樊國(guó)偉,尚軍寧
(1.運(yùn)城職業(yè)技術(shù)學(xué)院 教學(xué)礦井,山西 運(yùn)城044000;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)能源與礦業(yè)學(xué)院,北京100083)
隨著國(guó)家能源戰(zhàn)略的西移,西部礦區(qū)已成為我國(guó)主要的煤炭生產(chǎn)基地[1-2]。西部礦區(qū)煤層地質(zhì)條件相對(duì)簡(jiǎn)單,開(kāi)采難度相對(duì)較小。但隨著開(kāi)采深度的增加,煤層瓦斯含量與地應(yīng)力相應(yīng)升高,煤層滲透率降低,瓦斯抽采的難度加大。現(xiàn)有的煤層增透技術(shù)主要包括深孔爆破、水力壓裂、低溫凍結(jié)及超臨界氣體壓裂等。由于低溫凍結(jié)增透技術(shù)具有低能耗和無(wú)污染的優(yōu)勢(shì)受到廣泛關(guān)注。因此,迫切需要開(kāi)展低溫凍結(jié)條件下煤巖體的物理力學(xué)性質(zhì)研究,為西部礦區(qū)高瓦斯煤層的瓦斯抽采提供理論依據(jù)。近年來(lái),眾多學(xué)者在低溫凍結(jié)煤巖的物理力學(xué)性質(zhì)方面開(kāi)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(duì)巖石和型煤進(jìn)行的研究,涉及凍結(jié)作用下原煤物理力學(xué)性質(zhì)的研究相對(duì)較少。因此,以西部礦區(qū)布爾臺(tái)礦4-2煤為研究對(duì)象,分別對(duì)自然狀態(tài)和自然飽水原煤進(jìn)行低溫冷凍,對(duì)冷凍處理后的2 組煤樣與未經(jīng)冷凍處理的1 組煤樣開(kāi)展單軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn),對(duì)3 種不同狀態(tài)下煤樣的強(qiáng)度及變形特征進(jìn)行分析,并對(duì)變形破壞過(guò)程中的聲發(fā)射特征與損傷演化規(guī)律展開(kāi)研究。該成果為低溫凍結(jié)增透技術(shù)在西部礦區(qū)高瓦斯煤層中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。
試驗(yàn)選用樣品取自內(nèi)蒙古布爾臺(tái)煤礦4-2煤層,屬侏羅系中下統(tǒng)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(jù)工業(yè)分析結(jié)果,煤樣的水分含量為9.97%,揮發(fā)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(yàn)數(shù)據(jù)的離散型,在選取煤樣時(shí),應(yīng)盡量克服視缺陷結(jié)構(gòu)較多的煤樣,并在同一塊煤樣上取樣加工。根據(jù)國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)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(guò)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(tài)(標(biāo)記為N),自然冷凍狀態(tài)(NF)和飽水冷凍狀態(tài)(SF)3 組,每組3 個(gè)煤樣,并依次編號(hào),其中自然狀態(tài)為對(duì)照組,然后對(duì)煤樣的高度、直徑及質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量并對(duì)其密度進(jìn)行計(jì)算,煤樣物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。
單軸壓縮試驗(yàn)在北京市計(jì)算中心力學(xué)實(shí)驗(yàn)室完成,試驗(yàn)設(shè)備,包括WDW-100E 型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)和美國(guó)物理聲學(xué)公司(PAC)生產(chǎn)的PCI-Ⅱ型聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。為有效獲得不同處理?xiàng)l件下煤樣的全應(yīng)力應(yīng)變曲線并分析其力學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律,試驗(yàn)過(guò)程中,采用軸向位移控制加載方式,設(shè)定加載速率恒定為0.1 mm/min。聲發(fā)射系統(tǒng)的信號(hào)門檻值和采樣率分別設(shè)置為40 dB 和1 MHz。利用耦合劑和膠帶將聲發(fā)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(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of coal samples
通過(guò)對(duì)煤樣進(jìn)行處理,獲得不同狀態(tài)下的試驗(yàn)樣品。對(duì)于飽水冷凍煤樣處理,首先對(duì)標(biāo)號(hào)為SF 的煤樣進(jìn)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(nèi),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(zhì)量-時(shí)間曲線如圖1。
