不同冲击倾向煤样表面温度场与变形场演化特征

吕玉凯，蒋 聪,成 果,姜耀东,2

(1.中国矿业大学(北京) 力学与建筑工程学院，北京 100083；2.中国矿业大学(北京) 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京 100083)

不同冲击倾向煤样表面温度场与变形场演化特征

吕玉凯1，蒋 聪1,成 果1,姜耀东1,2

(1.中国矿业大学(北京) 力学与建筑工程学院，北京 100083；2.中国矿业大学(北京) 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京 100083)

采用实验手段，研究单轴压缩过程中，冲击倾向性和非冲击倾向性煤样表面变形场和温度场演化特征。运用白光散斑分析方法，对样品表面变形局部化带演化进行数据分析，发现非冲击倾向性煤样局部化出现在加载的弹性阶段，而冲击倾向性煤样出现在塑性阶段，冲击煤样的变形场演化要较非冲击煤样剧烈；冲击煤样与非冲击煤样的变形局部化内部区域温度整体较外部区域高，且变化规律基本相同，而局部化内外温差变化与其相反；冲击煤样的绝对温度变化较非冲击样品变化大；冲击煤样的温度场对应的变形局部化演化较非冲击煤样简单；基于不同煤样的全岩矿物分析及黏土矿物成分分析，对比了冲击煤样与非冲击煤样内部晶体、非晶体及黏土矿物的含量，从而探讨内部组分对宏观温度场和变形场的影响。

煤样；冲击倾向性；温度场；变形场；X射线衍射

我国浅部煤炭资源趋于枯竭，不可避免的进入深部开采；深部开采中常呈现出开采空间大、开采扰动剧烈、煤岩体的介质属性及应力分布复杂的现状，易导致异常剧烈的失稳破坏发生，且不易获取其宏观前兆特征，为此，国内外进行了大量研究并得到许多成果[1]。在矿井深部开采时发生冲击地压过程中也观测到工作面及巷道温度变化的前兆现象[2-3]。双轴加载实验中，岩石失稳破坏前，其表面的平均温度有上升—下降—再上升的演化特征[4-5]，对于预制节理的岩石，其热场变化中，先是降温，然后在失稳前开始升温，该降温时刻可以视为样品失稳破坏前兆[6]。

煤岩体产生变形局部化的尺度范围很大，大到由于地壳运动产生的数百公里断层构造、小到实验室尺度样品均有该种现象的产生[7-8]。在实验室尺度下，更加容易获取各种条件的变形局部化的演化特征。在单轴压缩条件下，基于细观统计损伤力学的研究上，可以将岩石变形局部化分为3个阶段：非均匀损伤分布、局部化损伤、破坏；在非均匀损伤分布阶段，变形局部化带中应变很小，可以忽略[9]。研究发现，样品的剪切破坏区域是由于变形局部化带的相对滑动所导致[10]。针对岩石的变形局部化产生机理，也进行过平面应力、应变、大变形弹塑性[11]与损伤耦合模型进行过理论推导[12]。目前对煤样样品破坏过程中的变形场研究多集中在裂纹尖端如何演化，如裂纹方向、长度等，较少关心即将产生或已经出现的变形局部化带自身的演化；与此同时，温度场也是较少涉及变形局部化内外温度演化规律；非冲击煤样与冲击倾向性煤样是否变形场和温度场有着不同的演化特征？以及这些不同是否与内在结构有着相互关联？针对上述问题，笔者展开了相应的研究。

1 变形场与温度场实验

试验样品分别选自大台井-10开采水平3号煤层和唐山矿T2193工作面。大台井-10开采水平3号煤层为急倾斜煤层，平均角度45°～88°，平均埋深820 m，历史上没有发生过冲击地压事故，基本无冲击危险；唐山矿T2193工作面属8,9号合区煤层，其平均厚度10 m，倾角11°，埋深688.2 m，单轴抗压强度19.7 MPa、弹性指数7.58、冲击能量指数3.1，具有中等以上的煤岩冲击失稳危险倾向[2]。

