng)力與峰值應(yīng)變在-40 ℃下分別提高了165.71%、685.72%。

由圖9 可以看出：峰值應(yīng)力與峰值應(yīng)變隨含水率的增加也逐漸增加，相比較含水率0%，峰值應(yīng)力與峰值應(yīng)變在16%下分別提高了94.37%、816.67%?？梢?，低溫、高含水率會顯著提高煤體的峰值應(yīng)力與應(yīng)變，煤體抗壓強(qiáng)度得到增強(qiáng)。

4 結(jié) 語

1）根據(jù)熱彈性理論，低溫-高含水率作用下重塑性煤體孔隙冰脹力影響煤體的抗壓強(qiáng)度，冰脹力與溫度呈正相關(guān)關(guān)系，冰水相變產(chǎn)生的凍脹力隨著溫度的降低逐漸降低，使重塑性煤體的抗壓強(qiáng)度提高。

2）煤樣試件抗壓強(qiáng)度在未凍結(jié)前無明顯變化。在凍結(jié)溫度下，重塑性煤體的抗壓強(qiáng)度得到明顯增強(qiáng)。隨著水分含量的增加與溫度的降低，抗壓強(qiáng)度越提高越明顯，抗壓強(qiáng)度最大提高164.24%。

3）重塑性煤樣在常溫（20 ℃）和0 ℃下，隨著含水率的升高，抗壓強(qiáng)度逐漸降低。溫度低于0 ℃時(shí)，隨著含水率的增加，重塑性煤的抗壓強(qiáng)度大幅度增長，增長曲線與二次函數(shù)曲線擬合度較高。

4）低溫、高含水率下煤體的峰值應(yīng)力與峰值應(yīng)變會顯著提高，峰值應(yīng)力與峰值應(yīng)變依次最大提高165.71%、816.67%。