圖1 煤樣吸水質(zhì)量-時(shí)間曲線Fig.1 Coal sample water absorption quality-time curves
由圖1 可以看出,吸水時(shí)間在40 h 時(shí),該組樣品基本達(dá)到飽和狀態(tài)。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(biāo)號(hào)為NF 的自然煤樣放入冰箱冷凍室中進(jìn)行冷凍處理,冷凍溫度為-20 ℃,冷凍時(shí)間為24 h。
試驗(yàn)中確保聲發(fā)射系統(tǒng)與萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)在時(shí)間上一致,然后開(kāi)始對(duì)煤樣進(jìn)行加載,聲發(fā)射系統(tǒng)同步開(kāi)始采集聲發(fā)射信號(hào),直至煤樣發(fā)生破壞,停止加載,并對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。對(duì)于經(jīng)過(guò)低溫冷凍處理的煤樣,為了保證冷凍效果,直到試驗(yàn)前才從冷凍室取出,然后立即進(jìn)行試驗(yàn),并在試驗(yàn)過(guò)程中忽略環(huán)境溫度對(duì)其產(chǎn)生的影響。
按照抗壓強(qiáng)度公式對(duì)3 種狀態(tài)下的煤樣進(jìn)行計(jì)算,不同狀態(tài)下煤樣單軸抗壓強(qiáng)度如圖2。不難看出低溫冷凍處理后的煤樣抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)一定程度降低,未經(jīng)冷凍處理的自然煤樣的平均抗壓強(qiáng)度最大,為22.62 MPa,而自然冷凍煤樣為19.47 MPa,較未冷凍狀態(tài)強(qiáng)度下降13.93%;飽水冷凍煤樣的平均抗壓強(qiáng)度最小,為16.96 MPa,較未冷凍自然煤樣強(qiáng)度下降25.02%。其主要原因是低溫條件下煤樣內(nèi)部的水緩慢結(jié)冰,體積膨脹對(duì)原始煤樣產(chǎn)生損傷,致使煤樣完整性降低,故抗壓強(qiáng)度相應(yīng)降低,且含水量越多,抗壓強(qiáng)度下降越多。
圖2 不同狀態(tài)下煤樣單軸抗壓強(qiáng)度Fig.2 Uniaxial compressive strength of coal samples in different conditions
不同狀態(tài)下煤樣應(yīng)力-應(yīng)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(shì)與自然狀態(tài)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(nèi)部孔隙、裂隙等原生缺陷在外部載荷作用下開(kāi)始閉合,導(dǎo)致該階段變形增加較快,曲線出現(xiàn)上凹;隨著載荷繼續(xù)增加,原生缺陷基本閉合,開(kāi)始進(jìn)入彈性階段,該階段應(yīng)力與應(yīng)變呈線性關(guān)系;隨著載荷繼續(xù)增大,曲線開(kāi)始偏離原來(lái)的直線,進(jìn)入塑性階段,內(nèi)部開(kāi)始產(chǎn)生微裂紋;隨著載荷增大至峰值載荷,進(jìn)入破壞階段,煤樣內(nèi)部微裂紋快速貫通,形成宏觀裂紋,煤樣破壞。
圖3 不同狀態(tài)下應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curves in different conditions
與自然狀態(tài)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(tài)下最小。對(duì)比不同狀態(tài)煤樣的峰后階段,可以看出:自然狀態(tài)下煤樣的曲線最長(zhǎng),呈階梯式跌落,表現(xiàn)出一定的脆性;而飽水冷凍狀態(tài)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(qiáng)。出現(xiàn)以上現(xiàn)象的主要原因是低溫冷凍條件下煤樣內(nèi)部水緩慢結(jié)冰,由于水的反膨脹現(xiàn)象造成體積增大,導(dǎo)致煤樣完整性降低,故在較低載荷下樣品內(nèi)部出現(xiàn)裂隙閉合,產(chǎn)生較大變形;飽水煤樣在冷凍處理時(shí),出現(xiàn)較大的損傷,煤樣的完整性較差,脆性隨含水量的增加相應(yīng)增強(qiáng),因此峰后曲線表現(xiàn)出迅速跌落;可以看出,初始煤樣的完整性越低,其脆性越強(qiáng)。
不同狀態(tài)下煤樣破壞形態(tài)如圖4。從圖4 可以看出,自然狀態(tài)下的破碎煤樣塊度較大,而經(jīng)過(guò)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(tài)下破碎程度最高,主要原因是含水煤樣在低溫冷凍過(guò)程中由于膨脹導(dǎo)致的損傷降低了煤樣的完整性,內(nèi)部裂隙發(fā)育,達(dá)到峰值載荷后,煤樣更容易破碎。
煤巖在其變形破壞過(guò)程中會(huì)以彈性波(聲發(fā)射)的形式向外界釋放能量[14],通過(guò)對(duì)聲發(fā)射參數(shù)進(jìn)行分析可以更好地認(rèn)識(shí)煤巖變形破壞特征。利用AE win 軟件對(duì)聲發(fā)射波形信號(hào)進(jìn)行處理,得到聲發(fā)射參數(shù)時(shí)間序列,由于聲發(fā)射數(shù)據(jù)較多,以下僅對(duì)通道1 的聲發(fā)射參數(shù)展開(kāi)分析。
