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        高溫三軸作用下無煙煤的物理特征研究

        2022-12-01 08:53:02馮子軍徐曉鵬董文強
        煤礦安全 2022年11期

        杜 賡,馮子軍,徐曉鵬,董文強

        (1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,山西 太原 030024;2.太原理工大學(xué) 原位改性采礦教育部重點實驗室,山西 太原 030024)

        巖石在單軸壓力加載下的全應(yīng)力應(yīng)變曲線形態(tài)變化特征可以分為5 個階段[1],而在實際的原位開采過程中,必須涉及到靜水壓力對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響[2]。在當(dāng)前工程當(dāng)中,比如煤層氣的高溫注熱開采,會涉及到高溫對無煙煤力學(xué)性質(zhì)的影響,以及在經(jīng)歷高溫條件后無煙煤的力學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律。所以說,高溫高壓下巖石力學(xué)的研究成為當(dāng)前巖石力學(xué)研究的重點。根據(jù)前人的研究[3-6],溫度會改變巖石的微觀結(jié)構(gòu),弱化其固體骨架結(jié)構(gòu),從而劣化巖石的力學(xué)性能;在圍壓的加持下,煤巖的原生孔隙裂隙閉合,增加了煤巖的承載能力。在這種熱力耦合作用下,煤巖的力學(xué)特性不僅僅是溫度和圍壓對其影響的簡單疊加,而是呈現(xiàn)出更加復(fù)雜的演化規(guī)律。萬志軍等[7]曾研究了無煙煤和氣煤在500 m 原巖應(yīng)力下室溫至600 ℃,煤體彈性模量隨溫度的變化,認為隨著溫度的增高,煤體彈性模量降低,并且發(fā)現(xiàn)在升高至500 ℃左右,煤體已不再是標(biāo)準的彈性體。但在巖石失穩(wěn)強度的判斷中,巖石的峰值抗壓強度也是1 個重要的判斷指標(biāo)。陰偉濤等[8]在研究粗、細粒花崗巖的彈性模量的過程中,發(fā)現(xiàn)粗粒花崗巖的彈性模量和熱變形受溫度的變化更大,認為在粗粒的花崗巖中,發(fā)生的熱破裂越明顯;武晉文[9]通過對中高溫三軸下的魯灰花崗巖進行聲發(fā)射研究,認為120 ℃左右是花崗巖發(fā)生熱破裂的門檻值溫度,并且在三軸作用下,升高溫的過程中,發(fā)生了裂縫愈合和二次破裂。對比于無煙煤的力學(xué)特性,其內(nèi)在的裂隙結(jié)構(gòu)也是影響其破壞特征的關(guān)鍵因素,無煙煤自身裂隙結(jié)構(gòu)較為完全;在三軸升溫的過程中,內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變化同樣也是復(fù)雜的。為此,通過對10 MPa 靜水壓力下,無煙煤(室溫~300 ℃)全應(yīng)力應(yīng)變曲線研究;300 ℃條件下,無煙煤(單軸15 MPa)全應(yīng)力應(yīng)變曲線研究;以及先升溫500 ℃然后降溫至300 ℃條件下,無煙煤(單軸15 MPa)全應(yīng)力應(yīng)變曲線研究,得出各個條件下的彈性模量以及峰值強度,通過300 ℃條件下的主應(yīng)力σ1、σ2、σ3畫出莫爾圓,判斷300 ℃條件下和500 ℃降溫值300 ℃條件下,無煙煤的黏聚力和內(nèi)摩擦角是否發(fā)生變化,來判斷高溫對無煙煤的影響是否為可逆影響。

        1 實驗設(shè)備與步驟

        1.1 實驗設(shè)備

        實驗系統(tǒng)是太原理工大學(xué)原位改性采礦教育部重點實驗室自主研發(fā)的伺服實驗裝置,核心部件為高溫三軸應(yīng)力室,實驗設(shè)備可以模擬研究在600 ℃范圍內(nèi)不同地應(yīng)力(圍壓、軸壓)下的三軸應(yīng)力實驗。實驗機圍壓采用注入高度壓縮氣體施加(優(yōu)點是側(cè)向受力均勻,σ2=σ3),軸壓為液壓傳動,軸向和側(cè)向載荷獨立加載,采用光柵尺精確測量巖樣變形,精度為0.001 mm。加熱系統(tǒng)為電加熱棒加熱,用程序控制加熱速度,為防止快速升溫導(dǎo)致巖石內(nèi)部發(fā)生溫度梯度而減小熱沖擊效果對無煙煤產(chǎn)生的影響,從而設(shè)置加熱速度為6 ℃/h。溫度采集系統(tǒng)采用K 型熱電偶測定,熱電偶放置在煤巖之外的銅套外。

