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        低溫液氮冷凍煤體脆性-延性轉(zhuǎn)化研究

        2019-01-02 03:23:08靳曉敏高建良
        中國(guó)煤炭 2018年12期
        關(guān)鍵詞:粘結(jié)力焦煤脆性

        靳曉敏 高建良

        (河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院,河南省焦作市,454003)

        隨著礦井向深部開(kāi)拓,煤層瓦斯含量與地應(yīng)力不斷升高,煤層微裂隙閉合,滲透率降低,瓦斯抽采的難度加大。為了提高煤層透氣性,煤層增透成為瓦斯抽采工作的核心問(wèn)題之一?,F(xiàn)有的煤層增透技術(shù)主要包括深孔爆破、水力化增透、生物化學(xué)增透以及超臨界氣體壓裂等。近年來(lái),液氮冷凍增透技術(shù)由于其低耗和無(wú)污染等技術(shù)優(yōu)勢(shì),不斷受到煤炭和石油領(lǐng)域的關(guān)注。

        脆性是指巖石受力破壞時(shí)所表現(xiàn)出的一種固有性質(zhì),表現(xiàn)為巖石在宏觀破裂前發(fā)生很小的應(yīng)變,破裂時(shí)全部以彈性能的形式迅速釋放出來(lái);延性則相反,是指由屈服開(kāi)始到達(dá)最大承載能力以后而彈性能緩慢釋放。脆性和延性指數(shù)分別表征巖石發(fā)生破裂前的瞬態(tài)變化快慢程度,脆性-延性指數(shù)是表征儲(chǔ)層可壓裂性、破碎性以及巖爆工程必不可少的參數(shù),因此對(duì)煤體脆性-延性特征的研究具有重要意義。

        國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)巖石脆性開(kāi)展了大量的研究,研究方法包括力學(xué)行為、宏觀結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)。巖體脆性指數(shù)計(jì)算方法有多種,目前存在基于礦物組分、碎屑含量、巖石硬度、全應(yīng)力-應(yīng)變曲線、強(qiáng)度特征和能量耗散等因素的多種方法,這表明巖體脆性表征受多種因素的影響,具有復(fù)雜性。

        巖石脆性-延性轉(zhuǎn)化影響因素主要包括:礦物組分、圍壓和溫度等。范卓穎等人對(duì)礦物組分與脆性的關(guān)系進(jìn)行研究,得出地層中多礦物石英石、方解石、粘土等與宏觀脆性指數(shù)的相關(guān)關(guān)系,隨著圍壓的增大,巖石試樣脆性指數(shù)降低,整體由脆性轉(zhuǎn)化為延性;Ranalli認(rèn)為隨溫度的升高,當(dāng)溫度高于熔解溫度的一半時(shí),巖石完全變成延性;張志鎮(zhèn)通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出高溫處理后,花崗巖的應(yīng)力應(yīng)變特征由脆性轉(zhuǎn)化為延性;張慧梅通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出,在低溫凍融循環(huán)條件下,與高溫類(lèi)似,砂巖、頁(yè)巖巖樣亦由脆性轉(zhuǎn)化為延性。所以,為了探究液氮冷凍影響巖石脆性轉(zhuǎn)化延性過(guò)程的機(jī)理,需要探討其本質(zhì)原因。

        為了探究低溫液氮冷凍煤體脆性-延性轉(zhuǎn)化原因,利用巖石力學(xué)單軸測(cè)試系統(tǒng),對(duì)無(wú)煙煤、焦煤的力學(xué)特性進(jìn)行試驗(yàn)研究,同時(shí)分析液氮冷凍對(duì)煤體粘結(jié)力與摩擦力的影響,探究煤體的脆性-延性轉(zhuǎn)化的本質(zhì)原因。

        1 液氮冷凍煤體力學(xué)試驗(yàn)

        為了對(duì)比未冷凍煤體與液氮冷凍煤體力學(xué)特性,采用平行試驗(yàn)方法,對(duì)無(wú)煙煤和焦煤煤樣各6組進(jìn)行單軸力學(xué)試驗(yàn),研究其應(yīng)力-應(yīng)變曲線,并分析未冷凍與液氮冷凍煤體力學(xué)特性間的差異。

