彥 鵬，王曉琪

（1.國家能源集團寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司雙馬煤礦，寧夏 靈武750408；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125105）

0 引 言

隨著采煤深度越來越深，地溫越來越高，地溫的升高給煤礦帶來嚴(yán)重的問題[1]，一是發(fā)生煤自燃，會對周圍煤體力學(xué)性質(zhì)造成影響[2]；二是深部煤層抽采鉆孔所處的環(huán)境較淺部煤層有較大的不同，其中主要包括深部煤層抽采鉆孔所處初始煤層溫度高，深部抽采鉆孔抽采過程中，氧氣容易進入封堵段破碎煤體，從而為鉆孔周圍破碎煤體長時間氧化反應(yīng)引起自燃創(chuàng)造條件，鉆孔周圍煤自燃會引起鉆孔暫停抽采[3-5]，延誤煤礦的正常開采，甚至造成抽采管路內(nèi)瓦斯爆炸，給井下人員帶來重大的安全隱患，造成巨大的經(jīng)濟損傷?，F(xiàn)今，高溫對鄰近未發(fā)火煤的力學(xué)特性研究較少，研究高溫對煤體力學(xué)特性的影響十分必要[6-10]。

國內(nèi)外學(xué)者對煤的物理力學(xué)特性展開一系列研究，但深部煤巖在高溫條件下物理力學(xué)特性研究鮮有報道，因此研究高溫對深部煤巖力學(xué)特性影響因素研究具有重要的作用，研究結(jié)果對深部煤層鉆孔發(fā)火后煤巖的動力災(zāi)害防治具有一定的指導(dǎo)意義。

1 煤樣篩選、氧化處理以及試驗儀器

1.1 煤樣獲取及篩選

實驗所用試件為直徑50 mm，高為100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱形試件如圖1所示。

煤原生裂隙結(jié)構(gòu)對于煤力學(xué)特性有很大的影響，導(dǎo)致在研究過程中可變因素很多，得出的結(jié)果往往離散性大。因此，在挑選過程中，挑選出的煤樣盡可能取自同一塊煤且取樣層理方向保持一致，在此基礎(chǔ)上，進一步運用非金屬超聲波探測儀對所制取的53個煤樣試件進行了超聲波檢測，每個試件測試3次，目的是根據(jù)波速挑選出性質(zhì)更為接近的煤樣，從而減少試驗結(jié)果帶來的誤差，通過篩選，篩選出性質(zhì)近似煤樣28塊，根據(jù)溫度將煤樣試件分為6組，每組保持有效試件3個，對篩選出的試件進行不同溫度（50、100、150、200、250、300℃）處理后進行單軸壓縮試驗，測定煤樣試件受載破壞后力學(xué)參數(shù)的變化情況。

圖1 非金屬超聲波篩選煤樣

1.2 煤樣氧化處理

對試驗中所有煤樣進行氧化處理，處理方法相同。在準(zhǔn)備做實驗前2 d，將所有煤樣置于相同環(huán)境下進行保存。在做實驗過程中，設(shè)定電熱鼓風(fēng)干燥箱溫度值，將已分好的煤樣試件持續(xù)加熱2 h，之后冷卻煤樣至室溫；當(dāng)煤樣冷卻到室溫條件后，將煤樣放置于恒溫箱中保存。

1.3 試驗儀器

具體試驗設(shè)備如圖2所示。各儀器功能：微機電液伺服儀可加載的最大軸壓為300 kN，荷重元精度0.01%，測試精度＜0.5%，操作方式全電腦控制，安全裝置是電子限位保護，用于獲取煤樣壓縮過程中應(yīng)力-應(yīng)變曲線，進行試驗對煤樣進行位移加載，加載速度設(shè)定為0.1 mm/min；電子顯微鏡獲取煤樣端面微觀裂紋圖，以此研究不同溫度處理煤樣后裂紋演化規(guī)律；電熱鼓風(fēng)干燥箱溫控范圍為+10～300℃，溫度波動度為±1.0℃，溫度分辨率為0.1℃，用于對煤樣進行氧化處理；HCHC-U7非金屬超聲波檢測儀用于獲取煤樣波形曲線、波速、波幅；XHCV3D三維掃描系統(tǒng)對煤樣加載過程中不同加載位移時進行掃描，獲取三維點云圖。