测试样品采用蜡封处理并用湿式加工法在实验室内加工为50 mm×50 mm×50 mm(长×宽×高)的立方体试样，每种煤层制成3块，共6块煤样。

所构建的实验平台如图1所示。该系统主要包括加载系统、热红外温度场监测系统及变形场监测系统；其中加载系统采用CSS-44100电子万能材料试验机，最大荷载为100 kN、试验机精度为±0.5%。热红外监测系统采用AVIO生产的热红外成像仪，采集频率5张/s、灵敏度0.08、辐射系数0.92；变形场监测系统采用Basler A641f CCD相机，分辨率为1 624像素×1 236像素拍摄、采集速率为15帧/s。

图1 实验系统Fig.1 Experimental system

以平行于试样节理的平面作为加载的上下端面，在样品前后观测面中选取较平整一面作为变形场与温度场的监测面，从两类煤样中各选取具有代表性的一组进行研究。其中变形场和温度场均是对整个观测平面进行了监测，观测面上任何一处的数据均可以提取分析。

2 实验结果

2.1 变形场演化特征

试样在单轴加载条件下，经历弹性变形阶段、微破裂稳定发展阶段、塑性变形阶段及破裂后阶段。TS-2试样各阶段应力-应变曲线如图2(a)所示。AB为弹性变形阶段，BC为微破裂稳定发展阶段，CD为塑性变形阶段；A点处应力为0.198 MPa(0.048 1 με)；B点处应力为1.341 2 MPa(0.052 1 με)；C点处应力为5.606 4 MPa(0.057 44 με)；D点处应力为8.404 4 MPa(0.060 88 με)。

图3(a)为TS-2试样加载过程中表面变形场在各应力阶段的时空演化云图。从图3(a)中可以发现：在单轴荷载8.008 8 MPa(0.061 6 με)时，变形局部化开始在样品的中下部显现；在加载应力为8.008 8～8.271 2 MPa(0.061 6～0.060 56 με)阶段，变形局部化由靠近底端的区域逐渐向上扩展、直至形成较完整条带；在加载应力8.271 2～8.318 0 MPa(0.060 56～0.060 68 με)阶段，底端的变形局部化始终要明显于其它位置处，也预示着试样最先在该处发生破坏，并向上导升。TS-2样品的变形局部化带产生、形成于塑性阶段，并最终破坏。

图2(b)所示为DT-3煤样单轴加载应力、应变曲线。其中AB为弹性变形阶段，BC为微破裂稳定发展阶段，CD为塑性变形阶段；A处应力1.052 4 MPa(0.021 28 με)；B处应力3.22 MPa(0.025 98 με)；C处应力6.056 MPa(0.030 2 με)；D点处的应力为6.938 4 MPa(0.032 56 με)。

图2 TS-2和DT-3煤样应力-应变曲线Fig.2 Stress-strain curves of TS-2 and DT-3 coal specimen

图3(b)为试样加载过程中不同应力时刻对应的表面变形场演化云图。从图3(b)中可以发现：煤样在单轴荷载2.710 8 MPa(0.025 06 με)时，变形局部化才开始显现；加载到5.264 4 MPa(0.029 1 με)时，第1条变形局部化条带已经基本成型；加载到4.525 2 MPa(0.028 με)时，第2条变形局部化带开始出现，6.427 2 MPa(0.031 1 με)时基本成型；在局部化现象出现后，加载应力的小幅度增加可以引起变形场较剧烈的演化；在应力达到6.736 4 MPa(0.031 9 με)时，变形局部化区域形成并贯通试样。右边变形局部化条带由上向下发生演化，而左侧局部化条带则整体完全显现，并逐渐加强。DT-3样品在弹性阶段，就已经出现变形局部化现象，在微破裂稳定发展阶段，基本成型；第2条在塑性变形阶段形成。

图3 TS-2和DT-3煤样变形场演化云图Fig.3 Deformation field nephogram of TS-2 and DT-3 specimen

2.2 温度场演化特征

由于单轴加载过程中煤样表面温度变化范围较小，且易受周围环境影响，为此，实验过程中对环境场也进行了监测。实验前压机支座温度为18.6 ℃、实验后压机支座温度为17.8 ℃、实验前TS-2试样温度为19.6 ℃、实验室温度为18.2 ℃、湿度为24%。