圖4 不同狀態(tài)下煤樣破壞形態(tài)Fig.4 Coal sample failure patterns under different conditions
不同狀態(tài)下煤樣載荷、撞擊率、損傷隨時(shí)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(shí)間演化規(guī)律與自然狀態(tài)下的煤樣基本一致:加載初期因內(nèi)部原生缺陷及冷凍膨脹裂隙閉合產(chǎn)生少量的聲發(fā)射,撞擊率相應(yīng)較??;彈性階段僅產(chǎn)生少量的聲發(fā)射,撞擊率較低;隨著載荷的繼續(xù)增加,進(jìn)入塑性變形階段,內(nèi)部裂紋擴(kuò)展,產(chǎn)生的聲發(fā)射較多,撞擊率相應(yīng)增大;臨近峰值載荷處,聲發(fā)射大量產(chǎn)生,撞擊率達(dá)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(kuò)展貫通會(huì)產(chǎn)生一定的聲發(fā)射信號(hào)。
其存在的差異主要為:加載初期自然狀態(tài)和自然冷凍狀態(tài)下的煤樣僅產(chǎn)生少量聲發(fā)射,撞擊率較??;而飽水冷凍狀態(tài)下產(chǎn)生較多的聲發(fā)射,撞擊率較大,其主要原因是飽水冷凍煤樣內(nèi)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(chǎn)生聲發(fā)射的較多,對(duì)應(yīng)撞擊率較大。同樣低溫冷凍處理后煤樣最大撞擊率也相應(yīng)增高,自然狀態(tài)下最小,僅為49,而自然冷凍狀態(tài)下為54,較自然狀態(tài)下增加10.20%,飽水冷凍狀態(tài)下最大撞擊率最大,為60,較自然狀態(tài)下增加22.45%。主要原因是低溫冷凍作用致使煤樣內(nèi)部產(chǎn)生膨脹裂隙,在外部載荷作用下,內(nèi)部裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展活動(dòng)更加頻繁,故產(chǎn)生的聲發(fā)射較自然狀態(tài)下多,撞擊率較大。
巖石在破壞變形過(guò)程中的聲發(fā)射反映了其內(nèi)部裂紋萌生、擴(kuò)展和貫通破壞的演化過(guò)程,因此可以采用聲發(fā)射參數(shù)來(lái)定義損傷變量[15-16]。用聲發(fā)射累計(jì)能量來(lái)定義損傷。
圖5 不同狀態(tài)下煤樣載荷、撞擊率、損傷隨時(shí)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(tài)的煤樣損傷隨時(shí)間的演化趨勢(shì)基本不發(fā)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(nèi)部冷凍膨脹裂隙及原生缺陷閉合產(chǎn)生一定的損傷,損傷緩慢增加,處于初始損傷階段;進(jìn)入彈性階段后,內(nèi)部產(chǎn)生彈性可恢復(fù)變形,僅產(chǎn)生少量聲發(fā)射,損傷基本保持恒定,處于損傷緩慢階段;進(jìn)入塑性變形階段后,內(nèi)部裂紋不斷擴(kuò)展,聲發(fā)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(shí),損傷出現(xiàn)明顯的臺(tái)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(xiàn)一定變化,飽水冷凍狀態(tài)下壓密階段損傷增加較多,而自然冷凍狀態(tài)下增加較少,主要是含水量越高,冷凍處理過(guò)程中產(chǎn)生的冷凍膨脹裂隙越多,壓密階段聲發(fā)射活動(dòng)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(tài)下峰后損傷基本不增加,峰值載荷處煤樣發(fā)生破壞,損傷達(dá)到最大值1;而自然冷凍狀態(tài)下峰后損傷小幅增加;自然狀態(tài)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(tài)下呈多級(jí)臺(tái)階上升;而自然冷凍狀態(tài)和飽水冷凍狀態(tài)下呈單級(jí)臺(tái)階上升,損傷增長(zhǎng)較快,對(duì)應(yīng)破壞越劇烈,煤樣破碎程度越高。
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(qiáng)度會(huì)降低,分別降低13.93%和25.02%,脆性明顯增強(qiáng);冷凍煤樣變形趨勢(shì)基本不變,但壓密階段載荷-位移曲線斜率會(huì)降低。
2)低溫冷凍處理后自然和飽水煤樣撞擊率演化規(guī)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(guī)律與未冷凍煤樣基本一致,但飽水冷凍狀態(tài)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(tài)下呈多級(jí)臺(tái)階上升;而自然冷凍狀態(tài)和飽水冷凍狀態(tài)下呈單級(jí)臺(tái)階上升,損傷增長(zhǎng)較快,對(duì)應(yīng)破壞越劇烈,煤樣破碎程度越高。