高溫三軸作用下無煙煤的物理特征研究

杜 賡，馮子軍，徐曉鵬，董文強

（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）

巖石在單軸壓力加載下的全應力應變曲線形態變化特征可以分為5 個階段[1]，而在實際的原位開采過程中，必須涉及到靜水壓力對巖石力學性質的影響[2]。在當前工程當中，比如煤層氣的高溫注熱開采，會涉及到高溫對無煙煤力學性質的影響，以及在經歷高溫條件后無煙煤的力學性質變化規律。所以說，高溫高壓下巖石力學的研究成為當前巖石力學研究的重點。根據前人的研究[3-6]，溫度會改變巖石的微觀結構，弱化其固體骨架結構，從而劣化巖石的力學性能；在圍壓的加持下，煤巖的原生孔隙裂隙閉合，增加了煤巖的承載能力。在這種熱力耦合作用下，煤巖的力學特性不僅僅是溫度和圍壓對其影響的簡單疊加，而是呈現出更加復雜的演化規律。萬志軍等[7]曾研究了無煙煤和氣煤在500 m 原巖應力下室溫至600 ℃，煤體彈性模量隨溫度的變化，認為隨著溫度的增高，煤體彈性模量降低，并且發現在升高至500 ℃左右，煤體已不再是標準的彈性體。但在巖石失穩強度的判斷中，巖石的峰值抗壓強度也是1 個重要的判斷指標。陰偉濤等[8]在研究粗、細粒花崗巖的彈性模量的過程中，發現粗粒花崗巖的彈性模量和熱變形受溫度的變化更大，認為在粗粒的花崗巖中，發生的熱破裂越明顯；武晉文[9]通過對中高溫三軸下的魯灰花崗巖進行聲發射研究，認為120 ℃左右是花崗巖發生熱破裂的門檻值溫度，并且在三軸作用下，升高溫的過程中，發生了裂縫愈合和二次破裂。對比于無煙煤的力學特性，其內在的裂隙結構也是影響其破壞特征的關鍵因素，無煙煤自身裂隙結構較為完全；在三軸升溫的過程中，內部的結構變化同樣也是復雜的。為此，通過對10 MPa 靜水壓力下，無煙煤（室溫～300 ℃）全應力應變曲線研究；300 ℃條件下，無煙煤（單軸15 MPa）全應力應變曲線研究；以及先升溫500 ℃然后降溫至300 ℃條件下，無煙煤（單軸15 MPa）全應力應變曲線研究，得出各個條件下的彈性模量以及峰值強度，通過300 ℃條件下的主應力σ1、σ2、σ3畫出莫爾圓，判斷300 ℃條件下和500 ℃降溫值300 ℃條件下，無煙煤的黏聚力和內摩擦角是否發生變化，來判斷高溫對無煙煤的影響是否為可逆影響。

1 實驗設備與步驟

1.1 實驗設備

實驗系統是太原理工大學原位改性采礦教育部重點實驗室自主研發的伺服實驗裝置，核心部件為高溫三軸應力室，實驗設備可以模擬研究在600 ℃范圍內不同地應力（圍壓、軸壓）下的三軸應力實驗。實驗機圍壓采用注入高度壓縮氣體施加（優點是側向受力均勻，σ2=σ3），軸壓為液壓傳動，軸向和側向載荷獨立加載，采用光柵尺精確測量巖樣變形，精度為0.001 mm。加熱系統為電加熱棒加熱，用程序控制加熱速度，為防止快速升溫導致巖石內部發生溫度梯度而減小熱沖擊效果對無煙煤產生的影響，從而設置加熱速度為6 ℃/h。溫度采集系統采用K 型熱電偶測定，熱電偶放置在煤巖之外的銅套外。

1.2 試樣與實驗步驟

本次實驗所采集煤樣來自晉城礦區，屬沁水盆地南部，煤化程度屬無煙煤，煤質較硬，鉆取煤試樣以無煙煤的垂直層理方向取心，截取φ50 mm×100 mm 的圓柱體，并磨平試樣的2 個端面，去掉含有弱面的試件，得到無煙煤標準樣。