圖2 試驗設(shè)備

2 物理力學(xué)性質(zhì)試驗

2.1 同一煤樣經(jīng)過不同溫度后裂紋演化規(guī)律

為研究不同溫度對煤樣裂紋演化規(guī)律的影響，挑選出外觀完整煤樣MY9，實驗分別對煤樣進行50、100、150、200、250、300℃加熱處理，為清晰觀察到不同溫度對煤樣作用后裂紋張開度以及裂紋演化情況，借助高清電子顯微鏡相機對冷卻至室溫煤樣進行拍攝，然后依次進行升溫-加熱-冷卻-拍照，得到以上6種溫度處理后冷卻至室溫煤樣截面裂隙照片。圖3（a）為通過電子顯微鏡相機拍攝不同溫度處理煤樣獲得到的局部照片。全圖均由局部拍攝照片一一拼接而成。為更好的對裂隙進行宏觀觀察，將拼接好的不同溫度處理后煤樣表面裂隙全圖進行亮度、色彩調(diào)節(jié)，如圖3（b）所示。

從宏觀角度看，如圖3（a）、3（b）所示，煤樣在加熱之前，煤樣表面就存在原始裂紋，裂紋僅僅分布在局部位置，裂紋與裂紋之間尚未貫通。隨著加熱溫度的越來越高，原有裂紋發(fā)生擴展，裂紋長度逐漸增長，裂隙張開度越來越大，并與此同時，裂紋的擴展不僅僅局限于單裂紋的擴展，而是開始萌生新裂紋，新生成的裂紋與原裂紋之間形成復(fù)雜的裂隙網(wǎng)，煤損傷無論是裂隙條數(shù)、裂隙張開度、裂隙總周長以及裂隙貫通程度均呈現(xiàn)出增大的趨勢。

從微觀角度看，隨著處理溫度的升高，組成煤巖體內(nèi)部的礦物顆粒熱敏感性具有差異，煤樣內(nèi)部原有結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，從而造成煤樣發(fā)生熱破裂現(xiàn)象。

圖3 煤樣受不同溫度處理后裂紋變化

運用電子天平、游標(biāo)卡尺等測量工具測量出不同溫度處理后煤樣的基本參數(shù)。試驗得出，經(jīng)50、100、150、200、250、300℃高溫處理后，煤巖質(zhì)量變化率的平均值分別為-0.87 %、-1.53 %、-3.14 %、-7.10 %、-8.52 %、-8.94 %，煤巖密度變化率分別為-1.30 %、-2.30 %、-4.10 %、-7.00 %、-8.40 %、-9.80%；質(zhì)量、密度隨溫度變化規(guī)律如圖4所示。隨著溫度的升高，煤質(zhì)量、煤密度呈現(xiàn)出下降的趨勢。

結(jié)合實際礦井，如果采空區(qū)發(fā)生煤自燃或抽空鉆孔發(fā)生火災(zāi)，勢必會加熱臨近煤層，高溫會使得煤巖孔裂隙增大，孔裂隙增大，這勢必會降低煤的力學(xué)性質(zhì)，深部礦井煤巖處于高地應(yīng)力環(huán)境，會使得煤巖進一步破壞，裂隙演化速度、裂隙密度會急劇增加，會破壞鉆孔而且孔隙中吸附態(tài)瓦斯解析通過主裂隙通道與外界貫通，會使得火災(zāi)更加嚴(yán)重。

