單軸壓縮下低溫冷凍原煤的變形及聲發射特征試驗研究

樊國偉，尚軍寧

（1.運城職業技術學院 教學礦井，山西 運城044000；2.中國礦業大學（北京）能源與礦業學院，北京100083）

隨著國家能源戰略的西移，西部礦區已成為我國主要的煤炭生產基地[1-2]。西部礦區煤層地質條件相對簡單，開采難度相對較小。但隨著開采深度的增加，煤層瓦斯含量與地應力相應升高，煤層滲透率降低，瓦斯抽采的難度加大。現有的煤層增透技術主要包括深孔爆破、水力壓裂、低溫凍結及超臨界氣體壓裂等。由于低溫凍結增透技術具有低能耗和無污染的優勢受到廣泛關注。因此，迫切需要開展低溫凍結條件下煤巖體的物理力學性質研究，為西部礦區高瓦斯煤層的瓦斯抽采提供理論依據。近年來，眾多學者在低溫凍結煤巖的物理力學性質方面開展了大量的研究，取得了較為豐富的研究成果[3-13]。這些成果多是針對巖石和型煤進行的研究，涉及凍結作用下原煤物理力學性質的研究相對較少。因此，以西部礦區布爾臺礦4-2煤為研究對象，分別對自然狀態和自然飽水原煤進行低溫冷凍，對冷凍處理后的2 組煤樣與未經冷凍處理的1 組煤樣開展單軸壓縮聲發射試驗，對3 種不同狀態下煤樣的強度及變形特征進行分析，并對變形破壞過程中的聲發射特征與損傷演化規律展開研究。該成果為低溫凍結增透技術在西部礦區高瓦斯煤層中的應用提供理論基礎。

1 試驗描述

1.1 樣品制備

試驗選用樣品取自內蒙古布爾臺煤礦4-2煤層，屬侏羅系中下統延安組，平均煤層厚度為3.78 m，平均埋深為401 m，煤樣視密度為1.3 g/cm3。根據工業分析結果，煤樣的水分含量為9.97%，揮發分含量為26.43%，灰分含量為1.2%，固定碳含量為62.39%，屬于煙煤。

為降低試驗數據的離散型，在選取煤樣時，應盡量克服視缺陷結構較多的煤樣，并在同一塊煤樣上取樣加工。根據國際巖石力學學會的建議，將煤塊制作成直徑為25 mm，高度為50 mm 的圓柱體煤樣。煤樣兩端面垂直于圓柱軸向，最大偏差不超過0.25°，端面的不平整度不大于0.1 mm。將加工好的煤樣分為自然狀態（標記為N），自然冷凍狀態（NF）和飽水冷凍狀態（SF）3 組，每組3 個煤樣，并依次編號，其中自然狀態為對照組，然后對煤樣的高度、直徑及質量進行測量并對其密度進行計算，煤樣物理力學參數見表1。

1.2 試驗設備

單軸壓縮試驗在北京市計算中心力學實驗室完成，試驗設備，包括WDW-100E 型萬能試驗機測試系統和美國物理聲學公司（PAC）生產的PCI-Ⅱ型聲發射監測系統。為有效獲得不同處理條件下煤樣的全應力應變曲線并分析其力學性質變化規律，試驗過程中，采用軸向位移控制加載方式，設定加載速率恒定為0.1 mm/min。聲發射系統的信號門檻值和采樣率分別設置為40 dB 和1 MHz。利用耦合劑和膠帶將聲發射傳感器固定于煤樣表面，保證兩者充分接觸且不脫落。

表1 煤樣物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of coal samples

1.3 試驗方案

通過對煤樣進行處理，獲得不同狀態下的試驗樣品。對于飽水冷凍煤樣處理，首先對標號為SF 的煤樣進行飽水處理，采用自由吸水法，將煤樣完全浸泡在水中，在72 h 內，每隔2 h 取出樣品，擦干表面水分后用天平稱重并記錄，煤樣的吸水質量-時間曲線如圖1。

圖1 煤樣吸水質量-時間曲線Fig.1 Coal sample water absorption quality-time curves

由圖1 可以看出，吸水時間在40 h 時，該組樣品基本達到飽和狀態。待煤樣完全飽水后，采用保鮮膜包裹密封，立刻與另外一組標號為NF 的自然煤樣放入冰箱冷凍室中進行冷凍處理，冷凍溫度為-20 ℃，冷凍時間為24 h。