        1.2 試樣與實驗步驟

        本次實驗所采集煤樣來自晉城礦區(qū),屬沁水盆地南部,煤化程度屬無煙煤,煤質(zhì)較硬,鉆取煤試樣以無煙煤的垂直層理方向取心,截取φ50 mm×100 mm 的圓柱體,并磨平試樣的2 個端面,去掉含有弱面的試件,得到無煙煤標(biāo)準樣。

        1)測量試樣尺寸,放于紫銅套中,并按操作規(guī)程安裝于反應(yīng)釜內(nèi)。

        2)在常溫條件下,固定圍壓對試件軸向加載,加載速度為0.08 MPa/s,收集整個破壞過程中的應(yīng)力應(yīng)變曲線。

        3)重新測量并安裝其他試樣,當(dāng)溫度到達300℃時,待保溫4 h,然后再重復(fù)操作步驟2)。

        4)溫度升高到500 ℃,然后將加熱棒的溫度控制在300 ℃,當(dāng)熱電偶的溫度顯示為300 ℃時,保溫4 h,然后再重復(fù)操作步驟2)。

        2 實驗結(jié)果

        2.1 不同圍壓下的熱變形特征

        在升溫至測試溫度條件下的過程中,記錄下來無煙煤在整個升溫過程中的軸向應(yīng)變。無煙煤在不同靜水壓力條件下的熱應(yīng)變?nèi)鐖D1。

        圖1 無煙煤在不同靜水壓力條件下的熱應(yīng)變Fig.1 Thermal strain of anthracite under different hydrostatic pressure conditions

        在萬志軍等[10]和王霞等[11]先前所做的研究中,認為花崗巖和褐煤在升溫的過程,巖石發(fā)生的升溫膨脹變形可分為3 個階段。同樣地,無煙煤在不同靜水壓力條件下的升溫過程中,無煙煤的熱變形也均分為3 個階段。

        1)低溫緩慢變形階段。在室溫-50 ℃內(nèi),不同靜水壓力條件下,無煙煤沒有發(fā)生明顯的熱變形。

        2)中高溫快速變形階段。在50 ℃之后,應(yīng)變開始發(fā)生相對明顯的變化。在不同的靜水壓力條件下,無煙煤的快速變形階段的閾值溫度范圍不同,5 MPa 靜水壓力條件下的溫度范圍是50~460 ℃、10 MPa 靜水壓力條件下的溫度范圍是50~405 ℃、15 MPa 靜水壓力條件下的溫度范圍是50~360 ℃。無煙煤在不同靜水壓力條件下的熱膨脹系數(shù)如圖2。在中高溫快速變形的階段,無煙煤的熱膨脹系數(shù)也不同,總體上,無煙煤的熱膨脹系數(shù)隨著靜水壓力的增加而減小。

        圖2 無煙煤在不同靜水壓力條件下的熱膨脹系數(shù)Fig.2 Thermal expansion coefficient of anthracite under different hydrostatic pressure conditions

        3)超高溫平緩階段。無煙煤在升高至一定溫度后,熱應(yīng)變隨著溫度而發(fā)生緩慢的變形。部分無煙煤試樣隨著溫度的增加出現(xiàn)了略微的收縮(即熱膨脹系數(shù)小于0),根據(jù)萬志軍等[7]和馮子軍等[12]研究,無煙煤在超高溫的條件下不再是標(biāo)準的彈性體,而且由于無煙煤發(fā)生了低溫?zé)峤?,無煙煤中一部分固體有機質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w隨滲透管擴散到空氣中,導(dǎo)致無煙煤在超高溫條件下,不會有明顯的膨脹變形甚至部分試樣會出現(xiàn)收縮。

        2.2 溫度和靜水壓力作用下無煙煤的破壞特征

        通過模擬地下400 m 埋深(靜水壓力10 MPa)不同溫度(室溫和100、200、300 ℃)下無煙煤,以及300 ℃下不同埋深(靜水壓力0、5、10、15 MPa)下無煙煤的力學(xué)破壞。得出了各個試驗條件下的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線。10 MPa 不同溫度條件下無煙煤的全應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3,300 ℃不同靜水壓力條件下無煙煤的全應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖4。因為本研究是模擬無煙煤在靜水壓力條件下的力學(xué)破壞(初始壓力狀態(tài)為σ1=σ2=σ3),所以僅做出σ1≥σ2=σ3部分的應(yīng)力應(yīng)變曲線。

