低溫凍結石門揭煤煤體溫度及力學性能變化規律研究

周震， 翟成

(1.中國礦業大學 安全工程學院， 江蘇 徐州 221116；2.中國礦業大學 煤礦瓦斯治理國家工程研究中心， 江蘇 徐州 221116)

0 引言

石門揭煤是我國煤礦井下重要的巷道掘進工程之一。石門揭煤時煤與瓦斯突出強度大，且80%以上的特大型煤與瓦斯突出均發生在石門揭煤過程，對煤礦造成嚴重破壞[1-2]。根據煤與瓦斯突出機理，煤體的力學強度是決定石門揭煤時能否抵擋煤與瓦斯突出動力的主要因素[3-4]。因此，為降低石門揭煤過程中煤與瓦斯突出危險性，結合人工凍結技術，國內外學者提出低溫凍結石門揭煤方法[5-6]。在低溫凍結作用下，煤體內部孔隙、裂隙中的水凍結成冰，冰的膠結作用可增強煤體的黏聚力，從而提高煤體的力學強度，使煤體狀態更加穩定[7]。葉青等[8]提出了采用注液凍結技術增強石門揭煤煤體的強度、增加集中應力區和卸壓區的長度來防止煤體發生流變而導致煤與瓦斯延時突出；馮濤等[9-10]通過凍結成型煤樣力學實驗論證了注液凍結法作為石門揭煤防突方法的可行性；謝雄剛等[11-12]采用RFPA2D系統和ANSYS數值模擬軟件，分別建立了石門揭煤凍結煤層過程氣固耦合數學模型及溫度場數值模擬計算模型；翟成等[13]探究了低溫凍結石門揭煤過程中煤體未凍水含量的變化規律。筆者通過試驗研究了低溫凍結石門揭煤煤體溫度及力學性能變化規律，對低溫凍結石門揭煤方法的工程實踐具有一定的指導作用。

1 試驗方案

1.1 煤樣制備

試驗采用型煤代替原煤，將煤粉、水泥、石膏、黃沙按配比1∶2∶2∶1混合并加入適量的水攪拌均勻后倒入立方體模具，待漿液成型后進行脫模，制作5個100 mm×100 mm×100 mm的煤樣。由于銅的導熱性能良好，熱傳導速率快，所以使用U形銅管作為導熱介質，使液氮從U形銅管一端注入，液氮通過U形銅管有效吸收煤樣中的熱量，汽化產生的氮氣從U形銅管另一端排出。4個煤樣預埋U形銅管，煤樣通過U形銅管持續向液氮放出熱量，從而使煤樣逐漸被凍結；1個煤樣不預埋U形銅管作為對比試驗組。通過真空加壓飽水裝置、電熱鼓風干燥箱和電子天平控制煤樣含水率為7%～9%[14-16]，以便對煤樣進行凍結。

1.2 試驗步驟

(1) 將4個預埋U形銅管煤樣的U形銅管與液氮罐通過管閥相連，擰開液氮罐閥門對U形銅管注入液氮使煤樣分別凍結15，30，45，60 min。在U形銅管垂直平分線上距煤樣邊緣1/4處插入熱電偶，再將熱電偶與溫度傳感器相連，通過溫度傳感器測量煤樣內部溫度。液氮溫度為-196 ℃，與煤樣的溫度差遠大于煤樣與周圍環境之間的溫度差，因此熱交換主要發生在液氮與煤樣之間，且注液氮凍結前在煤壁貼上保溫棉，煤樣與周圍環境的熱交換可忽略不計。

(2) 用紅外熱成像儀測量未預埋U形銅管煤樣及凍結后煤樣的表面溫度。

(3) 在煤樣側面沿橫向、縱向貼上應變片，將應變片與應變儀相連，在MTS電液伺服萬能試驗機上進行單軸壓縮試驗(設軸向位移速率為0.1 mm/min)，測量煤樣單軸壓縮過程產生的應力應變。