試驗中確保聲發射系統與萬能試驗機系統在時間上一致，然后開始對煤樣進行加載，聲發射系統同步開始采集聲發射信號，直至煤樣發生破壞，停止加載，并對相關數據進行存儲。對于經過低溫冷凍處理的煤樣，為了保證冷凍效果，直到試驗前才從冷凍室取出，然后立即進行試驗，并在試驗過程中忽略環境溫度對其產生的影響。

2 試驗結果

2.1 低溫冷凍下原煤的強度及變形特征

按照抗壓強度公式對3 種狀態下的煤樣進行計算，不同狀態下煤樣單軸抗壓強度如圖2。不難看出低溫冷凍處理后的煤樣抗壓強度出現一定程度降低，未經冷凍處理的自然煤樣的平均抗壓強度最大，為22.62 MPa，而自然冷凍煤樣為19.47 MPa，較未冷凍狀態強度下降13.93%；飽水冷凍煤樣的平均抗壓強度最小，為16.96 MPa，較未冷凍自然煤樣強度下降25.02%。其主要原因是低溫條件下煤樣內部的水緩慢結冰，體積膨脹對原始煤樣產生損傷，致使煤樣完整性降低，故抗壓強度相應降低，且含水量越多，抗壓強度下降越多。

圖2 不同狀態下煤樣單軸抗壓強度Fig.2 Uniaxial compressive strength of coal samples in different conditions

不同狀態下煤樣應力-應變曲線如圖3。從圖3可以看出，低溫冷凍處理后的煤樣變形趨勢與自然狀態下基本一致，依次可分為壓密階段、彈性變形階段、塑性變形階段和峰后破壞階段。在加載初期處于壓密階段，煤樣內部孔隙、裂隙等原生缺陷在外部載荷作用下開始閉合，導致該階段變形增加較快，曲線出現上凹；隨著載荷繼續增加，原生缺陷基本閉合，開始進入彈性階段，該階段應力與應變呈線性關系；隨著載荷繼續增大，曲線開始偏離原來的直線，進入塑性階段，內部開始產生微裂紋；隨著載荷增大至峰值載荷，進入破壞階段，煤樣內部微裂紋快速貫通，形成宏觀裂紋，煤樣破壞。

圖3 不同狀態下應力-應變曲線Fig.3 Stress-strain curves in different conditions

與自然狀態下的煤樣相比，冷凍處理后煤樣的壓密階段曲線斜率降低，且飽水冷凍狀態下最小。對比不同狀態煤樣的峰后階段，可以看出：自然狀態下煤樣的曲線最長，呈階梯式跌落，表現出一定的脆性；而飽水冷凍狀態下煤樣的曲線最短，呈直接跌落，煤樣直接破壞，脆性明顯增強。出現以上現象的主要原因是低溫冷凍條件下煤樣內部水緩慢結冰，由于水的反膨脹現象造成體積增大，導致煤樣完整性降低，故在較低載荷下樣品內部出現裂隙閉合，產生較大變形；飽水煤樣在冷凍處理時，出現較大的損傷，煤樣的完整性較差，脆性隨含水量的增加相應增強，因此峰后曲線表現出迅速跌落；可以看出，初始煤樣的完整性越低，其脆性越強。

不同狀態下煤樣破壞形態如圖4。從圖4 可以看出，自然狀態下的破碎煤樣塊度較大，而經過低溫冷凍處理后煤樣的破碎程度明顯增加，且飽水冷凍狀態下破碎程度最高，主要原因是含水煤樣在低溫冷凍過程中由于膨脹導致的損傷降低了煤樣的完整性，內部裂隙發育，達到峰值載荷后，煤樣更容易破碎。

2.2 低溫冷凍下原煤的聲發射特征

煤巖在其變形破壞過程中會以彈性波（聲發射）的形式向外界釋放能量[14]，通過對聲發射參數進行分析可以更好地認識煤巖變形破壞特征。利用AE win 軟件對聲發射波形信號進行處理，得到聲發射參數時間序列，由于聲發射數據較多，以下僅對通道1 的聲發射參數展開分析。

圖4 不同狀態下煤樣破壞形態Fig.4 Coal sample failure patterns under different conditions

不同狀態下煤樣載荷、撞擊率、損傷隨時間演化如圖5。由圖5 可以看出，低溫冷凍處理后煤樣的撞擊率隨時間演化規律與自然狀態下的煤樣基本一致：加載初期因內部原生缺陷及冷凍膨脹裂隙閉合產生少量的聲發射，撞擊率相應較小；彈性階段僅產生少量的聲發射，撞擊率較低；隨著載荷的繼續增加，進入塑性變形階段，內部裂紋擴展，產生的聲發射較多，撞擊率相應增大；臨近峰值載荷處，聲發射大量產生，撞擊率達到最大值，可作為煤樣的破壞前兆；而峰后階段則由于裂紋擴展貫通會產生一定的聲發射信號。