        圖3 10 MPa 下不同溫度全應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.3 Full stress-strain curves at different temperatures at 10 MPa

        圖4 300 ℃下不同靜水壓力全應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.4 Full stress-strain curves of different hydrostatic pressure at 300 ℃

        2.2.1 靜水壓力作用下無煙煤的破壞特征

        1)在靜水壓力為10 MPa 時,由于長時間的受壓狀態(tài),使無煙煤中的孔裂隙閉合,相較于單軸壓縮實驗,10 MPa 下的應(yīng)力應(yīng)變曲線中不存在壓密階段。

        2)在10 MPa 靜水壓力下,無煙煤發(fā)生的破壞均為脆性破壞。即在應(yīng)力達到峰值強度的一瞬間,會發(fā)出一聲脆響,然后應(yīng)力馬上出現(xiàn)大幅度降低,到達殘余應(yīng)力狀態(tài)。在10 MPa 靜水壓力下,無煙煤的初始應(yīng)力和應(yīng)變相同,比較峰值應(yīng)變,可以得出,隨著溫度的增加,峰值應(yīng)變在減小。

        3)溫度對無煙煤的強度起到弱化作用。表現(xiàn)在,隨著溫度的增高,無煙煤的彈性模量和峰值強度都有一定程度上的減小。10 MPa 靜水壓力條件無煙煤的彈性模量和峰值強度參數(shù)見表1,10 MPa、300 ℃條件下無煙煤的彈性模量和峰值強度分別是同條件室溫下的60%和56%。這在工程中會造成巨大的影響,有可能會造成固井的強度不夠,這就要求在鉆井時,更加注重支護。

        表1 10 MPa 靜水壓力條件無煙煤的彈性模量和峰值強度參數(shù)Table 1 Elastic modulus and peak strength parameters of anthracite under 10 MPa hydrostatic pressure

        2.2.2 不同溫度無煙煤的破壞特征

        1)300 ℃條件下,無煙煤的彈性模量與峰值強度隨圍壓的變化與常溫下的規(guī)律大致相同。即隨著圍壓的增加,無煙煤的彈性模量和峰值強度都增加。300 ℃條件下無煙煤的彈性模量和峰值強度參數(shù)見表2。

        表2 300 ℃條件下無煙煤的彈性模量和峰值強度參數(shù)Table 2 The elastic modulus and peak strength parameters of anthracite at 300 ℃

        2)在15 MPa 靜水壓力條件下,無煙煤在屈服階段的斜率要明顯低于其他靜水壓力條件。巖石破壞后,應(yīng)力下降的更少,且有一段類似于延性破壞中應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系(之后應(yīng)力下降的原因是,巖石破壞使得密封圍壓的紫銅套出現(xiàn)破損)。這就表明在300 ℃時,15 MPa 的圍壓使得無煙煤的破壞逐漸轉(zhuǎn)向半脆性破壞。

        3)隨著圍壓的增加,無煙煤的塑性增強,無煙煤進入塑性階段表現(xiàn)出來的彈塑性特征越發(fā)明顯。

        2.2.3 彈性模量與溫度和圍壓σ3關(guān)系

        根據(jù)劉泉聲等[13]的研究,脆性巖石的彈性模量隨溫度的變化呈二次多項式變化。用軟件Origin 對表1 和表2 數(shù)據(jù)進行擬合得到彈性模量隨溫度和圍壓σ3的變化函數(shù)E(σ3,T)為:

        式中:T 為溫度;σ3為最小主應(yīng)力;a、b、c、d、e、f為擬合系數(shù),a=1.616,b=2.97×10-2MPa-1,c=2.66×10-3MPa-2,d=1.667 GPa,e=3.34×10-4GPa/℃,f=6.22×10-6MPa/℃;E 為楊氏彈性模量。。

        3 無煙煤的熱破壞特征

        在本研究的實驗條件下,無煙煤的破壞特征仍然是脆性破壞。無煙煤300 ℃、10 MPa 靜水壓力條件下試件破壞后(圖略),主破裂面明顯且與試件長軸方向斜交;且生成了多個破碎小塊,是明顯的壓剪破壞[14]。