1）測量試樣尺寸，放于紫銅套中，并按操作規程安裝于反應釜內。

2）在常溫條件下，固定圍壓對試件軸向加載，加載速度為0.08 MPa/s，收集整個破壞過程中的應力應變曲線。

3）重新測量并安裝其他試樣，當溫度到達300℃時，待保溫4 h，然后再重復操作步驟2）。

4）溫度升高到500 ℃，然后將加熱棒的溫度控制在300 ℃，當熱電偶的溫度顯示為300 ℃時，保溫4 h，然后再重復操作步驟2）。

2 實驗結果

2.1 不同圍壓下的熱變形特征

在升溫至測試溫度條件下的過程中，記錄下來無煙煤在整個升溫過程中的軸向應變。無煙煤在不同靜水壓力條件下的熱應變如圖1。

圖1 無煙煤在不同靜水壓力條件下的熱應變Fig.1 Thermal strain of anthracite under different hydrostatic pressure conditions

在萬志軍等[10]和王霞等[11]先前所做的研究中，認為花崗巖和褐煤在升溫的過程，巖石發生的升溫膨脹變形可分為3 個階段。同樣地，無煙煤在不同靜水壓力條件下的升溫過程中，無煙煤的熱變形也均分為3 個階段。

1）低溫緩慢變形階段。在室溫-50 ℃內，不同靜水壓力條件下，無煙煤沒有發生明顯的熱變形。

2）中高溫快速變形階段。在50 ℃之后，應變開始發生相對明顯的變化。在不同的靜水壓力條件下，無煙煤的快速變形階段的閾值溫度范圍不同，5 MPa 靜水壓力條件下的溫度范圍是50～460 ℃、10 MPa 靜水壓力條件下的溫度范圍是50～405 ℃、15 MPa 靜水壓力條件下的溫度范圍是50～360 ℃。無煙煤在不同靜水壓力條件下的熱膨脹系數如圖2。在中高溫快速變形的階段，無煙煤的熱膨脹系數也不同，總體上，無煙煤的熱膨脹系數隨著靜水壓力的增加而減小。

圖2 無煙煤在不同靜水壓力條件下的熱膨脹系數Fig.2 Thermal expansion coefficient of anthracite under different hydrostatic pressure conditions

3）超高溫平緩階段。無煙煤在升高至一定溫度后，熱應變隨著溫度而發生緩慢的變形。部分無煙煤試樣隨著溫度的增加出現了略微的收縮（即熱膨脹系數小于0），根據萬志軍等[7]和馮子軍等[12]研究，無煙煤在超高溫的條件下不再是標準的彈性體，而且由于無煙煤發生了低溫熱解，無煙煤中一部分固體有機質轉變為氣體隨滲透管擴散到空氣中，導致無煙煤在超高溫條件下，不會有明顯的膨脹變形甚至部分試樣會出現收縮。

2.2 溫度和靜水壓力作用下無煙煤的破壞特征

通過模擬地下400 m 埋深（靜水壓力10 MPa）不同溫度（室溫和100、200、300 ℃）下無煙煤，以及300 ℃下不同埋深（靜水壓力0、5、10、15 MPa）下無煙煤的力學破壞。得出了各個試驗條件下的全應力-應變曲線。10 MPa 不同溫度條件下無煙煤的全應力應變曲線如圖3，300 ℃不同靜水壓力條件下無煙煤的全應力應變曲線如圖4。因為本研究是模擬無煙煤在靜水壓力條件下的力學破壞（初始壓力狀態為σ1=σ2=σ3），所以僅做出σ1≥σ2=σ3部分的應力應變曲線。

圖3 10 MPa 下不同溫度全應力應變曲線Fig.3 Full stress-strain curves at different temperatures at 10 MPa

