熱力耦合作用下長焰煤的熱變形規律試驗研究

王 霞，馮子軍

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

我國的能源種類包括煤炭、石油、天然氣，其中煤炭資源儲量豐富，據第三次全國煤炭預測工作表明，煤炭保有儲量達10032.6億t[1]，低變質煤約占一半以上[2]。低變質煤包括：褐煤、長焰煤、不粘煤，也包括部分弱粘結煤和1—3號氣煤，其中長焰煤占低變質煤的40%左右[3，4]。根據2025年中國能源消費結構預測，可知未來幾年煤炭的消費仍在半數或半數以上[5]。因低變質煤灰分高、揮發分高、含水率高、熱值低等缺點，目前，僅用于火力發電，其附加值較低，易造成一系列環境問題。如何合理有效利用和開采低變質煤，成為當今社會的熱點問題。隨著煤體原位開采方法的提出[6，7]，在煤體原位開采和地下氣化、液化過程中，煤層的變形問題尤為突出。因此，研究煤體在高溫三軸應力下的熱變形和熱膨脹系數的演化規律對煤層開采具有重要意義。

諸多學者對于花崗巖[8-10]、砂巖[11，12]、石灰巖[13]、油頁巖[14]等的熱變形演化規律進行了大量表征。由于煤中有機質的影響，其熱變形演化規律[15-22]相對巖石更為復雜。文獻[16]通過試驗研究發現了煤體熱膨脹的閾值溫度為383K。文獻[17-20]應用高溫三軸壓力機表征了不同地區的褐煤、亮煤在室溫～400℃的熱變形演化規律，表明不同煤種的熱變形規律差異性較強。文獻[22]研究了大尺寸(?200mm×400mm)無煙煤在原巖應力下的熱變形規律，研究表明：無煙煤的熱變形隨溫度變化分為三個階段：熱膨脹階段、緩慢壓縮階段、劇烈壓縮階段；無煙煤脆性機制轉變為韌性機制的臨界溫度范圍在400～450℃。煤的熱變形規律和巖石有所不同，煤體韌性機制和脆性機制會對煤體的變形產生影響[23]。煤的塑性變形隨煤變質程度的增高而逐漸降低，并逐漸消失[24，25]。

綜上可知，對于煤熱變形的研究集中于褐煤、無煙煤，對于長焰煤在高溫三軸應力下的熱變形規律研究的較少。文獻[26]指出深部開采的原巖應力趨于靜水應力，對于不同深度煤體的熱變形具有重要意義。而低變質煤原位注熱開采油氣技術中煤體處于高溫三軸應力耦合作用，研究其熱變形對煤體液化和氣化的研究有重要意義。本文利用太原理工大學原位改性采礦教育部重點實驗室自主研制的伺服控制多功能高溫三軸巖石試驗機對山西典型低變質煤中的長焰煤進行試驗研究，揭示了長焰煤三軸應力下的熱變形規律，闡述了溫度和三軸壓力對熱變形的影響機理，為低變質煤原位注熱開采油氣技術中熱解滲流通道的變形提供數據支持。

1 試驗方法及試驗設備

1.1 試驗樣品

試樣長焰煤煤樣取自山西河保偏煤田，從采煤工作面截取大塊長焰煤煤樣，并用砂線切割機以垂直層理方向取芯，切割，兩端磨平，加工成?50mm×100mm的標準樣，以供測試及分析。長焰煤煤樣工業分析和元素分析結果見表1。

表1 長焰煤煤樣工業分析和元素分析 %

1.2 試驗設備

試驗設備為伺服控制多功能高溫三軸巖石試驗機，如圖1所示。試驗機由系統控制平臺、高溫三軸應力室、加熱系統組成。試驗機的軸壓由液壓站伺服控制，加載的最大主應力可達600MPa；圍壓由高純度氮氣加載。試驗機的升溫系統由11組加熱棒均勻加熱，最高溫度可達600℃；實驗過程中，軸向變形數據由光柵尺實時采集，該試驗機可進行高溫高壓下巖石和煤體的滲流和力學特性試驗。

