热力耦合作用下煤样力学行为影响的试验研究∗

王公忠赵新涛王国际（.河南工程学院安全工程学院,河南省郑州市,459; .郑州升达经贸管理学院,河南省郑州市,459）



热力耦合作用下煤样力学行为影响的试验研究∗

王公忠1赵新涛1王国际2
（1.河南工程学院安全工程学院,河南省郑州市,451191; 2.郑州升达经贸管理学院,河南省郑州市,451191）

摘要采用河南工程学院测试中心的TAW－2000岩石三轴试验机,对尺寸为ø50 mm×100 mm的山西晋煤集团阳城晋圣润东煤业原煤煤样进行了不同温度以及不同围压下的全应力－应变试验。试验结果表明,随着围压的不断增大,煤样的峰值抗压强度逐渐增加,煤样的变形显著增加,煤样的弹性极限显著增大;煤样的抗压强度随着温度的升高有降低的趋势,温度较低时其对煤样的抗压强度影响较小,当温度上升到65℃时,其抗压强度降低较为明显;在围压不变时,煤样弹性模量随着温度升高有较明显降低,泊松比逐渐增大;围压对煤样泊松比的影响甚微,泊松比随着围压的增加略微增加。

关键词温度 三轴应力 弹性模量 泊松比

煤炭是一种特殊的有机岩石,温度和应力对其力学特征的影响都很大。温度是影响煤体物理力学参数的主要因素之一,煤岩的力学参数如强度、泊松比以及弹性模量都会随着温度的变化而变化。有研究结果表明,煤的强度随着温度的升高出现相应的降低,受到围压的影响,高煤阶煤体表现出的规律性较为复杂,而中煤阶煤体则表现出了较强的规律性,在高温下煤的力学行为由脆性向延性转变,煤的塑性蠕变增强;还有研究结果表明,煤的强度和弹性模量及应变的变化规律随着温度的升高而产生的变化较为复杂;还有研究分析了无烟煤和气煤弹性模量随着温度的演化规律,对比分析了无烟煤和气煤弹性模量变化规律的异同,结果表明煤的弹性模量随着温度升高变化过程可以分为3个阶段,分别是中低温平稳降低阶段、中高温剧烈降低阶段和高温缓慢降低阶段;另有试验结果表明,在温度和应力的共同作用下,气煤在加载瞬间及后续变形过程中,始终伴随着显著的塑性变形,煤体变形为典型的黏弹塑性变形。

本次研究主要在不同温度和不同围压条件下对原煤煤样的全应力－应变过程进行分析,并研究地应力和温度对煤样的弹性模量、泊松比以及煤样变形变化规律。受到试验设备及试验难度的限制,这些研究大都是在单轴条件下进行的,试验主要采用型煤试样,而三轴应力及原煤试样条件下的研究较少。

1　煤样的基本情况

本试验采用的煤样来自山西阳城矿区的主采煤层,山西晋煤集团阳城晋圣润东煤业主采煤层为3＃煤,该煤层埋藏深度较浅,属山西组,煤层稳定可采,平均厚度为6.29 m,埋藏最深处约为310 m,最大瓦斯含量为10.5 m3/t。由于沉积成煤时期、构造演化过程以及后期地质构造的控制等作用,煤体在成煤过程中没有受到过较大的地质构造作用,煤质相对较硬,为原生结构煤。

1.2煤样采集与制备

为了更加精确地分析地应力和温度对煤样的弹性模量、泊松比以及应力－应变变化规律,采用原煤煤样作为研究对象。本试验方案中煤样的试件为圆柱体,直径为50 mm,高度为100 mm,高径比为2∶1。

2　煤样全应力－应变试验

2.1试验设备

煤样的力学试验是在河南工程学院测试中心实验室的TAW－2000岩石三轴试验机上进行测试的。

2.2试验方法

在不同温度和不同围压条件下进行煤样全应力－应变过程试验,轴向采用位移控制的方式以50 mm/min的加载速率进行加载,直至煤样被破坏。具体试验方法如下:在恒定围压为2 MPa时,进行煤体温度分别为25℃、45℃和65℃下的三轴压缩试验,然后将恒定围压定为4 MPa和8 MPa重复上述试验,煤的三轴力学试验方法见表1。

