不同沖擊傾向煤樣表面溫度場與變形場演化特征

呂玉凱，蔣 聰,成 果,姜耀東,2

(1.中國礦業大學(北京) 力學與建筑工程學院，北京 100083；2.中國礦業大學(北京) 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京 100083)

不同沖擊傾向煤樣表面溫度場與變形場演化特征

呂玉凱1，蔣 聰1,成 果1,姜耀東1,2

(1.中國礦業大學(北京) 力學與建筑工程學院，北京 100083；2.中國礦業大學(北京) 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京 100083)

采用實驗手段，研究單軸壓縮過程中，沖擊傾向性和非沖擊傾向性煤樣表面變形場和溫度場演化特征。運用白光散斑分析方法，對樣品表面變形局部化帶演化進行數據分析，發現非沖擊傾向性煤樣局部化出現在加載的彈性階段，而沖擊傾向性煤樣出現在塑性階段，沖擊煤樣的變形場演化要較非沖擊煤樣劇烈；沖擊煤樣與非沖擊煤樣的變形局部化內部區域溫度整體較外部區域高，且變化規律基本相同，而局部化內外溫差變化與其相反；沖擊煤樣的絕對溫度變化較非沖擊樣品變化大；沖擊煤樣的溫度場對應的變形局部化演化較非沖擊煤樣簡單；基于不同煤樣的全巖礦物分析及黏土礦物成分分析，對比了沖擊煤樣與非沖擊煤樣內部晶體、非晶體及黏土礦物的含量，從而探討內部組分對宏觀溫度場和變形場的影響。

煤樣；沖擊傾向性；溫度場；變形場；X射線衍射

我國淺部煤炭資源趨于枯竭，不可避免的進入深部開采；深部開采中常呈現出開采空間大、開采擾動劇烈、煤巖體的介質屬性及應力分布復雜的現狀，易導致異常劇烈的失穩破壞發生，且不易獲取其宏觀前兆特征，為此，國內外進行了大量研究并得到許多成果[1]。在礦井深部開采時發生沖擊地壓過程中也觀測到工作面及巷道溫度變化的前兆現象[2-3]。雙軸加載實驗中，巖石失穩破壞前，其表面的平均溫度有上升—下降—再上升的演化特征[4-5]，對于預制節理的巖石，其熱場變化中，先是降溫，然后在失穩前開始升溫，該降溫時刻可以視為樣品失穩破壞前兆[6]。

煤巖體產生變形局部化的尺度范圍很大，大到由于地殼運動產生的數百公里斷層構造、小到實驗室尺度樣品均有該種現象的產生[7-8]。在實驗室尺度下，更加容易獲取各種條件的變形局部化的演化特征。在單軸壓縮條件下，基于細觀統計損傷力學的研究上，可以將巖石變形局部化分為3個階段：非均勻損傷分布、局部化損傷、破壞；在非均勻損傷分布階段，變形局部化帶中應變很小，可以忽略[9]。研究發現，樣品的剪切破壞區域是由于變形局部化帶的相對滑動所導致[10]。針對巖石的變形局部化產生機理，也進行過平面應力、應變、大變形彈塑性[11]與損傷耦合模型進行過理論推導[12]。目前對煤樣樣品破壞過程中的變形場研究多集中在裂紋尖端如何演化，如裂紋方向、長度等，較少關心即將產生或已經出現的變形局部化帶自身的演化；與此同時，溫度場也是較少涉及變形局部化內外溫度演化規律；非沖擊煤樣與沖擊傾向性煤樣是否變形場和溫度場有著不同的演化特征？以及這些不同是否與內在結構有著相互關聯？針對上述問題，筆者展開了相應的研究。

1 變形場與溫度場實驗

試驗樣品分別選自大臺井-10開采水平3號煤層和唐山礦T2193工作面。大臺井-10開采水平3號煤層為急傾斜煤層，平均角度45°～88°，平均埋深820 m，歷史上沒有發生過沖擊地壓事故，基本無沖擊危險；唐山礦T2193工作面屬8,9號合區煤層，其平均厚度10 m，傾角11°，埋深688.2 m，單軸抗壓強度19.7 MPa、彈性指數7.58、沖擊能量指數3.1，具有中等以上的煤巖沖擊失穩危險傾向[2]。