圖4 300 ℃下不同靜水壓力全應力應變曲線Fig.4 Full stress-strain curves of different hydrostatic pressure at 300 ℃

2.2.1 靜水壓力作用下無煙煤的破壞特征

1）在靜水壓力為10 MPa 時，由于長時間的受壓狀態，使無煙煤中的孔裂隙閉合，相較于單軸壓縮實驗，10 MPa 下的應力應變曲線中不存在壓密階段。

2）在10 MPa 靜水壓力下，無煙煤發生的破壞均為脆性破壞。即在應力達到峰值強度的一瞬間，會發出一聲脆響，然后應力馬上出現大幅度降低，到達殘余應力狀態。在10 MPa 靜水壓力下，無煙煤的初始應力和應變相同，比較峰值應變，可以得出，隨著溫度的增加，峰值應變在減小。

3）溫度對無煙煤的強度起到弱化作用。表現在，隨著溫度的增高，無煙煤的彈性模量和峰值強度都有一定程度上的減小。10 MPa 靜水壓力條件無煙煤的彈性模量和峰值強度參數見表1，10 MPa、300 ℃條件下無煙煤的彈性模量和峰值強度分別是同條件室溫下的60%和56%。這在工程中會造成巨大的影響，有可能會造成固井的強度不夠，這就要求在鉆井時，更加注重支護。

表1 10 MPa 靜水壓力條件無煙煤的彈性模量和峰值強度參數Table 1 Elastic modulus and peak strength parameters of anthracite under 10 MPa hydrostatic pressure

2.2.2 不同溫度無煙煤的破壞特征

1）300 ℃條件下，無煙煤的彈性模量與峰值強度隨圍壓的變化與常溫下的規律大致相同。即隨著圍壓的增加，無煙煤的彈性模量和峰值強度都增加。300 ℃條件下無煙煤的彈性模量和峰值強度參數見表2。

表2 300 ℃條件下無煙煤的彈性模量和峰值強度參數Table 2 The elastic modulus and peak strength parameters of anthracite at 300 ℃

2）在15 MPa 靜水壓力條件下，無煙煤在屈服階段的斜率要明顯低于其他靜水壓力條件。巖石破壞后，應力下降的更少，且有一段類似于延性破壞中應力應變的關系（之后應力下降的原因是，巖石破壞使得密封圍壓的紫銅套出現破損）。這就表明在300 ℃時，15 MPa 的圍壓使得無煙煤的破壞逐漸轉向半脆性破壞。

3）隨著圍壓的增加，無煙煤的塑性增強，無煙煤進入塑性階段表現出來的彈塑性特征越發明顯。

2.2.3 彈性模量與溫度和圍壓σ3關系

根據劉泉聲等[13]的研究，脆性巖石的彈性模量隨溫度的變化呈二次多項式變化。用軟件Origin 對表1 和表2 數據進行擬合得到彈性模量隨溫度和圍壓σ3的變化函數E（σ3，T）為：

式中：T 為溫度；σ3為最小主應力；a、b、c、d、e、f為擬合系數，a=1.616，b=2.97×10-2MPa-1，c=2.66×10-3MPa-2，d=1.667 GPa，e=3.34×10-4GPa/℃，f=6.22×10-6MPa/℃；E 為楊氏彈性模量。。

3 無煙煤的熱破壞特征

在本研究的實驗條件下，無煙煤的破壞特征仍然是脆性破壞。無煙煤300 ℃、10 MPa 靜水壓力條件下試件破壞后（圖略），主破裂面明顯且與試件長軸方向斜交；且生成了多個破碎小塊，是明顯的壓剪破壞[14]。

根據Mohr’s Criterion 準則[15-18]，認為巖石內某一點的破壞主要決定于它的最大主應力和最小主應力，即σ1和σ3。根據該理論，可以在τ-σ 的平面上，繪制一系列的莫爾應力圓，然后做出一系列的極限應力圓的包絡線。這條包絡線與σ 軸之間的夾角為巖石的內摩擦角，包絡線在τ 軸上的截距為巖石的黏聚力。根據表2 中的結果，做出300 ℃時各靜水壓力條件下極限應力圓，然后做出包絡線，300 ℃下無煙煤摩爾包絡線如圖5。