表1　煤的三轴力学试验方法

由表1可以看出,由于试验采用的是该矿区的原煤煤样,因此煤样之间存在一定差异性。为了更准确、科学地研究热力耦合作用下煤样力学特性,避免极端情况的影响,这里每组试验分别取3个煤样,然后利用几何平均计算其平均值。

3　试验结果及分析

3.1不同围压条件下煤样的力学特性

非生长季自然覆盖物主要为凋落物与积雪。凋落物积雪是否存在及其厚度对土壤温度高低及变化程度有很大影响，尤其是在低温的冬季。凋落物或积雪能够改变（增加）所覆盖土壤的温度，从而对温室气体的产生和排放产生影响。例如较厚的覆盖层能够隔离表层土壤与低温空气，降低土壤冻结的强度及冻结的深度，这种环境会有利于反硝化作用[41，34]。据报道冬季放牧会减少土壤调落物覆盖，从而导致冻融期草地N2O排放显著降低[15]。

本次试验采用试样高径比为2∶1的圆柱体,围压为2 MPa、4 MPa和8 MPa时煤样全应力－应变曲线如图1、图2和图3所示。

图1　围压为2 MPa时煤样全应力－应变曲线

由图1可以看出,试件承载力在0～12 MPa之间时,煤样的全应力－轴向应变曲线为通过坐标原点的直线,轴向应变与试件承载力成正比,煤样发生线弹性变化;试件承载力大于12 MPa后全应力－轴向应变曲线由直线变为曲线,煤样由弹性变形转向塑性变形,试件承载力的峰值应力为16.1 MPa,对应的轴向应变为0.017。在应力到达峰值之前,应变随着应力的增加而增加,煤样内的微破裂不断发展,轴向与径向应变速率迅速增大,应力达到峰值后,煤样内部结构遭到破坏,裂隙迅速扩展、交叉联合形成宏观断裂面,但试件基本保持整体状态,此后,煤样变形主要表现为沿宏观断裂面的块体滑移,而应力随应变增加而迅速减小。

在试验条件下,由于轴向压缩导致煤样径向扩张,所以轴向应变为正值,径向应变为负值。全应力－径向曲线的变化趋势与全应力－轴向曲线相似, 在0～12 MPa之间时,煤样发生线弹性变化。试件承载力大于12 MPa后全应力－径向应变曲线由直线变为曲线,煤样由弹性变形转向塑性变形,对应峰值应力的径向应变为－0.01。

体积应变曲线有3个明显阶段,即体积变形阶段,试件承载力为0～13 MPa;体积不变阶段,试件承载力为13～15 MPa;体积扩容阶段,试件承载力超过15 MPa。在体积变形阶段前期,体积持续减小,体积应变与试件承载力成正比,体积减小速率恒定,当试件承载力超过10 MPa后即该阶段后期,体积应变曲线斜率开始变大,偏离直线段,体积减小速率降低。在体积不变阶段,随着应力的增加,体积应变基本不变,这说明煤样体积虽有变形,但体积基本没有变化,轴向压缩与径向扩张相抵消。在体积扩容阶段分为两部分,第一部分是在应力达到峰值应力前,随着应力增加,体积应变不断减小,且应变速率越来越大;第二部分是达到峰值应力后,应力随着应变减小而迅速降低,在此阶段体积应变一直在减小,并由正值减小为负值,这说明煤样体积持续增加。在扩容阶段,煤样处于三轴压力状态下,体积应变持续增加的原因为应力达到峰值前,煤样内的微破裂不断发展,形成一些裂隙,应力达到峰值后,煤样内部结构遭到破坏,裂隙迅速扩展、交叉联合形成宏观断裂面,煤样变形主要表现为沿宏观断裂面的块体滑移。

由图2可以看出,4 MPa围压下的煤样的全应力－轴向应变曲线、全应力－径向应变曲线以及全应力－体积应变曲线的变化规律与2 MPa围压是相似的。峰值应力为29.8 MPa,峰值应力对应的轴向应变为0.023,径向应变为－0.0125,峰值应力相对围压为2 MPa明显提高。