測試樣品采用蠟封處理并用濕式加工法在實驗室內加工為50 mm×50 mm×50 mm(長×寬×高)的立方體試樣，每種煤層制成3塊，共6塊煤樣。

所構建的實驗平臺如圖1所示。該系統主要包括加載系統、熱紅外溫度場監測系統及變形場監測系統；其中加載系統采用CSS-44100電子萬能材料試驗機，最大荷載為100 kN、試驗機精度為±0.5%。熱紅外監測系統采用AVIO生產的熱紅外成像儀，采集頻率5張/s、靈敏度0.08、輻射系數0.92；變形場監測系統采用Basler A641f CCD相機，分辨率為1 624像素×1 236像素拍攝、采集速率為15幀/s。

圖1 實驗系統Fig.1 Experimental system

以平行于試樣節理的平面作為加載的上下端面，在樣品前后觀測面中選取較平整一面作為變形場與溫度場的監測面，從兩類煤樣中各選取具有代表性的一組進行研究。其中變形場和溫度場均是對整個觀測平面進行了監測，觀測面上任何一處的數據均可以提取分析。

2 實驗結果

2.1 變形場演化特征

試樣在單軸加載條件下，經歷彈性變形階段、微破裂穩定發展階段、塑性變形階段及破裂后階段。TS-2試樣各階段應力-應變曲線如圖2(a)所示。AB為彈性變形階段，BC為微破裂穩定發展階段，CD為塑性變形階段；A點處應力為0.198 MPa(0.048 1 με)；B點處應力為1.341 2 MPa(0.052 1 με)；C點處應力為5.606 4 MPa(0.057 44 με)；D點處應力為8.404 4 MPa(0.060 88 με)。

圖3(a)為TS-2試樣加載過程中表面變形場在各應力階段的時空演化云圖。從圖3(a)中可以發現：在單軸荷載8.008 8 MPa(0.061 6 με)時，變形局部化開始在樣品的中下部顯現；在加載應力為8.008 8～8.271 2 MPa(0.061 6～0.060 56 με)階段，變形局部化由靠近底端的區域逐漸向上擴展、直至形成較完整條帶；在加載應力8.271 2～8.318 0 MPa(0.060 56～0.060 68 με)階段，底端的變形局部化始終要明顯于其它位置處，也預示著試樣最先在該處發生破壞，并向上導升。TS-2樣品的變形局部化帶產生、形成于塑性階段，并最終破壞。

圖2(b)所示為DT-3煤樣單軸加載應力、應變曲線。其中AB為彈性變形階段，BC為微破裂穩定發展階段，CD為塑性變形階段；A處應力1.052 4 MPa(0.021 28 με)；B處應力3.22 MPa(0.025 98 με)；C處應力6.056 MPa(0.030 2 με)；D點處的應力為6.938 4 MPa(0.032 56 με)。

圖2 TS-2和DT-3煤樣應力-應變曲線Fig.2 Stress-strain curves of TS-2 and DT-3 coal specimen

圖3(b)為試樣加載過程中不同應力時刻對應的表面變形場演化云圖。從圖3(b)中可以發現：煤樣在單軸荷載2.710 8 MPa(0.025 06 με)時，變形局部化才開始顯現；加載到5.264 4 MPa(0.029 1 με)時，第1條變形局部化條帶已經基本成型；加載到4.525 2 MPa(0.028 με)時，第2條變形局部化帶開始出現，6.427 2 MPa(0.031 1 με)時基本成型；在局部化現象出現后，加載應力的小幅度增加可以引起變形場較劇烈的演化；在應力達到6.736 4 MPa(0.031 9 με)時，變形局部化區域形成并貫通試樣。右邊變形局部化條帶由上向下發生演化，而左側局部化條帶則整體完全顯現，并逐漸加強。DT-3樣品在彈性階段，就已經出現變形局部化現象，在微破裂穩定發展階段，基本成型；第2條在塑性變形階段形成。

圖3 TS-2和DT-3煤樣變形場演化云圖Fig.3 Deformation field nephogram of TS-2 and DT-3 specimen

2.2 溫度場演化特征

由于單軸加載過程中煤樣表面溫度變化范圍較小，且易受周圍環境影響，為此，實驗過程中對環境場也進行了監測。實驗前壓機支座溫度為18.6 ℃、實驗后壓機支座溫度為17.8 ℃、實驗前TS-2試樣溫度為19.6 ℃、實驗室溫度為18.2 ℃、濕度為24%。

通過對監測的溫度場進行數據處理，得到TS-2試樣的表面溫度場的時空演化特征。圖4(a)為不同應力時刻對應的TS-2試樣表面溫度演化云圖。可以發現：樣品表面溫度變化范圍在1 ℃范圍內；開始加載到6.000 8 MPa階段，溫度整體上升；隨后開始降低；加載過程中樣品的中部溫度較邊緣要高，究其原因，本質上是由于煤樣材料的非均勻性，其內部的缺陷、微裂隙、孔隙結構等多種因素影響下，煤體失穩破壞過程中隨荷載的增加其內部的微裂隙出現拉伸、閉合及錯動等反復的過程，以至于在溫度場中體現為溫度高低的變化。