其存在的差異主要為：加載初期自然狀態和自然冷凍狀態下的煤樣僅產生少量聲發射，撞擊率較小；而飽水冷凍狀態下產生較多的聲發射，撞擊率較大，其主要原因是飽水冷凍煤樣內部冷凍膨脹形成較多裂隙，在外部載荷作用下冷凍膨脹裂隙及原生缺陷閉合產生聲發射的較多，對應撞擊率較大。同樣低溫冷凍處理后煤樣最大撞擊率也相應增高，自然狀態下最小，僅為49，而自然冷凍狀態下為54，較自然狀態下增加10.20%，飽水冷凍狀態下最大撞擊率最大，為60，較自然狀態下增加22.45%。主要原因是低溫冷凍作用致使煤樣內部產生膨脹裂隙，在外部載荷作用下，內部裂紋產生和擴展活動更加頻繁，故產生的聲發射較自然狀態下多，撞擊率較大。

2.3 低溫冷凍下原煤的損傷演化特征

巖石在破壞變形過程中的聲發射反映了其內部裂紋萌生、擴展和貫通破壞的演化過程，因此可以采用聲發射參數來定義損傷變量[15-16]。用聲發射累計能量來定義損傷。

圖5 不同狀態下煤樣載荷、撞擊率、損傷隨時間演化Fig.5 Evolution of coal sample load, hit rate and damage with time under different conditions

從圖5 可以看出，不同狀態的煤樣損傷隨時間的演化趨勢基本不發生變化，依次可分為初始損傷階段、損傷緩慢階段、快速損傷階段和峰后損傷階段。在加載初期，因內部冷凍膨脹裂隙及原生缺陷閉合產生一定的損傷，損傷緩慢增加，處于初始損傷階段；進入彈性階段后，內部產生彈性可恢復變形，僅產生少量聲發射，損傷基本保持恒定，處于損傷緩慢階段；進入塑性變形階段后，內部裂紋不斷擴展，聲發射快速增加，損傷快速增加，處于快速損傷階段，臨近峰值載荷時，損傷出現明顯的臺階上升，可作為煤樣的破壞前兆；而在峰后階段，煤樣破壞卸壓，因此損傷緩慢增加。

相比于自然煤樣，低溫冷凍處理后的煤樣壓密階段和峰后階段出現一定變化，飽水冷凍狀態下壓密階段損傷增加較多，而自然冷凍狀態下增加較少，主要是含水量越高，冷凍處理過程中產生的冷凍膨脹裂隙越多，壓密階段聲發射活動越頻繁，損傷積累越多。低溫冷凍處理后峰后階段明顯縮短，且損傷增加較少，飽水冷凍狀態下峰后損傷基本不增加，峰值載荷處煤樣發生破壞，損傷達到最大值1；而自然冷凍狀態下峰后損傷小幅增加；自然狀態下峰后損傷仍有較大增加。低溫冷凍處理后煤樣在峰值載荷處損傷演化明顯不同，自然狀態下呈多級臺階上升；而自然冷凍狀態和飽水冷凍狀態下呈單級臺階上升，損傷增長較快，對應破壞越劇烈，煤樣破碎程度越高。

3 結 論

1）低溫冷凍處理后自然和飽水煤樣較未冷凍煤樣的抗壓強度會降低，分別降低13.93%和25.02%，脆性明顯增強；冷凍煤樣變形趨勢基本不變，但壓密階段載荷-位移曲線斜率會降低。

2）低溫冷凍處理后自然和飽水煤樣撞擊率演化規律與未冷凍煤樣基本一致，但加載初期飽水煤樣撞擊率明顯增大；自然和飽水煤樣的最大撞擊率較未冷凍煤樣大，分別增加10.20%和22.45%。

3）低溫冷凍處理后自然和飽水煤樣損傷演化規律與未冷凍煤樣基本一致，但飽水冷凍狀態下壓密階段損傷增加較多；低溫冷凍處理后峰后損傷階段明顯縮短，且該階段損傷增加較少。

4）低溫冷凍處理后煤樣在峰值載荷處損傷演化明顯不同，自然狀態下呈多級臺階上升；而自然冷凍狀態和飽水冷凍狀態下呈單級臺階上升，損傷增長較快，對應破壞越劇烈，煤樣破碎程度越高。