2.2 同一煤樣經(jīng)過不同溫度后裂紋演化規(guī)律煤巖聲速-溫度關(guān)系

基于HC-U7非金屬超聲波探測儀檢測出聲波、聲時以及波幅，波速可通過公式1得出，得出不同溫度處理煤體的損傷因子D。

式中：VP是煤樣未處理的縱波波速，m/s；VPT為煤樣經(jīng)過不同溫度處理后的縱波波速，m/s。

圖4 煤巖質(zhì)量、密度、聲速、損傷因子與溫度關(guān)系

運用非金屬超聲波探測儀監(jiān)測煤體內(nèi)橫、縱波傳播速度可以研究煤體內(nèi)部的構(gòu)成以及孔隙、裂隙情況。通過超聲波對不同溫度處理煤樣進行聲速測試，可依此對熱損傷煤樣進行定量評價。如圖4所示煤樣波速-溫度變化曲線。煤體經(jīng)過不同溫度處理后，煤巖聲速變化率分別為-0.36 %、-14.59 %、-19.22%、-24.56%、-37.72 %、-45.91 %，結(jié)合圖3（b）所示可以說明，隨著作用溫度的升高，煤巖致密性降低，孔隙增大，導(dǎo)致煤巖聲速降低；煤損傷因子分別為0.007、0.271、0.347、0.431、0.612、0.707。煤樣發(fā)生氧化導(dǎo)致煤體發(fā)生熱損傷。一般情況下，非金屬超聲波波形呈現(xiàn)紡錘形，但是隨著溫度的逐漸增加，煤樣接受波形與紡錘形相比，會逐漸變得凌亂，具體表現(xiàn)為首波波幅減小，聲時延長。煤體受到高溫的作用，煤結(jié)構(gòu)及材料的性質(zhì)會發(fā)生極大的變化，隨著溫度的進一步升高，超聲波在傳播過程中，會因其內(nèi)部裂紋、缺陷的進一步發(fā)育會發(fā)生折射和衍射，因此會大大延長聲波在煤樣中的傳播時間，導(dǎo)致波速降低，能量大大衰減。

3 溫度-力耦合試驗

煤經(jīng)不同溫度的熱處理，發(fā)生不同程度的熱損傷，將溫度處理后的煤樣冷卻至室溫，熱損傷后煤恢復(fù)至原狀是一個不可逆的過程。在此基礎(chǔ)上，對煤進行軸向壓縮試驗，在荷載作用下，煤的成核與擴展將使煤物理性質(zhì)不斷惡化。煤巖在受到外界載荷作用，將產(chǎn)生2種力學(xué)效應(yīng)：一是煤剛度發(fā)生劣化，在試驗過程中也發(fā)現(xiàn)，煤含有裂隙在原有的基礎(chǔ)上會由于軸向應(yīng)力的作用繼續(xù)演化，伴隨著煤積蓄能量發(fā)生耗損；二是一部分能量會促使終止于此的裂紋繼續(xù)擴展。在溫度和應(yīng)力共同作用下，原煤損傷過程極其復(fù)雜。溫度-力耦合煤損傷過程如圖5所示。

圖5 溫度-力耦合煤損傷過程

3.1 高溫、常溫處理煤樣受壓力作用裂紋擴展演化規(guī)律

煤樣經(jīng)過不同溫度作用后，煤樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)和裂隙程度發(fā)生很大的變化，受到軸向應(yīng)力的作用后，煤樣隨著溫度的升高，煤樣破壞程度越來越嚴(yán)重，為研究高溫處理煤樣受到壓應(yīng)力作用裂紋演化規(guī)律，記錄煤體隨軸向載荷的增加，裂紋擴展的過程。試驗借助三維激光掃描軟件系統(tǒng)采集壓裂過程中不同位移煤樣的點云，根據(jù)煤樣采集點云可以清楚的看到煤樣裂紋演化情況，在這里挑選出高溫250℃煤樣MY19、50℃煤樣MY21試件進行研究。

3.1.1 高溫煤樣受力破壞裂紋演化規(guī)律

如圖6所示，隨著外部載荷進一步增大，煤體表面裂紋在逐漸增大。煤樣裂紋最先出現(xiàn)的地方位于A點，B、C裂紋由A點向兩側(cè)開始萌發(fā)、延伸，隨著載荷的增大，A點成核區(qū)域變大，B、C裂紋長度增加，D裂紋開始產(chǎn)生。軸向應(yīng)力進一步增大，B、C裂紋長度明顯增長，B裂紋開始與D裂紋開始貫通，并且B、C、D裂紋裂隙寬度也在增加。A、B、C裂紋貫通形成一條主要沿軸向方向貫通裂紋，首先形成剪切破壞面。E裂紋等其它裂紋萌生方法與描述裂紋形成過程一致，A、B、C貫通裂紋與其他新形成的裂紋形成串聯(lián)結(jié)構(gòu)，隨著加載不斷進行，主裂紋寬度不斷增加，沿主裂紋兩側(cè)萌發(fā)出許多細(xì)小裂紋，形成樹枝狀，裂紋長度逐漸增長，裂紋不斷擴展，到達煤樣峰值破壞強度后，之前產(chǎn)生的許多微小裂紋迅速發(fā)育成宏觀裂紋，裂紋之間開始貫通，到達全面破壞階段時，表面裂紋總長度和裂紋總面積急劇增加，裂紋增加速度和寬度擴張速度加快。

圖6 高溫煤樣各位移破壞狀態(tài)