圖5(a)為TS-2試樣在單軸壓縮條件下的變形局部化帶內外溫度變化曲線，當試樣微應變為0.057 94時刻，對應的變形局部化帶內溫度為28.6 ℃、外部溫度為28.56 ℃(6.052 MPa)，樣品的變形局部化帶內、外部及表面平均溫度均達到最大值，該時刻處于煤樣的塑性變形階段；與樣品初始溫度相比，內部升高9 ℃、外部升高8.96 ℃。在微應變0.057 94前，溫度急劇增大；當微應變為0.060 78時刻，內部溫度為28.54 ℃、外部溫度為28.49 ℃(8.37 MPa)，樣品的變形局部化帶內、外部及表面平均溫度均達到最小值，減去樣品初始溫度，內部升高6.74 ℃、外部6.69 ℃。而在微應變達到0.060 88時，煤樣達到最大破壞應力時刻。在樣品進入塑性階段后，溫度出現先增大→增大到最大值→減小→減小到最小值，當減小到最小值時刻，預示著樣品即將失穩破壞。

圖4 TS-2和DT-3煤樣表面溫度場演化云圖Fig.4 Surface temperature field nephogram of TS-2 and DT-3 specimen

圖5 TS-2和DT-3試樣變形局部化帶內外溫度曲線Fig.5 Temperature inside and outside deformation localization band of TS-2 and DT-3 coal specimen

圖6 TS-2和DT-3試樣變形局部化帶內外溫度差值變化散點圖Fig.6 The temperature difference between inside and outside deformation localization band of TS-2 and DT-3 coal specimen

為了進一步研究變形局部化帶內外溫度差異隨加載的變化規律，特繪成圖6(a)。由圖6(a)可知，TS-2變形局部化內外溫度最大差異為0.057 5 ℃，發生在0.060 34 με(8.131 6 MPa)時刻；平均溫差為0.045 1 ℃，最小差異為0.033 2 ℃，發生在0.060 68 με時刻(8.322 8 MPa)；隨著軸向應變的增加，煤樣的變形局部化帶內外溫差開始減小；在0.057 94 με前，溫差整體減小，并減小到極小值，與表面溫度增大規律相反；在0.057 94～0.060 78 με階段，溫差整體增大，與表面溫度呈現減小趨勢相反。

究其原因，可能是荷載增加，原生裂隙、空隙壓密，導致變形局部化內外區域溫差減小；而隨著荷載繼續增大，裂隙開始演化，空氣介質的作用，導致變形局部化內外溫差增大。

實驗前DT-3試樣溫度為21.8 ℃、實驗前壓機支座溫度為19.4 ℃、實驗后為19.4 ℃、實驗室溫度為18.6 ℃、濕度為26%。

圖4(b)為不同應力時刻對應的試樣表面溫度演化云圖。從圖4(b)可發現：當加載應力從5.634 4～6.382 8 MPa時，試樣表面溫度逐漸升高，且在應力達到6.382 8 MPa時達到最大值；之后開始降低；試樣表面的平均溫度呈現明顯的區域化，左側溫度最高、中間次之、右側最低。

圖5(b)為試樣在單軸壓縮條件下變形局部化帶內外溫度變化曲線，從圖5(b)可以看出，當試樣微應變為0.030 98(6.374 MPa)時刻，對應的變形局部化帶內溫度為29.26 ℃、外部溫度為29.2 ℃，且與表面平均溫度均達到最大值；與樣品初始溫度相比，內部升高7.46 ℃、外部升高7.4 ℃；之后，隨著荷載繼續增加，樣品的變形局部化帶內、外部及表面平均溫度均呈現逐漸減小的趨勢。在微應變為0.032 42時刻，樣品的內部溫度為29.183 2 ℃、外部溫度29.139 9 ℃，之后，溫度整體有上升趨勢，較樣品初始溫度而言，其內部升高7.38 ℃、外部升高7.34 ℃；在0.030 98～0.032 42 με階段，樣品處于塑性階段，當達到0.032 56 με時，達到最大破壞應力時刻。

如圖6(b)所示，加載到0.030 98 με前，溫差整體減小，并減小到極小值，與表面溫度增大規律相反；0.030 98～0.032 42 με階段，溫差整體增大，與表面溫度呈現減小趨勢相反。

