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        低溫凍結(jié)石門揭煤煤體溫度及力學(xué)性能變化規(guī)律研究

        2021-03-03 06:55:20周震翟成
        工礦自動(dòng)化 2021年2期
        關(guān)鍵詞:壓密銅管石門

        周震, 翟成

        (1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院, 江蘇 徐州 221116;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 煤礦瓦斯治理國(guó)家工程研究中心, 江蘇 徐州 221116)

        0 引言

        石門揭煤是我國(guó)煤礦井下重要的巷道掘進(jìn)工程之一。石門揭煤時(shí)煤與瓦斯突出強(qiáng)度大,且80%以上的特大型煤與瓦斯突出均發(fā)生在石門揭煤過程,對(duì)煤礦造成嚴(yán)重破壞[1-2]。根據(jù)煤與瓦斯突出機(jī)理,煤體的力學(xué)強(qiáng)度是決定石門揭煤時(shí)能否抵擋煤與瓦斯突出動(dòng)力的主要因素[3-4]。因此,為降低石門揭煤過程中煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性,結(jié)合人工凍結(jié)技術(shù),國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出低溫凍結(jié)石門揭煤方法[5-6]。在低溫凍結(jié)作用下,煤體內(nèi)部孔隙、裂隙中的水凍結(jié)成冰,冰的膠結(jié)作用可增強(qiáng)煤體的黏聚力,從而提高煤體的力學(xué)強(qiáng)度,使煤體狀態(tài)更加穩(wěn)定[7]。葉青等[8]提出了采用注液凍結(jié)技術(shù)增強(qiáng)石門揭煤煤體的強(qiáng)度、增加集中應(yīng)力區(qū)和卸壓區(qū)的長(zhǎng)度來防止煤體發(fā)生流變而導(dǎo)致煤與瓦斯延時(shí)突出;馮濤等[9-10]通過凍結(jié)成型煤樣力學(xué)實(shí)驗(yàn)論證了注液凍結(jié)法作為石門揭煤防突方法的可行性;謝雄剛等[11-12]采用RFPA2D系統(tǒng)和ANSYS數(shù)值模擬軟件,分別建立了石門揭煤凍結(jié)煤層過程氣固耦合數(shù)學(xué)模型及溫度場(chǎng)數(shù)值模擬計(jì)算模型;翟成等[13]探究了低溫凍結(jié)石門揭煤過程中煤體未凍水含量的變化規(guī)律。筆者通過試驗(yàn)研究了低溫凍結(jié)石門揭煤煤體溫度及力學(xué)性能變化規(guī)律,對(duì)低溫凍結(jié)石門揭煤方法的工程實(shí)踐具有一定的指導(dǎo)作用。

        1 試驗(yàn)方案

        1.1 煤樣制備

        試驗(yàn)采用型煤代替原煤,將煤粉、水泥、石膏、黃沙按配比1∶2∶2∶1混合并加入適量的水?dāng)嚢杈鶆蚝蟮谷肓⒎襟w模具,待漿液成型后進(jìn)行脫模,制作5個(gè)100 mm×100 mm×100 mm的煤樣。由于銅的導(dǎo)熱性能良好,熱傳導(dǎo)速率快,所以使用U形銅管作為導(dǎo)熱介質(zhì),使液氮從U形銅管一端注入,液氮通過U形銅管有效吸收煤樣中的熱量,汽化產(chǎn)生的氮?dú)鈴腢形銅管另一端排出。4個(gè)煤樣預(yù)埋U形銅管,煤樣通過U形銅管持續(xù)向液氮放出熱量,從而使煤樣逐漸被凍結(jié);1個(gè)煤樣不預(yù)埋U形銅管作為對(duì)比試驗(yàn)組。通過真空加壓飽水裝置、電熱鼓風(fēng)干燥箱和電子天平控制煤樣含水率為7%~9%[14-16],以便對(duì)煤樣進(jìn)行凍結(jié)。

        1.2 試驗(yàn)步驟

        (1) 將4個(gè)預(yù)埋U形銅管煤樣的U形銅管與液氮罐通過管閥相連,擰開液氮罐閥門對(duì)U形銅管注入液氮使煤樣分別凍結(jié)15,30,45,60 min。在U形銅管垂直平分線上距煤樣邊緣1/4處插入熱電偶,再將熱電偶與溫度傳感器相連,通過溫度傳感器測(cè)量煤樣內(nèi)部溫度。液氮溫度為-196 ℃,與煤樣的溫度差遠(yuǎn)大于煤樣與周圍環(huán)境之間的溫度差,因此熱交換主要發(fā)生在液氮與煤樣之間,且注液氮凍結(jié)前在煤壁貼上保溫棉,煤樣與周圍環(huán)境的熱交換可忽略不計(jì)。

        (2) 用紅外熱成像儀測(cè)量未預(yù)埋U形銅管煤樣及凍結(jié)后煤樣的表面溫度。

        (3) 在煤樣側(cè)面沿橫向、縱向貼上應(yīng)變片,將應(yīng)變片與應(yīng)變儀相連,在MTS電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)(設(shè)軸向位移速率為0.1 mm/min),測(cè)量煤樣單軸壓縮過程產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變。