        1.1 試驗(yàn)方案

        試驗(yàn)樣品取自焦作地區(qū)趙固一礦高變質(zhì)程度無(wú)煙煤與平頂山地區(qū)平煤八礦中變質(zhì)程度焦煤。利用巖芯鉆取機(jī)、巖芯切磨機(jī)將采得的煤塊切割成12個(gè)?50 mm×50 mm規(guī)格的圓柱狀煤樣,分別標(biāo)記為Z1-Z6、P1-P6。試驗(yàn)基本方案為對(duì)Z1-Z6、P1-P6煤樣利用真空飽水裝置對(duì)煤樣飽水20 h后,將Z4-Z6、P4-P6煤樣放入液氮桶中浸泡,冷凍30 min后待樣品恢復(fù)室溫后,置于干燥箱中48 h,得到未冷凍煤樣(Z1-Z3、P1-P3)和液氮冷凍處理煤樣(Z4-Z6、P4-P6)。無(wú)煙煤煤樣與焦煤煤樣如圖1所示。

        圖1 無(wú)煙煤煤樣與焦煤煤樣

        利用RMT-150B 巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試,系統(tǒng)采用100 kN力傳感器測(cè)量載荷,5 mm位移傳感器測(cè)量壓縮變形,加載速率為0.002 mm/s。

        1.2 試驗(yàn)結(jié)果

        根據(jù)單軸試驗(yàn),得到未冷凍和液氮冷凍后煤樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示,未冷凍與液氮冷凍煤樣力學(xué)參數(shù)對(duì)比如圖3所示。

        圖2 未冷凍、液氮冷凍后煤樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

        對(duì)于無(wú)煙煤與焦煤煤樣,未冷凍煤樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與液氮冷凍煤樣相比,液氮冷凍處理后,應(yīng)力-應(yīng)變特性產(chǎn)生了明顯變化。隨著應(yīng)變的增加,可總結(jié)為以下4個(gè)階段:

        (1)孔隙壓密階段。在初始加載階段,隨著應(yīng)力的增加且處于低應(yīng)力狀態(tài),應(yīng)變隨應(yīng)力緩慢增長(zhǎng),該階段煤體內(nèi)部裂隙逐漸閉合。在孔隙壓密階段,應(yīng)力應(yīng)變曲線斜率逐漸增加呈上凹形,壓密階段最大應(yīng)變值增加,未冷凍與液氮冷凍煤體應(yīng)力-應(yīng)變特征在此階段區(qū)別不明顯。

        (2)線彈性階段。隨著應(yīng)力的增加,在應(yīng)力應(yīng)變曲線中的彈性階段,存在直線增長(zhǎng)階段,該段直線斜率為煤體彈性模量。由圖2(a)和圖3可以看出,與未冷凍無(wú)煙煤煤樣彈性模量平均值2.48 GPa相比,液氮冷凍煤樣彈性模量平均值為1.75 GPa,降低41.5%;焦煤煤樣彈性模量平均值由3.567 GPa降低至1.75 GPa,降低50.84%。

        (3)屈服階段。在此階段應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)黾又饾u增加,曲線斜率降低并變?yōu)樯贤剐?,損傷開(kāi)始產(chǎn)生。當(dāng)應(yīng)力增加至最大值,該點(diǎn)應(yīng)力定義為煤體的強(qiáng)度極限。由單軸試驗(yàn)結(jié)果可得,對(duì)于無(wú)煙煤煤樣,未冷凍煤樣的抗壓強(qiáng)度全部高于液氮冷凍煤樣,液氮冷凍后抗壓強(qiáng)度降低,平均值由19.88 MPa降低至16.73 MPa;對(duì)于焦煤煤樣,未冷凍煤樣的平均抗壓強(qiáng)度為20.187 MPa,液氮冷凍后降低至16.47 MPa。

        (4)峰后階段。脆性是指巖體在達(dá)到強(qiáng)度極限后,塑性變形并發(fā)生破壞的性質(zhì),在破壞過(guò)程中伴隨能量的急劇釋放。由圖3可以看出,未冷凍煤樣在應(yīng)力-應(yīng)變曲線的峰后段應(yīng)力急劇跌落,而液氮冷凍后樣品的跌落速率明顯減慢,這說(shuō)明冷凍處理后煤體的脆性發(fā)生了較大的變化。國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出脆性指標(biāo)定量表征巖體的脆性見(jiàn)式(1):