        根據(jù)Mohr’s Criterion 準則[15-18],認為巖石內(nèi)某一點的破壞主要決定于它的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力,即σ1和σ3。根據(jù)該理論,可以在τ-σ 的平面上,繪制一系列的莫爾應(yīng)力圓,然后做出一系列的極限應(yīng)力圓的包絡(luò)線。這條包絡(luò)線與σ 軸之間的夾角為巖石的內(nèi)摩擦角,包絡(luò)線在τ 軸上的截距為巖石的黏聚力。根據(jù)表2 中的結(jié)果,做出300 ℃時各靜水壓力條件下極限應(yīng)力圓,然后做出包絡(luò)線,300 ℃下無煙煤摩爾包絡(luò)線如圖5。

        圖5 300 ℃下無煙煤摩爾包絡(luò)線Fig.5 Molar’s envelope curves of anthracite at 300 ℃

        林睦曾[19]認為巖石是1 種導(dǎo)溫系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)比較小的脆性材料,即煤巖是1 種熱彈性巖石,類似于外界載荷對巖石的破壞,當(dāng)溫度高于某一峰值時,尤其是超高溫時,巖石就會發(fā)生不可逆的改變。在實際工程中,比如在無煙煤的原位注熱開采煤層氣過程中,會涉及到無煙煤升溫至300 ℃以及以上。這些工程當(dāng)中,有的會涉及到無煙煤再降溫過程,比如在開采煤層氣之后,原位條件下的無煙煤煤層還需要在降溫之后被采出,這時無煙煤的力學(xué)性質(zhì)是否可以恢復(fù)到原來的水平,是用來判斷后續(xù)工作的關(guān)鍵。探尋溫度對無煙煤的弱化作用是否不可逆也是十分重要的。

        在地層環(huán)境中,由于地層具有一定的保溫效果[20],煤層降溫300 ℃可能需要1 年的時間。而在實驗室中,直接降溫會因為降溫速度過快而導(dǎo)致巖石發(fā)生二次破裂。使得所測數(shù)據(jù)與實際情況嚴重不符。本研究中采用先將無煙煤試件升溫至500 ℃然后控制加熱棒溫度,使無煙煤低速降溫至300 ℃(降溫速度約10 ℃/h)。得出各個靜水壓力條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,并做出摩爾包絡(luò)線,500 ℃降溫至300 ℃下無煙煤應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖6,500 ℃降溫至300℃下無煙煤摩爾包絡(luò)線圖7。

        圖6 500 ℃降溫至300 ℃下無煙煤應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.6 Stress-strain curves of anthracite when the temperature is lowered from 500 ℃to 300 ℃

        圖7 500 ℃降溫至300℃下無煙煤摩爾包絡(luò)線Fig.7 Molar’s envelope curves of anthracite when the temperature is lowered from 500 ℃to 300 ℃

        由圖6 可知:無煙煤在升溫500 ℃然后降溫至300 ℃之后,無煙煤的彈性模量以及峰值強度都有所降低。

        由圖7 可知:相較于300 ℃無煙煤的黏聚力和內(nèi)摩擦角,升溫然后降溫至300 ℃的情況下,無煙煤的黏聚力和內(nèi)摩擦角都有一定程度上的減小。這說明溫度改變了原位條件下的無煙煤裂隙結(jié)構(gòu),這種影響類似于巖石破壞的塑性破壞,即降低溫度,無煙煤的黏聚力和內(nèi)摩擦角也無法恢復(fù)成原來條件下的狀態(tài);溫度對原位條件下的無煙煤的弱化作用有一部分是永久性的。這與劉泉聲[13]的研究結(jié)果是相符的。

        4 結(jié) 論

        1)無煙煤在300 ℃以及15 MPa 以內(nèi),發(fā)生的仍然是脆性破壞。即在破壞時會產(chǎn)生大量的能量,破壞面呈明顯的壓剪破壞特征面。

        2)無煙煤在升溫過程中,在50 ℃之后就開始發(fā)生明顯的熱變形;無煙煤的熱變形隨溫度以線性的比例膨脹;圍壓越大,無煙煤的膨脹量越小。

        3)圍壓對無煙煤的強度起保護作用;溫度對無煙煤的強度起弱化作用。主要體現(xiàn)在:無煙煤的彈性模量隨溫度的增高,呈二次多項式減小的規(guī)律;且隨著溫度的增高,無煙煤的黏聚力和內(nèi)摩擦角都會減小。

        4)溫度對無煙煤的影響有一部分是不可逆的。在升溫的過程中,高溫改變無煙煤的物理屬性與高壓改變巖石屬性相似,即在溫度冷卻后,無煙煤也無法恢復(fù)到原先的強度水平,這對無煙煤的后續(xù)開采影響巨大。

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