3.1.2 常溫煤樣受力破壞裂紋演化規(guī)律

如圖7所示，煤樣裂紋開始出現(xiàn)位置為1、2點，之后隨著軸向應(yīng)力的加載2、3裂紋開始擴展，裂紋逐漸擴展，直至2、3裂紋貫通，在擴展過程中裂紋寬度逐漸加長，裂紋間距逐漸加寬，裂紋形狀呈現(xiàn)分叉狀，隨著軸向壓力進一步加大，2、3裂紋貫通形成的分叉狀寬度逐漸加寬，長度逐漸延長，由擴展裂紋轉(zhuǎn)化為局部破壞嚴(yán)重性損傷。與此同時，4裂紋開始產(chǎn)生，裂紋長度加長，隨壓力增大，裂紋寬度增加。

圖7 常溫煤樣各位移破壞狀態(tài)

到達全面破壞階段，2、3裂紋貫通形成的大裂紋破斷，3裂紋繼續(xù)擴展。破壞情況主要沿兩條主裂紋進行破壞，破壞狀態(tài)沒有高溫煤樣那樣破壞程度大，而且形成的裂紋數(shù)目和裂紋總周長長度長。

3.2 不同溫度煤巖受載荷后力學(xué)特性

如圖8所示，當(dāng)溫度介于50℃～150℃，煤樣劈裂面較少，當(dāng)煤樣發(fā)生壓裂時，煤樣沿軸向方向只出現(xiàn)3～5個劈裂面，試件整體光滑；溫度介于200℃～300℃時，煤樣受到熱應(yīng)力的作用，使得煤樣顆粒受熱膨脹，煤樣出現(xiàn)新的的裂紋，高溫使得煤樣產(chǎn)生較多的細(xì)小裂紋，這些裂紋由于外部能量的作用，使得這些小裂隙擴展發(fā)育，使得原生裂紋擴展、加寬和連通，新形成的小裂紋與煤樣內(nèi)部主裂紋匯合形成裂隙網(wǎng)直至到破壞，導(dǎo)致煤樣沿軸向方向存在多個劈裂面，有較多碎煤塊彈出；當(dāng)溫度超過250℃時，煤樣未受力前即存在較多損傷，肉眼可見大量裂紋，加載到破壞，接近熔融狀態(tài)，破碎為細(xì)小塊狀，裂隙縱橫交錯。可見，隨著溫度超過200℃，煤樣破裂面變多且延性變形增大，能量耗散變大，破壞時的能量釋放變小。

3.3 典型煤樣應(yīng)力應(yīng)變曲線分析

通過對不同溫度進行溫度-力耦合試驗，得到不同組應(yīng)力應(yīng)變曲線，根據(jù)不同組煤樣應(yīng)力應(yīng)變曲線，繼而選擇出力學(xué)參數(shù)接近平均值的煤樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖9所示。

圖9 典型煤巖溫度-力耦合作用應(yīng)力-應(yīng)變曲線

根據(jù)不同溫度熱處理后應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可以得出不同溫度煤樣豐富的損傷演化信息。

壓密階段：受壓縮力時，煤巖內(nèi)部的微孔洞、微裂隙、宏觀裂隙、層理被壓實，巖石抵抗變形的能力增強，表現(xiàn)為抗壓強度逐漸增大，該階段致密性逐漸變好。壓密階段軸向應(yīng)變量可以反應(yīng)煤樣溫度對煤體造成的損傷程度，由應(yīng)力應(yīng)變曲線可以得出，隨著溫度升高，應(yīng)變量逐漸增大，表明高溫使得煤樣孔隙結(jié)構(gòu)更加發(fā)育，損傷更為嚴(yán)重。

線彈性階段：當(dāng)煤樣壓密到一定程度后，軸向應(yīng)力作用使得煤樣快速積蓄彈性勢能，應(yīng)力隨著變形增加呈現(xiàn)線性增長，常溫煤樣下單位應(yīng)變量應(yīng)力增加速度更快。

屈服階段：50℃～150℃煤樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出好的線性特征，與線彈性階段斜率一致，200℃～300℃之間，煤樣隨著溫度的升高，應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化明顯，隨著變形的增加，應(yīng)力變化幅度變小，其變化趨勢偏離線性，新生裂紋以及現(xiàn)有裂紋在此階段不斷增長，裂紋與裂紋之間相互貫通，煤體結(jié)構(gòu)變形呈現(xiàn)出不可逆的過程。