        式中:σp、σr——分別為峰值應(yīng)力與殘余應(yīng)力,MPa;

        εp、εr——分別為峰值應(yīng)變與殘余應(yīng)變, ‰。

        圖3 未冷凍與液氮冷凍煤樣力學(xué)參數(shù)對(duì)比

        由圖3可以看出,在液氮冷凍處理后,煤體峰后脆性指標(biāo)發(fā)生不同程度的下降,由未冷凍煤體的脆性轉(zhuǎn)化為液氮冷凍煤體的延性。其中,未冷凍無(wú)煙煤煤樣的脆性指標(biāo)全部高于液氮處理煤樣,平均值由5837降低至1406;未冷凍焦煤煤樣的平均脆性指標(biāo)2486,整體高于液氮處理焦煤的908,只有P5脆性指標(biāo)偏高,這表明液氮冷凍處理后的煤樣脆性指標(biāo)降低,煤體軟化,峰后破壞階段呈現(xiàn)延性的特征。

        2 液氮冷凍對(duì)煤體裂隙的影響

        為了探究未冷凍與液氮冷凍煤體力學(xué)特性的差異,分別采用超聲波試驗(yàn)和低場(chǎng)核磁共振試驗(yàn),根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比未冷凍與液氮冷凍煤體的裂隙體積增加,基于斷裂力學(xué)理論分析溫度應(yīng)力及凍脹力對(duì)裂隙擴(kuò)展的影響。

        2.1 超聲波試驗(yàn)

        采用H-F型智能超聲波綜合測(cè)試儀,根據(jù)縱波傳播速度表征煤體內(nèi)部裂隙體積的大小。為了試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性,在換能器與試驗(yàn)煤樣的端面間涂抹蜂蜜來(lái)填充換能器與煤樣之間存在的縫隙,以減小試驗(yàn)誤差,試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

        由圖4可以看出,液氮冷凍后,Z4-Z6和P4-P6煤樣縱波波速全部降低,對(duì)于無(wú)煙煤煤樣,平均波速由1210.33 m/s逐漸降低至1010 m/s,平均降低了19.8%;對(duì)于焦煤煤樣,平均波速由2001 m/s逐漸降低至1605 m/s,平均降低了23.36%。這是由于液氮冷凍導(dǎo)致裂隙體積、數(shù)量的增加,縱波在煤樣內(nèi)部的傳播受到阻礙增加,液氮冷凍煤樣縱波波速降低。

        2.2 低場(chǎng)核磁共振試驗(yàn)

        利用紐邁MR23-060型低場(chǎng)核磁共振儀,以Z5和P5為例,分別測(cè)試未冷凍、液氮冷凍飽和水煤樣的T2分布,TW=1500 ms,TE=0.2 ms,重復(fù)次數(shù)NS=32,回波個(gè)數(shù)NECH=10000,由于橫向弛豫時(shí)間T2定量地表達(dá)水分子弛豫特性,因此T2圖譜可反映出煤樣內(nèi)部原生孔裂隙分布,煤樣核磁共振T2圖譜測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

        圖4 液氮冷凍前后煤樣縱波波速對(duì)比

        圖5 煤樣核磁共振T2圖譜測(cè)試

        由圖5可以看出,煤樣的T2圖譜分為兩個(gè)譜峰(由左至右分別為第1譜峰和第2譜峰),即代表煤基質(zhì)微孔的第1譜峰與代表裂隙的第2譜峰。根據(jù)已有研究,煤是一種典型的具有雙重孔隙特性的多孔介質(zhì),且2種試驗(yàn)煤體經(jīng)歷了較長(zhǎng)的發(fā)育時(shí)間后,微小孔比例大,裂隙比例小。由圖5對(duì)比可得,在液氮處理后,無(wú)煙煤第2譜峰右側(cè)與橫坐標(biāo)軸交點(diǎn)由2029.16 ms增加至3140.13 ms,表征裂隙體積的譜峰的面積增大22%;焦煤第2譜峰峰值右側(cè)與橫坐標(biāo)軸交點(diǎn)由1001.16 ms增加至2435.95 ms,表征裂隙體積的譜峰面積增加73%。