通过对监测的温度场进行数据处理，得到TS-2试样的表面温度场的时空演化特征。图4(a)为不同应力时刻对应的TS-2试样表面温度演化云图。可以发现：样品表面温度变化范围在1 ℃范围内；开始加载到6.000 8 MPa阶段，温度整体上升；随后开始降低；加载过程中样品的中部温度较边缘要高，究其原因，本质上是由于煤样材料的非均匀性，其内部的缺陷、微裂隙、孔隙结构等多种因素影响下，煤体失稳破坏过程中随荷载的增加其内部的微裂隙出现拉伸、闭合及错动等反复的过程，以至于在温度场中体现为温度高低的变化。

图5(a)为TS-2试样在单轴压缩条件下的变形局部化带内外温度变化曲线，当试样微应变为0.057 94时刻，对应的变形局部化带内温度为28.6 ℃、外部温度为28.56 ℃(6.052 MPa)，样品的变形局部化带内、外部及表面平均温度均达到最大值，该时刻处于煤样的塑性变形阶段；与样品初始温度相比，内部升高9 ℃、外部升高8.96 ℃。在微应变0.057 94前，温度急剧增大；当微应变为0.060 78时刻，内部温度为28.54 ℃、外部温度为28.49 ℃(8.37 MPa)，样品的变形局部化带内、外部及表面平均温度均达到最小值，减去样品初始温度，内部升高6.74 ℃、外部6.69 ℃。而在微应变达到0.060 88时，煤样达到最大破坏应力时刻。在样品进入塑性阶段后，温度出现先增大→增大到最大值→减小→减小到最小值，当减小到最小值时刻，预示着样品即将失稳破坏。

图4 TS-2和DT-3煤样表面温度场演化云图Fig.4 Surface temperature field nephogram of TS-2 and DT-3 specimen

图5 TS-2和DT-3试样变形局部化带内外温度曲线Fig.5 Temperature inside and outside deformation localization band of TS-2 and DT-3 coal specimen

图6 TS-2和DT-3试样变形局部化带内外温度差值变化散点图Fig.6 The temperature difference between inside and outside deformation localization band of TS-2 and DT-3 coal specimen

为了进一步研究变形局部化带内外温度差异随加载的变化规律，特绘成图6(a)。由图6(a)可知，TS-2变形局部化内外温度最大差异为0.057 5 ℃，发生在0.060 34 με(8.131 6 MPa)时刻；平均温差为0.045 1 ℃，最小差异为0.033 2 ℃，发生在0.060 68 με时刻(8.322 8 MPa)；随着轴向应变的增加，煤样的变形局部化带内外温差开始减小；在0.057 94 με前，温差整体减小，并减小到极小值，与表面温度增大规律相反；在0.057 94～0.060 78 με阶段，温差整体增大，与表面温度呈现减小趋势相反。

究其原因，可能是荷载增加，原生裂隙、空隙压密，导致变形局部化内外区域温差减小；而随着荷载继续增大，裂隙开始演化，空气介质的作用，导致变形局部化内外温差增大。

实验前DT-3试样温度为21.8 ℃、实验前压机支座温度为19.4 ℃、实验后为19.4 ℃、实验室温度为18.6 ℃、湿度为26%。

图4(b)为不同应力时刻对应的试样表面温度演化云图。从图4(b)可发现：当加载应力从5.634 4～6.382 8 MPa时，试样表面温度逐渐升高，且在应力达到6.382 8 MPa时达到最大值；之后开始降低；试样表面的平均温度呈现明显的区域化，左侧温度最高、中间次之、右侧最低。

图5(b)为试样在单轴压缩条件下变形局部化带内外温度变化曲线，从图5(b)可以看出，当试样微应变为0.030 98(6.374 MPa)时刻，对应的变形局部化带内温度为29.26 ℃、外部温度为29.2 ℃，且与表面平均温度均达到最大值；与样品初始温度相比，内部升高7.46 ℃、外部升高7.4 ℃；之后，随着荷载继续增加，样品的变形局部化带内、外部及表面平均温度均呈现逐渐减小的趋势。在微应变为0.032 42时刻，样品的内部温度为29.183 2 ℃、外部温度29.139 9 ℃，之后，温度整体有上升趋势，较样品初始温度而言，其内部升高7.38 ℃、外部升高7.34 ℃；在0.030 98～0.032 42 με阶段，样品处于塑性阶段，当达到0.032 56 με时，达到最大破坏应力时刻。

如图6(b)所示，加载到0.030 98 με前，温差整体减小，并减小到极小值，与表面温度增大规律相反；0.030 98～0.032 42 με阶段，温差整体增大，与表面温度呈现减小趋势相反。