圖1 伺服控制多功能高溫三軸巖石試驗機

1.3 試驗方法

1)每次試驗前多次測量試件尺寸，然后按照試驗規程安裝于三軸試驗機中。

2)將軸壓和圍壓加載至應力預設值。按照軸壓—圍壓的順序循環逐級加載，加載完畢，開始升溫變形試驗，升溫速率為24℃/h。

3)試驗過程中，試樣的溫度、軸向壓力、軸向變形以及時間數據由電腦數據采集系統實時自動采集。

2 高溫三軸壓力下長焰煤熱變形規律分析

2.1 長焰煤熱變形規律

以巖石壓縮變形為正，膨脹變形為負，長焰煤軸向變形隨溫度變化規律如圖2所示。

圖2 長焰煤試樣溫度與軸向應變

由圖2可知，軸向變形在整個升溫過程中總體為負，表明長焰煤在500℃范圍內持續處于熱膨脹變形。根據熱膨脹變形將其分為兩個階段：

第一階段(室溫～400℃)：室溫至100℃時，煤樣的熱膨脹變形較小，如1#試樣在150℃時的膨脹量為1.96mm；2#試樣溫度小于77.4℃時，其變形量為0，當溫度為100℃時熱膨脹量僅為0.46mm。溫度小于100℃的熱變形主要由膨脹引起的，隨著溫度逐漸升高，煤樣在短時間內快速膨脹。煤樣內部礦物膨脹導致煤樣的體積膨脹，表現為煤樣宏觀上的軸向變形增加。100～400 ℃時，當溫度到達400℃時，1#試樣的熱膨脹量達到了9.68mm，試樣的總變形量是100℃變形量的4.9倍；2#試樣的熱膨脹量為8.49mm。此階段煤體的熱變形包括：煤基質的膨脹和熱解。在三軸壓力下，煤基質的膨脹會導致煤體內部孔隙裂隙閉合；熱解過程中產生的熱解氣，會將煤樣的孔隙和裂隙通道打開，400℃之前，煤體在三軸壓力下的熱解速率較小，此階段煤的體積膨脹和熱解使煤的膨脹速率達到了相對穩定階段。

第二階段：400℃～終溫，煤樣的熱膨脹量持續增加，膨脹速率減小。隨著溫度升高至450℃，1#、2#試樣熱膨脹變形量分別為10.61mm、9.7mm。1#試樣在500℃時熱膨脹量達到了11.31mm，最終軸向變形達到1.1%左右。煤體溫度大于400℃時，煤樣的熱解速率加快，產氣量增加，導致部分基質收縮。由于長焰煤的變質程度較低，熱解產氣量較少，導致熱解時基質的收縮量與熱膨脹量相比較小，煤樣整體還是表現為熱膨脹。溫度到達500℃時，熱解產氣量對長焰煤固體骨架的影響較小，所以在整個試驗過程中，長焰煤表現為持續熱膨脹。

2.2 長焰煤熱膨脹系數演化規律

長焰煤是一種變質程度較低的煤，根據文獻[24]煤構造變形的韌性機制發生在煤階較低的煤中。巖石的熱膨脹系數是指巖石試件溫度升高1℃在長度方向上引起的應變量[27]。假設：長焰煤煤樣的熱應變在彈性范圍內。煤樣的熱膨脹系數可以由式(1)得出：

式中，α(T，σV)為熱膨脹系數，10-5/℃；ΔL為軸向相對變形量，mm；T為溫度，℃；L為試樣原長，mm；σV為體積應力，MPa。

長焰煤在熱力耦合作用下的軸向熱膨脹系數如圖3所示。煤樣的線性熱膨脹系數隨著溫度的升高逐漸升高；隨著地應力增大，熱膨脹系數減小，如地應力為7.5MPa時，軸向熱膨脹系數整體小于5MPa。

圖3 長焰煤在熱力耦合作用下的軸向熱膨脹系數

根據圖3，可以將煤樣的線性熱膨脹系數分為三個階段。第一階段：熱膨脹系數開始升高的溫度節點隨地應力的增加而增大。1#地應力為5MPa，初始溫度17.7℃，18.1℃時熱膨脹系數開始增大；2#地應力7.5MPa，初始溫度16.9℃，77.4℃時熱膨脹系數開始增大。地應力的增大，制約了煤體的熱膨脹，熱應力和體積應力有一段相互平衡階段，使得熱膨脹系數保持不變。

第二階段：熱膨脹系數隨著溫度的升高快速增加。1#試樣18.1～100℃，熱膨脹系數隨溫度升高幾乎呈直線增加；2#試樣77.4～200℃，熱膨脹系數也隨著溫度的升高大幅度升高。

第三階段：熱膨脹系數隨溫度的升高緩慢增加。1#試樣在100～400℃時，線性熱膨脹系數由1.96×10-5/℃變化至2.42×10-5/℃；2#試樣在200～450℃，線性熱膨脹系數由1.76×10-5/℃升至2.15×10-5/℃。試樣在此階段線性熱膨脹系數的變化幅度較小，增幅僅為 0.22%左右。

1#試樣的溫度大于400℃時，煤樣的軸向熱膨脹系數有一定程度的降低。1#試樣在400℃時的線性熱膨脹系數為2.42×10-5/℃，500℃時的線性熱膨脹系數為2.27×10-5/℃。

長焰煤熱膨脹系數隨著溫度的升高可分為三個階段，且與溫度之間可用分段函數表示，見表2。

表2 長焰煤熱膨脹系數的分段擬合表

2.3 三軸壓力對長焰煤熱變形規律的影響

三軸壓力對煤樣的熱變形具有抑制作用，由圖2可知，長焰煤煤樣的軸向應變隨地應力的增大而增大。地應力為7.5MPa時的軸向應變均高于地應力為5MPa時的軸向應變。

室溫～100℃時，煤樣在地應力5MPa和7.5MPa時，100℃內的軸向應變分別為-1.96×10-2、-0.46×10-2。1#試樣從室溫升至100℃，煤樣持續膨脹；2#試樣溫度小于77.4℃時，由于地應力和熱應力平衡，煤樣沒有發生形變；當溫度大于77.4℃時，熱應力大于地應力，煤樣膨脹，軸向應變減小。