        由稱重法可得,無(wú)煙煤平均孔隙率由5.52%增加至5.83%,焦煤孔隙率平均由3.06%增加至3.45%,可以得出隨著液氮處理過(guò)程的進(jìn)行,煤樣內(nèi)部裂隙不斷萌生、貫通匯合,裂隙總體尺度、體積均有不同程度的增加,這可能在一定程度上造成煤樣力學(xué)性質(zhì)的變化。

        2.3 裂隙擴(kuò)展條件

        液氮冷凍煤體裂隙擴(kuò)展主要存在兩個(gè)原因,一是煤體低溫劇烈收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力,二是孔裂隙中水-冰相變產(chǎn)生的凍脹力。煤體試樣在液氮冷處理作用下,由于礦物成分的熱脹冷縮系數(shù)不同,導(dǎo)致各礦物在溫度沖擊作用下膨脹收縮的差異,在礦物晶粒之間產(chǎn)生溫度應(yīng)力,溫度應(yīng)力見(jiàn)式(2):

        式中:σT——溫度應(yīng)力,MPa;

        α——線膨脹系數(shù), ℃-1;

        E——煤體彈性模量;

        ΔT——煤體溫度差, ℃。

        凍脹力是與水分遷移、巖石和冰的力學(xué)參數(shù)及裂隙幾何參數(shù)等因素相關(guān)的復(fù)雜變量,劉泉聲等人根據(jù)凍脹裂隙擴(kuò)展體積計(jì)算,將凍脹力σC表達(dá)見(jiàn)式(3):

        式中:ki——考慮水分遷移的裂隙水膨脹系數(shù),Ki為裂隙冰的體積模量;

        vs——泊松比;

        a、b——分別為裂隙長(zhǎng)度與寬度。

        對(duì)于煤巖類(lèi)材料來(lái)說(shuō),溫度應(yīng)力、凍脹力產(chǎn)生的破壞屬于經(jīng)典的Ⅰ型張開(kāi)型斷裂,凍脹力σC與溫度應(yīng)力σT的作用下,發(fā)生在裂隙尖端附近的應(yīng)力集中。隨著煤體冷凍過(guò)程的進(jìn)行,溫度應(yīng)力與凍脹力在孕育過(guò)程中逐漸增大,裂隙尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子不斷增加,當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子KI大于材料斷裂韌度KIC時(shí),煤體裂隙產(chǎn)生擴(kuò)展,裂隙體積增大,應(yīng)力強(qiáng)度因子見(jiàn)式(4):

        經(jīng)計(jì)算,煤體溫度應(yīng)力高達(dá)20~40 MPa,應(yīng)力強(qiáng)度因子遠(yuǎn)大于斷裂韌度,所以液氮冷凍造成煤體裂隙尖端附近的應(yīng)力集中,裂隙體積增加。

        3 脆性-延性轉(zhuǎn)化原因分析

        煤體斷裂特性為宏觀表現(xiàn),裂隙擴(kuò)展為微觀表現(xiàn)。所以,為了探究液氮冷凍煤體由脆性轉(zhuǎn)化為延性的本質(zhì)原因,需要將微觀與宏觀表現(xiàn)綜合研究。

        3.1 液氮冷凍對(duì)脆性-延性轉(zhuǎn)化致因

        對(duì)于煤體微觀結(jié)構(gòu)而言,礦物顆粒之間相互粘結(jié)或者相互分離。在加載過(guò)程中,煤體內(nèi)部存在粘結(jié)力與摩擦力。粘結(jié)力是指煤顆粒粘結(jié)時(shí),微粒之間的分子吸引力和天然膠結(jié)物質(zhì)對(duì)微粒的膠結(jié)作用。摩擦力包含兩部分,一部分是由于煤粒粗糙面產(chǎn)生的表面摩擦力,另一部分則是粗顆粒之間互相鑲嵌、聯(lián)合作用產(chǎn)生的咬合力。在加載過(guò)程中,隨著應(yīng)力的增加,粘結(jié)力與摩擦力共同承載壓應(yīng)力。