2.3 变形局部化带内外温度演化特征

在观测试样表面变形局部化附近选取测点，以研究温度变化同时来探究变形场如何演化，图7中测点均为随机选取，由于规律相似，故只用其中一组测点进行分析；同理，变形局部化带内外温度变化规律较相似，故文章中只研究其内部温度变化规律。

如图8(a)所示，在微应变达到0.057 94时，温度达到最大值，变形局部化内部区域平均温度为28.6 ℃，外部区域平均温度为28.56 ℃，相对拉伸分量为-0.018 4 mm，相对滑动分量为-0.085 6 mm；在微应变达到0.058 3时，相对滑动分量出现一次突变，为-0.074 7 mm；微应变为0.060 5时，相对拉伸分量及滑动分量均呈现快速变化，其中相对拉伸分量达到-0.007 1 mm、相对滑动分量达到-0.139 mm；变形局部化内部区域温度为28.545 ℃、外部为28.504 ℃。

图7 样品变形局部化带内测点选取示意Fig.7 The measuring points schematic of deformation localization band of specimen

图8 TS-2和DT-3试样温度场-变形场变化曲线Fig.8 The temperature-deformation curves of TS-2 and DT-3 specimen

图8(b)为DT-3样品变形局部化区域内温度、相对滑动分量及相对拉伸分量变化曲线。从图8(b)可以看出：当试样微应变为0.030 98时刻，变形局部化带内温度为29.26 ℃、外部温度为29.2 ℃，与表面平均温度均达到最大值，相对应的拉伸分量为0.395 1 mm、相对滑动分量为0.186 4 mm；微应变达到0.032 28时，相对拉伸分量为0.863 3 mm、相对滑动分量为0.203 9 mm，相对应的变形局部化内部区域温度为29.2 ℃、外部为29.15 ℃。

试样失稳破坏前变形局部化区域内外温度出现升高可能由于其相对拉伸主导或由相对滑动所主导；而温度要比变形场变化要灵敏，分析原因可能是由于试样已经在内部产生变形局部化现象，然后演化扩展到外表面，而试样表面温度监测已经包括了样品内部局部化产生引起的温度改变。

3 细观实验

3.1 实验设备及方法

为了研究不同冲击倾向煤样表面温度场与变形场的演化规律与其内部矿物含量间的关系，进行了相应的细观实验。如图9所示，实验设备为日本理学D/max-2500PC全自动粉末X射线衍射仪，采用全岩矿物分析和黏土矿物分析两种测试方式。实验参数：CuKα靶，管压40 kV、管流150 mA、发散狭缝1 mm、接收狭缝0.16 mm、步进式扫描、步宽0.04°、扫描速度为2(°)/min、选用低角度衍射、2θ(衍射角)为4°～64°。受到外界环境影响，煤中会含有各类无机矿物，为此在测试前须对煤样进行去除碳酸盐和硅酸盐等处理，使其不影响实验结果。

3.2 全岩矿物测定结果

采用X射线能谱法来获取全岩矿物实验数据。经过数据经处理，可得图10所示的衍射图谱曲线。

图9 实验样品及设备Fig.9 Experimental specimens and equipments

图10 全岩矿物X射线衍射图谱Fig.10 Whole rock mineral X-ray diffraction of specimens

基于上述分析，可得样品中的矿物质含量及黏土矿物总量，见表1。分析发现：样品中矿物均主要以非晶质为主；黏土矿物含量TS-2煤样较高，约占8.3%，DT-3样品含量较低，为8.0%。两种煤样的非晶质矿物含量要占绝对优势，黏土矿物只占少量比例。

表1全岩矿物X射线分析结果
Table1AnalysisresultsofwholerockmineralX-raydiffraction

编号矿物种类和含量/%石英软水铝石斜长石方解石白云石非晶质黏土矿物总量/%DT-30 40 391 38 0TS-25 10 49 310 871 28 3

3.3 黏土矿物分析结果

黏土矿物通常是指粒径小于2 μm含水的层状硅酸盐矿物，各样品所含黏土矿物种类及相对含量见表2,煤样黏土矿物X射线谱图如图11所示。

表2黏土矿物X射线衍射分析结果
Table2Analysisresultsofclaymineraldiffraction

编号黏土矿物相对含量/%伊利石高岭石绿泥石DT-31783TS-2100

图11 煤样黏土矿物衍射图Fig.11 Clay mineral diffraction of coal specimens

分析结果表明：DT-3煤样黏土矿物主要为绿泥石，占83%，还有17%的伊利石；TS-2煤样黏土矿物为高岭石。从黏土矿物膨胀性方面考虑，伊蒙混层为强膨胀性矿物，而高岭石的膨胀性相对较小。