2.3 變形局部化帶內外溫度演化特征

在觀測試樣表面變形局部化附近選取測點，以研究溫度變化同時來探究變形場如何演化，圖7中測點均為隨機選取，由于規律相似，故只用其中一組測點進行分析；同理，變形局部化帶內外溫度變化規律較相似，故文章中只研究其內部溫度變化規律。

如圖8(a)所示，在微應變達到0.057 94時，溫度達到最大值，變形局部化內部區域平均溫度為28.6 ℃，外部區域平均溫度為28.56 ℃，相對拉伸分量為-0.018 4 mm，相對滑動分量為-0.085 6 mm；在微應變達到0.058 3時，相對滑動分量出現一次突變，為-0.074 7 mm；微應變為0.060 5時，相對拉伸分量及滑動分量均呈現快速變化，其中相對拉伸分量達到-0.007 1 mm、相對滑動分量達到-0.139 mm；變形局部化內部區域溫度為28.545 ℃、外部為28.504 ℃。

圖7 樣品變形局部化帶內測點選取示意Fig.7 The measuring points schematic of deformation localization band of specimen

圖8 TS-2和DT-3試樣溫度場-變形場變化曲線Fig.8 The temperature-deformation curves of TS-2 and DT-3 specimen

圖8(b)為DT-3樣品變形局部化區域內溫度、相對滑動分量及相對拉伸分量變化曲線。從圖8(b)可以看出：當試樣微應變為0.030 98時刻，變形局部化帶內溫度為29.26 ℃、外部溫度為29.2 ℃，與表面平均溫度均達到最大值，相對應的拉伸分量為0.395 1 mm、相對滑動分量為0.186 4 mm；微應變達到0.032 28時，相對拉伸分量為0.863 3 mm、相對滑動分量為0.203 9 mm，相對應的變形局部化內部區域溫度為29.2 ℃、外部為29.15 ℃。

試樣失穩破壞前變形局部化區域內外溫度出現升高可能由于其相對拉伸主導或由相對滑動所主導；而溫度要比變形場變化要靈敏，分析原因可能是由于試樣已經在內部產生變形局部化現象，然后演化擴展到外表面，而試樣表面溫度監測已經包括了樣品內部局部化產生引起的溫度改變。

3 細觀實驗

3.1 實驗設備及方法

為了研究不同沖擊傾向煤樣表面溫度場與變形場的演化規律與其內部礦物含量間的關系，進行了相應的細觀實驗。如圖9所示，實驗設備為日本理學D/max-2500PC全自動粉末X射線衍射儀，采用全巖礦物分析和黏土礦物分析兩種測試方式。實驗參數：CuKα靶，管壓40 kV、管流150 mA、發散狹縫1 mm、接收狹縫0.16 mm、步進式掃描、步寬0.04°、掃描速度為2(°)/min、選用低角度衍射、2θ(衍射角)為4°～64°。受到外界環境影響，煤中會含有各類無機礦物，為此在測試前須對煤樣進行去除碳酸鹽和硅酸鹽等處理，使其不影響實驗結果。

3.2 全巖礦物測定結果

采用X射線能譜法來獲取全巖礦物實驗數據。經過數據經處理，可得圖10所示的衍射圖譜曲線。

圖9 實驗樣品及設備Fig.9 Experimental specimens and equipments

圖10 全巖礦物X射線衍射圖譜Fig.10 Whole rock mineral X-ray diffraction of specimens

基于上述分析，可得樣品中的礦物質含量及黏土礦物總量，見表1。分析發現：樣品中礦物均主要以非晶質為主；黏土礦物含量TS-2煤樣較高，約占8.3%，DT-3樣品含量較低，為8.0%。兩種煤樣的非晶質礦物含量要占絕對優勢，黏土礦物只占少量比例。

表1全巖礦物X射線分析結果
Table1AnalysisresultsofwholerockmineralX-raydiffraction

編號礦物種類和含量/%石英軟水鋁石斜長石方解石白云石非晶質黏土礦物總量/%DT-30 40 391 38 0TS-25 10 49 310 871 28 3

3.3 黏土礦物分析結果

黏土礦物通常是指粒徑小于2 μm含水的層狀硅酸鹽礦物，各樣品所含黏土礦物種類及相對含量見表2,煤樣黏土礦物X射線譜圖如圖11所示。

表2黏土礦物X射線衍射分析結果
Table2Analysisresultsofclaymineraldiffraction

編號黏土礦物相對含量/%伊利石高嶺石綠泥石DT-31783TS-2100

圖11 煤樣黏土礦物衍射圖Fig.11 Clay mineral diffraction of coal specimens

分析結果表明：DT-3煤樣黏土礦物主要為綠泥石，占83%，還有17%的伊利石；TS-2煤樣黏土礦物為高嶺石。從黏土礦物膨脹性方面考慮，伊蒙混層為強膨脹性礦物，而高嶺石的膨脹性相對較小。

