高溫作用后原煤、型煤力學及聲發射特性對比試驗研究

趙 亮，趙耀江，郭勝亮，陳春諫，潘玉婷，王 浩

(1.太原理工大學安全與應急管理學院，山西 太原 030024；2.太原理工大學礦業工程學院，山西 太原 030024)

隨著我國煤炭開采深度不斷增加，地熱、地壓等已成為影響煤礦安全生產的熱點問題之一。因此，研究煤樣在溫度作用下力學及聲發射特性規律對煤礦安全生產有著重要意義。

聲發射信號是由于材料受外力作用使其內部結構發生變化，從而導致材料內部應力突然重新分布，使機械能轉化為聲波信號。通過聲發射系統的監測，反饋回的各項指標參數蘊含諸多信息，同時與力學分析相結合，可以反映煤樣在變形破壞過程中內部結構的變化情況。對于煤巖聲發射特性的研究已經有大量成果發表。曹樹剛等[1-2]研究認為煤樣內部結構變化情況在常規單軸和三軸壓縮作用下有很大差異，在圍壓的作用下，聲發射信號在彈性階段明顯減弱；蘇承東等[3]在常規壓縮試驗的基礎上，通過控制軸壓、圍壓的加載方式分析了煤樣在采動影響下的力學及聲發射特性；張朝鵬等[4]制備不同層理角度的煤樣，研究其單軸壓縮試驗下的聲發射特征；肖旸等[5]對高溫作用后的原煤進行單軸壓縮聲發射試驗，分析熱應力對原煤的影響機制。

目前的研究大多針對應力作用下煤樣的聲發射特性進行分析研究，對高溫作用后煤樣力學及聲發射特征的研究尚不清楚。同時，原煤在制備過程中受自身及其他因素影響難以達到實驗標準，因此，能否用型煤代替原煤去做相應的試驗研究就顯得尤為重要。本試驗對比分析了高溫作用下原煤、型煤力學及聲發射特性規律，為探究溫度對煤體作用機制提供理論基礎，為型煤代替原煤做高溫試驗研究提供參考。

1 試驗設備及方案

1.1 試驗設備

試驗所采用的單軸壓縮試驗裝置主要包括主機、計算機控制系統及液壓裝置。聲發射系統采用美國物理聲學公司12CHsPCI-2全數字化聲發射檢測系統。儀器與具體安裝操作如圖1所示。

1.2 試驗樣品

煤樣取自山西焦煤集團馬蘭礦18506工作面，煤種為焦煤。

原煤樣品制備：使用砂線切割機床將采集的煤樣切割成Ф50×100得標準試件，隨后用砂紙加工打磨，使試件兩邊不平度誤差不超過0.02 mm。將制作好的煤樣A1、A2、A3放入真空箱內保存，防止其氧化。

型煤樣品制備：將制備原煤所殘余的煤樣粉碎，通過篩網選取0.250～0.180 mm的煤粉，取25 g水泥凝結劑與235 g煤粉混合均勻后放入模具，利用型煤制備儀器以15 MPa的壓力(保持4 h)將煤粉擠壓成型，后經打磨制作成標準的Ф50×100煤樣B1、B2、B3。 通過測量計算，煤樣基本參數見表1。

圖1 聲發射系統與單軸壓縮聲發射試驗Fig.1 Acoustic emission system and uniaxialcompression AE test

表1 試件基本參數Table 1 Basic parameters of specimens

1.3 試驗方案

將上述制備好的煤樣分成三組(A1和B1、A2和B2、A3和B3)，依次放入恒溫干燥箱中，隨后通入氮氣作為保護氣體防止在加熱過程中氧化變質，三組溫度分別設置為20 ℃、100 ℃、200 ℃恒溫加熱6 h，在充有保護氣體的干燥箱中冷卻至室溫，隨后進行單軸壓縮聲發射試驗。

2 試驗結果及分析

2.1 原煤、型煤變形及強度對比分析

圖2為三組煤樣在20 ℃、100 ℃、200 ℃下全應力-應變曲線。由圖2可知，原煤、型煤在不同溫度處理后的應力-應變曲線變化走勢規律具有一致性，煤樣在加載過程中共經歷四個階段：壓密階段、彈性階段、屈服階段、峰后破壞階段。圖2(a)型煤在200 ℃峰值強度達到最大值，但其應變值要小于經100 ℃處理的煤樣，說明型煤隨高溫處理后，煤體抗壓強度隨溫度的升高而增加；圖2(b)原煤隨處理溫度的升高應力-應變曲線整體下移縮短，直觀表明原煤隨處理溫度的升高，其整體強度顯著降低。