100℃～終溫，1#、2#試樣的軸向應變隨著溫度的升高而減小。300℃時長焰煤煤樣的軸向應變分別為：-0.695×10-2、-0.576×10-2；溫度在450 ℃時，長焰煤煤樣的軸向應變分別為-1.061×10-2、-0.97×10-2。由此可知，地應力為7.5MPa時的軸向應變均高于地應力為5MPa時的軸向應變。當地應力增大時，對煤體的約束增加，從而阻礙了煤體的熱膨脹變形。通過數據對比可以發現長焰煤的熱變形隨著地應力的增大，變形量逐漸減小；變形速率隨著地應力的增大而減小。

由圖3可知，長焰煤煤樣熱膨脹系數與地應力存在閾值，小于閾值溫度熱膨脹系數快速增大；當溫度超過閾值溫度時，煤樣線性膨脹系數的增速較慢。地應力在5MPa、7.5MPa時的線性熱膨脹系數閾值分別為100℃、200℃。

花崗巖的膨脹系數峰值在570 ℃左右；安山巖的膨脹系數峰值在250℃[27]。長焰煤煤樣的熱膨脹系數峰值與溫度、地應力有關，由圖3可知：地應力為5MPa時，煤樣的熱膨脹系數峰值在400℃，地應力在7.5MPa時，熱膨脹系數峰值對應的溫度高于450℃。

3 長焰煤和無煙煤熱變形特征對比

在三軸壓力下，煤的熱變形均是由煤基質的膨脹和熱解引起的。長焰煤1#試樣和無煙煤[28]的熱應變特征規律如圖4所示。長焰煤是變質程度最低的一種煙煤，煤樣隨著溫度的升高持續膨脹。高變質煙煤——無煙煤在500m原巖應力下，隨著溫度的升高先膨脹后壓縮。

圖4 1#長焰煤和無煙煤軸向應變對比

在小于200℃時，長焰煤和無煙煤都隨著溫度的升高發生熱膨脹變形。由于煤體變質程度的不同，導致長焰煤和無煙煤的軸向熱應變具有差異性，長焰煤煤樣的膨脹變形較大。溫度大于200℃時，無煙煤和長焰煤都發生熱解，但表現出了截然不同的變形特征。由于長焰煤變質程度較低，熱解氣產生量較小，熱解產氣量并沒有使煤體骨架弱化，其變形為熱膨脹；無煙煤在200℃之后，無煙煤熱解產氣量增大，大量熱解氣的產出使得無煙煤骨架被弱化，導致無煙煤發生壓縮變形。熱解產氣量的多少對煤體的骨架有很大的影響，在試驗過程中，長焰煤的熱解產氣量較少，溫度到達500℃時的熱解產氣量并沒有使長焰煤的固體骨架發生弱化，使得長焰煤整體表現為熱膨脹。

4 結 論

煤的熱變形與煤體的變質程度、試樣孔隙裂隙發育程度以及應力場、溫度場有關。通過對長焰煤煤樣在不同地應力下，熱變形和熱膨脹系數隨溫度變化的試驗研究，研究結果表明：

1)長焰煤在地應力5MPa、7.5MPa時，長焰煤在500℃內表現為熱膨脹變形，熱膨脹系數隨溫度的升高可分為三個階段：開始增加階段、快速增加階段、緩慢增加階段，與溫度之間可采用分段線性函數表示，相關性系數可達0.96。

2)三軸壓力對長焰煤的熱變形有顯著影響，壓力越高，開始產生膨脹變形的溫度點越高，1#和2#試樣開始膨脹的溫度分別為18.1℃、77.4℃；熱膨脹系數越小，7.5MPa的熱膨脹系數曲線整體趨于5MPa之下。

3)長焰煤煤樣熱膨脹系數與地應力存在閾值，小于閾值溫度熱膨脹系數快速增大；當溫度超過閾值溫度時，煤樣線性膨脹系數的增速較慢。地應力在5MPa、7.5MPa時的線性熱膨脹系數閾值分別為100℃、200℃；長焰煤的熱膨脹系數峰值與溫度、地應力有關，三軸壓力越高，峰值熱膨脹系數對應的溫度越高。煤樣在地應力5MPa時，峰值熱膨脹系數對應的溫度為400℃，7.5MPa地應力下，450℃內未出現峰值熱膨脹系數，其所需溫度可能更高。

4)長焰煤煤樣在熱力耦合作用下，煤樣的熱變形隨著地應力的增加逐漸減小，其熱變形速率也在減小。