基于上述分析，發現TS-2煤樣的非晶質含量要明顯少于DT-3煤樣，而晶體的含量要多于DT-3煤樣。非晶質含量多的煤樣，更多的表現出煤的非均質特性，DT-3煤樣中富含石英，增加了其硬度；而TS-2煤樣中，含有更多的軟水鋁石、斜長石、方解石、白云石，硬度雖然有所降低，但晶體種類含量較豐富。黏土礦物含量方面，DT-3煤樣的伊蒙混層較唐山礦的高嶺石的膨脹性要強。

4 結 論

(1)沖擊傾向性煤樣的變形局部化帶出現較突然。其出現在樣品塑性變形階段，而非沖擊性煤樣在彈性階段就已經出現變形局部化現象，在微破裂穩定發展階段，基本成型。

(2)沖擊與非沖擊煤樣進入塑性階段后，兩者其變形局部化區域內外溫差變化均與溫度變化規律相反；沖擊與非沖擊煤樣變形局部化帶內外溫差變化規律相似；沖擊煤樣在變形局部化區域內外溫度升高的絕對值要大于非沖擊煤樣，且極小值溫度也要小于非沖擊煤樣，表明沖擊煤樣在相同的加載條件及環境場下，沖擊煤樣溫度變化較非沖擊煤樣劇烈，幅度也大，釋放出更多的內能。

(3)試樣失穩破壞前變形局部化區域內外溫度出現升高可能由于其變形局部化區域相對拉伸主導或由相對滑動所主導；而溫度要比變形場變化靈敏。沖擊煤的溫度變化主要對應變形局部化相對滑動分量，與相對拉伸基本無關；而非沖擊煤樣溫度變化則與相對拉伸和滑動均密切相關。

(4)沖擊煤樣的非晶質含量要明顯少于非沖擊煤樣，而晶體的含量要多于非沖擊煤樣；沖擊煤樣的晶體種類更加多樣化；黏土礦物含量兩者基本相同，非沖擊煤樣的黏土礦物膨脹性要較強些。

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Evolutionofthesurfacetemperaturefieldanddeformationfieldofdifferentimpactpronenesscoalspecimens

Lü Yu-kai1，JIANG Cong1,CHENG Guo1,JIANG Yao-dong1,2

(1.SchoolofMechanicsandCivilEngineering，ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing)，Beijing100083,China；2.StateKeyLaboratoryofCoalResourcesandSafeMining,ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing)，Beijing100083,China)

It took experimental methods to study the evolution characteristics of surface deformation field and temperature field of coal specimens with uniaxial compression.The impact and non-impact proneness propensity coal specimens were selected to research.The white light speckle method was used to analysis the surface deformation localization evolution of the specimens.It can be concluded that the deformation localization of non-impact proneness coal specimens appeares in elastic stage;but the impact proneness one appeares in plastic stage;the impact one is more severe than the non-impact one for deformation field.The temperature within the deformation localization is higher than outer region,and the same variation for both the impact and non-impact proneness propensity coal specimens;however,the temperature difference between inside and outside localized has an opposite variation;the absolute temperature of impact specimens has a bigger change than the non-impact ones;deformation field corresponding temperature field,which the impact ones are latter simply.Based on the whole rock mineral analysis and clay mineral composition analysis of different coal specimens,internal crystal,amorphous and clay mineral content were compared between impact and non-impact coal specimens,so as to explore the influence of the macroscopic temperature field and deformation field caused by the internal components.

coal specimens;impact proneness;temperature field;deformation field;XRD

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0009

國家重點基礎研究發展計劃(973)資助項目(2010CB226801)

呂玉凱(1982—)，男，山西大同人,博士，博士后。E-mail：lvyukai2006@126.com

TD313

A

0253-9993(2014)02-0273-07

呂玉凱，蔣 聰,成 果,等.不同沖擊傾向煤樣表面溫度場與變形場演化特征[J].煤炭學報,2014,39(2):273-279.

Lü Yukai，Jiang Cong,Cheng Guo,et al.Evolution of the surface temperature field and deformation field of different impact proneness coal specimens[J].Journal of China Coal Society,2014,39(2):273-279.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0009