        試驗(yàn)過程如圖1所示。

        圖1 試驗(yàn)過程Fig.1 Experiment process

        2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

        2.1 煤樣溫度變化

        不同凍結(jié)時(shí)間下煤樣內(nèi)部溫度變化曲線如圖2所示,結(jié)果見表1。

        (a) 凍結(jié)15 min

        表1 不同凍結(jié)時(shí)間下煤樣內(nèi)部溫度Table 1 Internal temperature of coal samples under different freezing time

        可看出凍結(jié)過程中煤樣內(nèi)部溫度持續(xù)降低,即凍結(jié)時(shí)間越長(zhǎng),煤樣內(nèi)部溫度降低量越大;凍結(jié)60 min時(shí),煤樣內(nèi)部溫度由25.33 ℃降低到-34.95 ℃,溫度降低量達(dá)60.28 ℃,凍結(jié)效果較好。

        不同凍結(jié)時(shí)間下煤樣表面溫度變化云圖如圖3所示。從圖3可看出:① 原始煤樣表面幾何中心溫度為23.45 ℃,凍結(jié)15,30,45,60 min后,表面幾何中心溫度依次為10.28,10.07,5.38,-7.30 ℃;原始煤樣表面最低溫度為22.02 ℃,凍結(jié)15,30,45,60 min后,表面最低溫度依次為8.01,7.71,4.11,-10.10 ℃;原始煤樣表面最高溫度為24.16 ℃,凍結(jié)15,30,45,60 min后,表面最高溫度依次為16.53, 14.31,16.86,8.42 ℃;原始煤樣表面平均溫度為23.36 ℃,凍結(jié)15,30,45,60 min后,表面平均溫度依次為12.05,10.92,8.60,-1.67 ℃。這表明隨著凍結(jié)時(shí)間的增加,煤樣表面幾何中心溫度、表面最低溫度、表面最高溫度和表面平均溫度均呈下降趨勢(shì)。② 煤樣表面最低溫度位于U形銅管附近,煤樣表面最高溫度位于煤樣邊界。這是由于液氮與煤樣內(nèi)部的熱交換以U形銅管為中心逐漸向四周擴(kuò)散,U形銅管附近煤的熱量最先被液氮吸收,處于煤樣邊界煤的熱量最后被液氮吸收。

        (a) 未凍結(jié)

        2.2 煤樣力學(xué)性能變化

        不同凍結(jié)時(shí)間下煤樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示,煤體在整個(gè)單軸壓縮過程中依次經(jīng)歷壓密、彈性變形、屈服和破壞4個(gè)階段[17-18]。從圖4可看出,壓密階段隨著凍結(jié)時(shí)間的增加而縮短,未進(jìn)行凍結(jié)的煤樣在壓密階段應(yīng)變達(dá)1.655 4%,凍結(jié)15,30,45,60 min的煤樣在壓密階段應(yīng)變分別降到了0.932 8%, 0.388 0%,0.170 8%,0.271 6%,這是由于凍結(jié)作用使煤孔隙中的水凝固成冰,壓密階段應(yīng)變減小;在彈性變形階段和屈服階段,煤樣的最大應(yīng)力隨著凍結(jié)時(shí)間的增加而增大,這是由于煤樣內(nèi)部的水凍結(jié)成冰,冰對(duì)煤樣內(nèi)部基質(zhì)顆粒的膠結(jié)作用和孔隙的充填作用明顯,并且凍結(jié)時(shí)間越長(zhǎng),煤樣凍結(jié)程度越高,提高了煤樣的力學(xué)強(qiáng)度。

        圖4 不同凍結(jié)時(shí)間下煤樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curves of coal samples under different freezing time

        不同凍結(jié)時(shí)間下煤樣最大應(yīng)力和彈性模量見表2,并采用多項(xiàng)式擬合方式繪制曲線,如圖5所示??煽闯鲭S著凍結(jié)時(shí)間的增加,煤樣的最大應(yīng)力和彈性模量均呈增大趨勢(shì);凍結(jié)60 min后,最大應(yīng)力由2.074 MPa增大到4.252 MPa,增幅為105%,彈性模量由0.403 GPa增大到0.621 GPa,增幅為54.1%。

        表2 不同凍結(jié)時(shí)間下煤樣最大應(yīng)力和彈性模量Table 2 Maximum stress and elastic modulus of coal samples under different freezing time

        圖5 不同凍結(jié)時(shí)間下煤樣最大應(yīng)力和彈性模量變化曲線Fig.5 Variation curves of maximum stress and elastic modulus of coal samples under different freezing time

        3 結(jié)論

        (1) 隨著凍結(jié)時(shí)間的增加,煤樣內(nèi)部及表面溫度呈下降趨勢(shì);煤樣表面最低溫度位于U形銅管附近,煤樣表面最高溫度位于煤樣邊界。

        (2) 煤體在整個(gè)單軸壓縮過程中依次經(jīng)歷壓密、彈性變形、屈服和破壞4個(gè)階段。在壓密階段,隨著凍結(jié)時(shí)間的增加,煤樣應(yīng)變逐漸減小,壓密階段縮短;在彈性變形階段和屈服階段,隨著凍結(jié)時(shí)間的增加,煤樣最大應(yīng)力和彈性模量均呈增大趨勢(shì)。

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