        脆性破壞指材料在外力作用下僅產(chǎn)生較小的變形即斷裂破壞的性質(zhì),其直接原因是粘結(jié)力遠(yuǎn)大于摩擦力,當(dāng)軸向應(yīng)力逐漸增加超過(guò)粘結(jié)力的承載極限時(shí),粘結(jié)力喪失,煤體沿破裂面產(chǎn)生滑移,但如果摩擦力有限,難以起到承載作用,則可能瞬間產(chǎn)生宏觀斷裂;延性破壞是煤體某個(gè)截面從屈服開(kāi)始而承載能力還沒(méi)有明顯下降期間的變形能力,若隨著應(yīng)力增加,粘結(jié)力喪失之后,摩擦力大到可起到一定承載作用,材料在塑性變形過(guò)程中沿破裂面煤粒摩擦滑移,隨應(yīng)力的變化產(chǎn)生一定程度上的變形,表現(xiàn)為延性破壞。

        在液氮冷凍煤體后,煤體內(nèi)部裂隙擴(kuò)展,煤微粒之間的粘結(jié)力在此過(guò)程中有所損失,摩擦力增加,在加載過(guò)程中,隨著應(yīng)力的增加,當(dāng)應(yīng)力超過(guò)粘結(jié)力極限之后,煤體通過(guò)摩擦力承載應(yīng)力。未冷凍煤樣粘結(jié)力較大,承載能力強(qiáng),屈服破壞在局部斷面發(fā)生,具有脆性特征;液氮冷凍煤體由于粘結(jié)力降低,抗壓強(qiáng)度低于未冷凍煤樣,在塑性階段,煤體摩擦力增加,起到承載作用,但由于摩擦產(chǎn)生滑移,應(yīng)變?cè)黾?,產(chǎn)生分布的共軛剪切網(wǎng)絡(luò)被破壞。因此,相比于未冷凍煤體的脆性,液氮冷凍煤體總體具有延性特征。

        3.2 溫度與圍壓對(duì)脆性-延性轉(zhuǎn)化對(duì)比

        與溫度(高溫處理、低溫處理)條件相比,在三軸條件下,隨著圍壓的增加,煤樣同樣存在脆性-延性的轉(zhuǎn)化。具體地說(shuō),在正應(yīng)力較低(圍壓較低)時(shí),摩擦力增加的量低于粘結(jié)力的降低體現(xiàn)為“屈服弱化”,呈現(xiàn)局部化剪切斷裂;而在正應(yīng)力較高(圍壓較高)時(shí),摩擦力增加的量就會(huì)超過(guò)粘結(jié)力的降低體現(xiàn)為“屈服強(qiáng)化”,煤體屈服需要更高的載荷,且由于較大摩擦力的存在,煤基質(zhì)顆粒之間發(fā)生更多的相互擠壓與摩擦滑動(dòng),宏觀上表現(xiàn)為較大變形。

        由對(duì)比可以得出,盡管同為脆性-延性的轉(zhuǎn)換,低溫冷凍造成煤體粘結(jié)力降低,裂隙擴(kuò)展和摩擦力增加,而圍壓增加僅造成摩擦力的增加。因此,低溫液氮冷凍煤體內(nèi)部產(chǎn)生損傷,抗壓強(qiáng)度降低,而圍壓增加造成摩擦力增加,煤體承載能力增強(qiáng),抗壓強(qiáng)度提高,這是2種脆性-延性轉(zhuǎn)化原理的差異。

        4 結(jié)論

        (1)對(duì)未冷凍和經(jīng)液氮冷凍處理的無(wú)煙煤和焦煤煤樣進(jìn)行單軸力學(xué)試驗(yàn),獲得了煤樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線,得出了與未冷凍煤體相比,液氮處理后煤體由脆性-轉(zhuǎn)化為延性,無(wú)煙煤、焦煤脆性指標(biāo)分別降低了75.9%和63.5%。

        (2)根據(jù)煤樣冷凍前后的超聲波、低場(chǎng)核磁共振試驗(yàn)結(jié)果,得出了液氮冷凍造成煤體裂隙擴(kuò)展,裂隙體積增加是煤體斷裂力學(xué)特性發(fā)生變化的直接原因。

        (3)經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)煤體由脆性轉(zhuǎn)化為延性的本質(zhì)原因是煤體粘接力減小與摩擦力的增加,與未冷凍煤樣相比,粘結(jié)力的下降導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低,摩擦力的增加使煤體峰后強(qiáng)度增加。

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