圖2 煤樣應力-應變曲線Fig.2 Stress-strain curve of coal sample

壓密階段，應力-應變曲線隨著加載的不斷進行斜率逐漸增大，由于軸向應力的作用，煤樣內部原生孔-裂隙受擠壓作用開始緩慢閉合；彈性階段，煤樣原生孔-裂隙在進一步閉合過程中使其內部結構失穩，從而導致新生裂紋的產生，原煤在該變形區間隨著溫度的升高而縮短；屈服階段，曲線斜率減小，這是由于隨著裂隙不斷發育擴張，各細小裂隙之間融會貫通，形成宏觀破裂面，從而導致煤樣破壞，應力曲線到達峰值；峰后破壞階段，當煤樣整體抗壓強度無法承受軸向應力加載時。煤樣整體結構崩壞，軸向應力呈直線下降，殘余應力較小，脆性特性明顯。

由圖2和表2可知，原煤的峰值強度隨著試驗溫度的升高，呈下降趨勢，峰值應變也隨之減小；但型煤的峰值強度逐漸增大，在同一處理溫度下，原煤的峰值應力小于型煤。這是由于型煤在制備過程中受技術條件及黏合劑的影響，導致制備出的型煤樣品內部孔裂隙較多且顆粒成分多樣，在高溫作用下不同膨脹系數的礦物顆粒發生膨脹使原有孔裂隙得以填充，試件力學特性得到了較大的提升；此外，含水率方面型煤大于原煤，溫度的上升使煤樣內部結合水逸出，導致型煤強度增大。由于原煤的不均性且較型煤更加致密，在高溫作用下受熱應力作用，導致內部裂隙大量發育破壞其結構的穩定性，從而使原煤強度降低。

表2 煤樣峰值強度Table 2 Peak strength of coal sample

2.2 原煤、型煤聲發射特征對比分析

圖3為20 ℃、100 ℃、200 ℃下原煤、型煤聲發射振鈴計數-時間-應力曲線，原煤、型煤聲發射活動大致可分為3個階段：聲發射初始階段、聲發射穩定階段、聲發射爆發階段。由此可以得出以下規律。

圖3 不同溫度下原煤、型煤聲發射計數-時間-應力曲線Fig.3 Acoustic emission count-time-stress curves of raw coal and briquette at different temperatures

聲發射初始階段與應力-應變曲線壓密階段相對應。在施加載荷的過程中，煤樣內部受擠壓作用的影響，原生孔-裂隙開始緩慢閉合，同時少量煤基質顆粒之間相互摩擦，產生少量聲發射事件，此階段原煤、型煤聲發射信號較微弱；且在施加軸向應力初期，原煤聲發射信號出現一段“空白期”，這是由于型煤在制備過程中仍無法達到原煤的致密程度，在軸向應力加載初期，原煤內部結構未發生較大變化。

聲發射穩定階段，應力-應變曲線斜率出現突變點，在曲線拐點附近原煤、型煤聲發射信號發生較大波動，聲發射振鈴計數激增，原煤較型煤激增現象明顯；在應力-應變曲線拐點之后到屈服破壞階段之前，原煤、型煤的聲發射信號未發生較大波動處于相對穩定狀態，且高溫處理后的煤樣與常溫煤樣相比，拐點發生前移現象。這是由于在拐點之前，煤樣內部結構變化以原生孔-裂隙壓密為主；拐點之后，隨著應力增加，煤樣內部破壞形式主要以新生孔-裂隙的產生和發育為主，在煤樣內部主要破壞形式發生轉變時，結構產生較大改變從而導致聲發射信號激增，且由于原煤自身結構的復雜性與不均質性導致原煤激增現象較型煤明顯。在高溫處理后，由于熱應力作用導致型煤、原煤原生孔-裂隙增加，所以拐點出現前移。

隨著加載持續進行，當軸向載荷超過煤樣承受極限時，試樣進入聲發射爆發階段。煤樣內部產生大量裂紋間隙，隨著細小裂隙不斷發育導致煤樣內部結構失穩，煤樣遭到破壞，該階段聲發射信號活躍。原煤、型煤最大振鈴計數稍滯后于峰值應力，且隨著試驗溫度升高，原煤在20 ℃、100 ℃和200 ℃破壞時的最大振鈴計數分別為6 489次、13 061次和14 769次，呈增大趨勢；型煤在20 ℃、100 ℃和200 ℃破壞時的最大振鈴計數分別為11 206次、18 124次和11 865次，呈先增大后減少趨勢，100 ℃時達到最大值。