試驗過程如圖1所示。

圖1 試驗過程Fig.1 Experiment process

2 試驗結果及分析

2.1 煤樣溫度變化

不同凍結時間下煤樣內部溫度變化曲線如圖2所示，結果見表1。

(a) 凍結15 min

表1 不同凍結時間下煤樣內部溫度Table 1 Internal temperature of coal samples under different freezing time

可看出凍結過程中煤樣內部溫度持續降低，即凍結時間越長，煤樣內部溫度降低量越大；凍結60 min時，煤樣內部溫度由25.33 ℃降低到-34.95 ℃，溫度降低量達60.28 ℃，凍結效果較好。

不同凍結時間下煤樣表面溫度變化云圖如圖3所示。從圖3可看出：① 原始煤樣表面幾何中心溫度為23.45 ℃，凍結15，30，45，60 min后，表面幾何中心溫度依次為10.28，10.07，5.38，-7.30 ℃；原始煤樣表面最低溫度為22.02 ℃，凍結15，30，45，60 min后，表面最低溫度依次為8.01，7.71，4.11，-10.10 ℃；原始煤樣表面最高溫度為24.16 ℃，凍結15，30，45，60 min后，表面最高溫度依次為16.53， 14.31，16.86，8.42 ℃；原始煤樣表面平均溫度為23.36 ℃，凍結15，30，45，60 min后，表面平均溫度依次為12.05，10.92，8.60，-1.67 ℃。這表明隨著凍結時間的增加，煤樣表面幾何中心溫度、表面最低溫度、表面最高溫度和表面平均溫度均呈下降趨勢。② 煤樣表面最低溫度位于U形銅管附近，煤樣表面最高溫度位于煤樣邊界。這是由于液氮與煤樣內部的熱交換以U形銅管為中心逐漸向四周擴散，U形銅管附近煤的熱量最先被液氮吸收，處于煤樣邊界煤的熱量最后被液氮吸收。

(a) 未凍結

2.2 煤樣力學性能變化

不同凍結時間下煤樣應力-應變曲線如圖4所示，煤體在整個單軸壓縮過程中依次經歷壓密、彈性變形、屈服和破壞4個階段[17-18]。從圖4可看出，壓密階段隨著凍結時間的增加而縮短，未進行凍結的煤樣在壓密階段應變達1.655 4%，凍結15，30，45，60 min的煤樣在壓密階段應變分別降到了0.932 8%， 0.388 0%，0.170 8%，0.271 6%，這是由于凍結作用使煤孔隙中的水凝固成冰，壓密階段應變減小；在彈性變形階段和屈服階段，煤樣的最大應力隨著凍結時間的增加而增大，這是由于煤樣內部的水凍結成冰，冰對煤樣內部基質顆粒的膠結作用和孔隙的充填作用明顯，并且凍結時間越長，煤樣凍結程度越高，提高了煤樣的力學強度。

圖4 不同凍結時間下煤樣應力-應變曲線Fig.4 Stress-strain curves of coal samples under different freezing time

不同凍結時間下煤樣最大應力和彈性模量見表2，并采用多項式擬合方式繪制曲線，如圖5所示。可看出隨著凍結時間的增加，煤樣的最大應力和彈性模量均呈增大趨勢；凍結60 min后，最大應力由2.074 MPa增大到4.252 MPa，增幅為105%，彈性模量由0.403 GPa增大到0.621 GPa，增幅為54.1%。

表2 不同凍結時間下煤樣最大應力和彈性模量Table 2 Maximum stress and elastic modulus of coal samples under different freezing time

圖5 不同凍結時間下煤樣最大應力和彈性模量變化曲線Fig.5 Variation curves of maximum stress and elastic modulus of coal samples under different freezing time

3 結論

(1) 隨著凍結時間的增加，煤樣內部及表面溫度呈下降趨勢；煤樣表面最低溫度位于U形銅管附近，煤樣表面最高溫度位于煤樣邊界。

(2) 煤體在整個單軸壓縮過程中依次經歷壓密、彈性變形、屈服和破壞4個階段。在壓密階段，隨著凍結時間的增加，煤樣應變逐漸減小，壓密階段縮短；在彈性變形階段和屈服階段，隨著凍結時間的增加，煤樣最大應力和彈性模量均呈增大趨勢。