圖5 300 ℃下無煙煤摩爾包絡線Fig.5 Molar’s envelope curves of anthracite at 300 ℃

林睦曾[19]認為巖石是1 種導溫系數和導熱系數比較小的脆性材料，即煤巖是1 種熱彈性巖石，類似于外界載荷對巖石的破壞，當溫度高于某一峰值時，尤其是超高溫時，巖石就會發生不可逆的改變。在實際工程中，比如在無煙煤的原位注熱開采煤層氣過程中，會涉及到無煙煤升溫至300 ℃以及以上。這些工程當中，有的會涉及到無煙煤再降溫過程，比如在開采煤層氣之后，原位條件下的無煙煤煤層還需要在降溫之后被采出，這時無煙煤的力學性質是否可以恢復到原來的水平，是用來判斷后續工作的關鍵。探尋溫度對無煙煤的弱化作用是否不可逆也是十分重要的。

在地層環境中，由于地層具有一定的保溫效果[20]，煤層降溫300 ℃可能需要1 年的時間。而在實驗室中，直接降溫會因為降溫速度過快而導致巖石發生二次破裂。使得所測數據與實際情況嚴重不符。本研究中采用先將無煙煤試件升溫至500 ℃然后控制加熱棒溫度，使無煙煤低速降溫至300 ℃（降溫速度約10 ℃/h）。得出各個靜水壓力條件下的應力-應變曲線，并做出摩爾包絡線，500 ℃降溫至300 ℃下無煙煤應力應變曲線如圖6，500 ℃降溫至300℃下無煙煤摩爾包絡線圖7。

圖6 500 ℃降溫至300 ℃下無煙煤應力應變曲線Fig.6 Stress-strain curves of anthracite when the temperature is lowered from 500 ℃to 300 ℃

圖7 500 ℃降溫至300℃下無煙煤摩爾包絡線Fig.7 Molar’s envelope curves of anthracite when the temperature is lowered from 500 ℃to 300 ℃

由圖6 可知：無煙煤在升溫500 ℃然后降溫至300 ℃之后，無煙煤的彈性模量以及峰值強度都有所降低。

由圖7 可知：相較于300 ℃無煙煤的黏聚力和內摩擦角，升溫然后降溫至300 ℃的情況下，無煙煤的黏聚力和內摩擦角都有一定程度上的減小。這說明溫度改變了原位條件下的無煙煤裂隙結構，這種影響類似于巖石破壞的塑性破壞，即降低溫度，無煙煤的黏聚力和內摩擦角也無法恢復成原來條件下的狀態；溫度對原位條件下的無煙煤的弱化作用有一部分是永久性的。這與劉泉聲[13]的研究結果是相符的。

4 結 論

1）無煙煤在300 ℃以及15 MPa 以內，發生的仍然是脆性破壞。即在破壞時會產生大量的能量，破壞面呈明顯的壓剪破壞特征面。

2）無煙煤在升溫過程中，在50 ℃之后就開始發生明顯的熱變形；無煙煤的熱變形隨溫度以線性的比例膨脹；圍壓越大，無煙煤的膨脹量越小。

3）圍壓對無煙煤的強度起保護作用；溫度對無煙煤的強度起弱化作用。主要體現在：無煙煤的彈性模量隨溫度的增高，呈二次多項式減小的規律；且隨著溫度的增高，無煙煤的黏聚力和內摩擦角都會減小。

4）溫度對無煙煤的影響有一部分是不可逆的。在升溫的過程中，高溫改變無煙煤的物理屬性與高壓改變巖石屬性相似，即在溫度冷卻后，無煙煤也無法恢復到原先的強度水平，這對無煙煤的后續開采影響巨大。