破壞階段：當(dāng)煤巖內(nèi)部抗壓強度小于軸向應(yīng)力，這時煤巖積蓄的彈能快速釋放破壞煤巖。因煤巖裂紋和裂隙增多，煤巖自身抗壓強度降低。根據(jù)不同溫度煤樣應(yīng)力應(yīng)變曲線，得出不同溫度會對峰值之后煤破壞形態(tài)造成極大的影響，在峰值應(yīng)力之后，宏觀裂縫貫穿巖心，巖石瞬間產(chǎn)生破壞，50℃～150℃之間，峰值強度后曲線出現(xiàn)急劇跌落段，煤樣破壞迅速，斷裂發(fā)生集中，50℃煤樣應(yīng)力直線下降繼而直線上升循環(huán)多次，出現(xiàn)這種原因是煤樣裂紋面斷裂，裂紋面角度問題，使得煤樣出現(xiàn)剪切滑移現(xiàn)象，應(yīng)力上升原因是裂隙面兩側(cè)煤出現(xiàn)咬合現(xiàn)象，阻礙煤樣破壞；200℃開始，峰值強度后曲線出現(xiàn)斜坡式下降，隨著溫度繼續(xù)升高，曲線下降坡度逐漸變緩，應(yīng)力下降呈現(xiàn)臺階式下降，較50℃～150℃煤樣無急劇下降、應(yīng)力突變的現(xiàn)象，應(yīng)變值較大，殘余強度變化明顯。

煤巖接受載荷起到到達峰值抗壓強度時應(yīng)變量可以作為判斷煤體塑性情況的主要依據(jù)。達到峰值強度應(yīng)變量越大，說明塑性越強，反之，脆性越強。如圖9所示，50、100、150、200、250、300℃達到峰值強度時的應(yīng)變量分別為3.35 %、3.46 %、3.86 %、4.26 %、4.44 %、5.61 %；峰值抗壓強度分別為10.38、7.77、7.24、6.57、4.41、2.52 MPa，表明溫度升高使得煤樣塑性增強，歸結(jié)原因為高溫使得煤樣發(fā)生氧化，嚴(yán)重改變了煤巖孔裂隙結(jié)構(gòu)以及煤巖顆粒之間的膠結(jié)度，使得煤樣完整度降低，表現(xiàn)為塑性特征。綜合得出，高溫使得煤樣塑性加強，力學(xué)特性變?nèi)?，煤樣的破壞形式由脆性向塑性轉(zhuǎn)變。

4 結(jié)論

通過上述分析，得出以下結(jié)論：

1）經(jīng)過不同溫度50、100、150、200、250、300℃處理后，煤樣損傷程度越來越高，煤巖質(zhì)量變化率的平均值分別為-0.87 %、-1.53 %、-3.14 %、-7.10 %、-8.52%、-8.94%；煤巖密度變化率分別為-1.30%、-2.30%、-4.10%、-7.00%、-8.40%、-9.80%；煤巖聲速變化率分別為-0.36 %、-14.59 %、-19.22 %、-24.56 %、-37.72 %、-45.91 %；煤損傷因子分別為0.007、0.271、0.347、0.431、0.612、0.707；

2）力-溫度耦合煤樣，隨溫度的升高，煤樣裂紋張開度、總周長，裂隙總表面積、裂紋總條數(shù)以及煤樣破壞程度會越來越大；

3）隨著溫度的逐漸升高，煤樣的破壞形式愈來愈復(fù)雜，破壞后的完整度大大降低，且破壞后破碎煤塊增多，煤巖表面出現(xiàn)嚴(yán)重的起皮現(xiàn)象；

4）50℃～150℃煤樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線在屈服階段表現(xiàn)出好的線性特征，與線彈性階段斜率一致，200℃～300℃之間，煤樣隨著溫度的升高，應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化明顯，隨著變形的增加，應(yīng)力變化幅度變小，其變化趨勢偏離線性，新生裂紋以及現(xiàn)有裂紋在此階段不斷增長，裂紋與裂紋之間相互貫通，煤體結(jié)構(gòu)變形呈現(xiàn)出不可逆的過程；

5）50、100、150、200、250、300℃達到峰值強度時的應(yīng)變量分別為3.35 %、3.46 %、3.86 %、4.26 %、4.44%、5.61%；峰值抗壓強度分別為10.38、7.77、7.24、6.57、4.41、2.52 MPa，表明溫度升高使得煤樣塑性增強，歸結(jié)原因為高溫使得煤樣發(fā)生氧化，嚴(yán)重改變了煤內(nèi)孔裂隙結(jié)構(gòu)及煤顆粒之間的膠結(jié)度，使得煤樣完整度降低，表現(xiàn)為塑性特征。