圖3(a)型煤應力-時間在120 s左右出現拐點，圖3(c)和圖3(e)型煤曲線分別在50 s、95 s左右出現拐點，且三條曲線拐點之后曲線斜率明顯降低，說明拐點之前試件內部結構未遭受強烈破壞，且隨加載進行，應力值快速攀升，斜率較大；拐點之后加載作用對煤樣內部結構破壞較為嚴重，應力增長放緩，斜率降低；由于高溫對煤樣有致裂作用，因此高溫處理后拐點前移。圖3(b)和圖3(d)原煤加載初期聲發射信號出現“空白期”，且二者應力-時間曲線走勢規律基本與先前所述型煤一致，但拐點前移幅度大于同溫度梯度型煤煤樣，這是由于原煤自身結構的復雜性與不均質性導致熱應力對其內部結構破壞更加嚴重。圖3(f)原煤無明顯拐點，其曲線整體斜率較大且聲發射信號活躍，這是由于200 ℃高溫產生的熱應力對原煤破壞十分嚴重，煤樣內部孔-裂隙發達，煤體整體抗壓強度顯著降低。

通過對煤樣聲發射計數-時間-應力關系曲線深入分析研究，諸多學者提出損傷強度的概念來反應煤樣內部裂紋發育擴張的應力極限。損傷強度是煤樣聲發射累計計數-時間曲線的斜率突變點所對應的應力值。圖3(a)～圖3(e)突變點明顯可通過數據定位確定其損傷強度，由于圖3(f)無明顯突變點，防止實驗人員主觀誤差，通過構造線性輔助線來確定其平均損傷強度，煤樣損傷強度見表3。可以看出，原煤隨著溫度的升高損傷強度逐漸降低；型煤損傷強雖然出現上下波動，但高溫處理后型煤的損傷強度較常溫相比明顯下降。經對比可知，損傷強度值正好處于應力-時間曲線拐點附近，進一步驗證了拐點的出現標志著煤樣內部新生孔-裂隙發育擴張開始占主導地位，內部結構開始大面積破壞。

表3 煤樣損傷強度Table 3 Damage strength of coal sample

3 結 論

1) 相同處理溫度下，型煤的峰值強度大于原煤，隨著試驗溫度的升高，原煤的峰值強度與損傷逐漸降低，峰值應變也隨之減小；但型煤的峰值強度逐漸增大，且高溫處理后型煤的損傷強度較常溫相比降低。

2) 軸向加載初期，型煤、原煤聲發射信號較低，且原煤較型煤信號出現一段“空白期”，隨著試驗溫度的升高，原煤最大振鈴計數增大，型煤則先增大后減少，100 ℃時達到最大值。

3) 應力-時間曲線拐點附近，原煤、型煤聲發射信號產生較大波動，聲發射振鈴計數激增，原煤較型煤激增現象明顯，且高溫處理后的煤樣與常溫相比，拐點前移。

4) 原煤、型煤在加載過程中聲發射信號的差異性間接表明了兩者結構的差異，對比高溫作用后兩者力學及聲發射特征規律上的不同，更加說明高溫作用后原煤內部產生的熱應力對結構破壞的劇烈程度。 原煤、型煤高溫處理后拐點的出現及附近聲發射信號激增標志著煤巖內部裂紋大面積產生，據此可對礦井可能發生動力學災害部位及時做好預防措施。

4 原煤-型煤力學對比試驗結論對于煤體破裂預測預警的意義

通過對原煤-型煤力學聲發射特性對比試驗結論進行分析，對煤礦安全生產具有如下實際指導意義。

井下煤體在受到應力作用時內部結構變化大致分為兩個階段：原生孔-裂隙壓密階段和新生孔-裂隙的發育擴張。其中以新生孔-裂隙發育擴張為主導地位的結構破壞形式伴隨著煤體強度的降低與內部結構大面積破壞，直觀表現為應力-應變曲線拐點后曲線斜率明顯降低，拐點附近聲發射信號明顯激增，損傷強度值正好處于應力-時間曲線拐點附近。因此，應力-應變曲線拐點的出現及聲發射信號的激增標志著煤體結構主要破壞形式的轉變，此后新生孔-裂隙發育占主導地位，煤體內部結構開始大面積破壞，此時井下煤體結構易失穩破碎，孔-裂隙的不斷發育又可導致煤層中瓦斯大量涌出，對于煤礦安全是重大隱患。在實際開采過程中為保障礦井安全生產，應對井下主要隱患部位(采掘工作面等)進行應力-應變拐點與聲發射信號激增現象的實時監測，對于礦井可能發生煤與瓦斯突出部位提前采取預防措施，及時對該區域煤巖進行整體加固，對煤礦生產起到安全保障作用。

同時，隨著溫度的升高，煤樣拐點前移及原煤峰值強度的降低，說明溫度直接影響煤體強度；雖然型煤應力峰值強度隨溫度升高增大，但經高溫處理的型煤損傷強度降低，表明煤體內部裂紋發育擴張的應力極限隨溫度升高降低，煤體較常溫在應力作用下更容易破壞。因此在采掘工作面等地區應對煤體溫度進行實時檢測，防止由于地熱、機電散熱及采掘工作的進行使煤體溫度升高，導致煤體失穩從而引發礦井動力學災害。