基于上述分析，发现TS-2煤样的非晶质含量要明显少于DT-3煤样，而晶体的含量要多于DT-3煤样。非晶质含量多的煤样，更多的表现出煤的非均质特性，DT-3煤样中富含石英，增加了其硬度；而TS-2煤样中，含有更多的软水铝石、斜长石、方解石、白云石，硬度虽然有所降低，但晶体种类含量较丰富。黏土矿物含量方面，DT-3煤样的伊蒙混层较唐山矿的高岭石的膨胀性要强。

4 结 论

(1)冲击倾向性煤样的变形局部化带出现较突然。其出现在样品塑性变形阶段，而非冲击性煤样在弹性阶段就已经出现变形局部化现象，在微破裂稳定发展阶段，基本成型。

(2)冲击与非冲击煤样进入塑性阶段后，两者其变形局部化区域内外温差变化均与温度变化规律相反；冲击与非冲击煤样变形局部化带内外温差变化规律相似；冲击煤样在变形局部化区域内外温度升高的绝对值要大于非冲击煤样，且极小值温度也要小于非冲击煤样，表明冲击煤样在相同的加载条件及环境场下，冲击煤样温度变化较非冲击煤样剧烈，幅度也大，释放出更多的内能。

(3)试样失稳破坏前变形局部化区域内外温度出现升高可能由于其变形局部化区域相对拉伸主导或由相对滑动所主导；而温度要比变形场变化灵敏。冲击煤的温度变化主要对应变形局部化相对滑动分量，与相对拉伸基本无关；而非冲击煤样温度变化则与相对拉伸和滑动均密切相关。

(4)冲击煤样的非晶质含量要明显少于非冲击煤样，而晶体的含量要多于非冲击煤样；冲击煤样的晶体种类更加多样化；黏土矿物含量两者基本相同，非冲击煤样的黏土矿物膨胀性要较强些。

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Evolutionofthesurfacetemperaturefieldanddeformationfieldofdifferentimpactpronenesscoalspecimens

LÜ Yu-kai1，JIANG Cong1,CHENG Guo1,JIANG Yao-dong1,2

(1.SchoolofMechanicsandCivilEngineering，ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing)，Beijing100083,China；2.StateKeyLaboratoryofCoalResourcesandSafeMining,ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing)，Beijing100083,China)

It took experimental methods to study the evolution characteristics of surface deformation field and temperature field of coal specimens with uniaxial compression.The impact and non-impact proneness propensity coal specimens were selected to research.The white light speckle method was used to analysis the surface deformation localization evolution of the specimens.It can be concluded that the deformation localization of non-impact proneness coal specimens appeares in elastic stage;but the impact proneness one appeares in plastic stage;the impact one is more severe than the non-impact one for deformation field.The temperature within the deformation localization is higher than outer region,and the same variation for both the impact and non-impact proneness propensity coal specimens;however,the temperature difference between inside and outside localized has an opposite variation;the absolute temperature of impact specimens has a bigger change than the non-impact ones;deformation field corresponding temperature field,which the impact ones are latter simply.Based on the whole rock mineral analysis and clay mineral composition analysis of different coal specimens,internal crystal,amorphous and clay mineral content were compared between impact and non-impact coal specimens,so as to explore the influence of the macroscopic temperature field and deformation field caused by the internal components.

coal specimens;impact proneness;temperature field;deformation field;XRD

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0009

国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2010CB226801)

吕玉凯(1982—)，男，山西大同人,博士，博士后。E-mail：lvyukai2006@126.com

TD313

A

0253-9993(2014)02-0273-07

吕玉凯，蒋 聪,成 果,等.不同冲击倾向煤样表面温度场与变形场演化特征[J].煤炭学报,2014,39(2):273-279.

Lü Yukai，Jiang Cong,Cheng Guo,et al.Evolution of the surface temperature field and deformation field of different impact proneness coal specimens[J].Journal of China Coal Society,2014,39(2):273-279.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0009