图2　围压为4 MPa时煤样全应力－应变曲线

图3　围压为8 MPa时煤样全应力－应变曲线

由图3可以看出,8 MPa围压下的煤样的全应力－轴向应变曲线、全应力－径向应变曲线以及全应力－体积应变曲线的变化规律与4 MPa围压是相似的。峰值应力为56.5 MPa,峰值应力对应的轴向应变为0.025,径向应变为－0.014,峰值应力相对4 MPa围压明显提高。

综合图1、图2和图3可以看出,在不同围压条件下,煤样的轴向变形仍大致可分为压密阶段、弹性变形阶段、屈服阶段和破坏后阶段。围压对煤样变形具有明显的影响,随着围压的增大,岩石的抗压强度显著增加、岩石的变形显著增加以及岩石的弹性极限显著增大。煤的峰值应力见表2,煤的峰值应力下的轴向应变见表3。

由表2和表3可以看出,平均峰值应力和平均屈服应变随着围压的增大而增大。

3.2力热耦合作用下煤的力学特性

温度是影响煤体物理力学参数的重要因素之一,不同温度下煤样应力－应变对比曲线如图4所示。

由图4可以看出,煤样的抗压强度随着温度的升高有降低的趋势,在温度较低时对煤样的抗压强度影响较小,当温度上升到65℃时,其抗压强度降低较为明显,这是因为随着温度的升高,煤样的延性加大,屈服点降低。有研究表明,由于温度升高使煤样内部产生热应力,在热应力的作用下,煤样产生新的孔隙裂隙,导致煤样抵抗变形的能力降低。煤的弹性模量与温度之间的关系如图5所示,煤的泊松比与温度之间的关系如图6所示。

表2　煤的峰值应力　MPa

表3　煤的峰值应力下的轴向应变

图4　不同温度下煤样应力－应变对比曲线

由图4和图5可以看出,煤样弹性模量随着围压的不断增加也有所增加;在围压不变时,煤样弹性模量随着温度增加有较明显降低。

图5　煤的弹性模量与温度之间的关系

图6　煤的泊松比与温度之间的关系

由图4和图6可以看出,在围压不变时,泊松比随着温度的升高有增大的趋势,煤样泊松比与围压关系不大,随着围压的不断增加,煤样泊松比稍有增加,基本上在0.19～0.22之间,这说明煤样抵抗变形破坏的能力逐渐随温度升高降低。温度升高改变了煤样的内部结构,使得煤样内的孔隙裂隙增加。

4　结语

（1）围压对煤样变形具有明显的影响,岩石的抗压强度和变形随着围压的增大显著增加,岩石的弹性极限显著增大。

（2）在体积变形阶段前期,体积持续减小,体积应变与试件承载力成正比,体积减小速率恒定;在体积变形阶段后期,体积应变曲线斜率开始变大,偏离直线段,体积减小速率降低;在体积不变阶段,轴向压缩与径向扩张相抵消。在扩容阶段前期即应力达到峰值应力前,随着应力增加,体积应变不断减小,且应变速率越来越大,

后期达到峰值应力后,应力随着应变减小而迅速降低。

（3）煤样的抗压强度随温度的升高有降低的趋势,在温度较低时对煤样的抗压强度影响较小,当温度上升到65℃时,其抗压强度降低较为明显;在围压不变时,随着温度升高,煤样弹性模量有较明显降低;泊松比逐渐增大,泊松比与围压关系不大,随着围压的不断增加,煤样泊松比稍有增加,基本上在0.19～0.22之间。

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（责任编辑王雅琴）

Experimental research on mechanical behavior of coal sample with thermo-mechanical coupling effect

Wang Gongzhong1,Zhao Xintao1,Wang Guoji2
（1.School of Safety Engineering,Henan Institute of Engineering,Zhengzhou,Henan 451191,China; 2.Shengda Economics Trade& Management College of Zhengzhou,Zhengzhou,Henan 451191,China）

AbstractUnder different temperatures and different confining pressures,the authors conducted completed stress-strain experiments of raw coal sample（50 mm diameter and 100 mm height）from Yangcheng Jinsheng Rundong Coal Mine,Shanxi Jincheng Mining Group by using TAW-2000 triaxial testing machine from Henan Institute of Engineering Test Center.The experiment results showed that with increasing of confining pressure,the compressive strength of coal sample peak value gradually increased,the deformation and elastic limit of coal sample obviously increased;the compressive strength of coal sample had reduced trend when the temperature increased,the compressive strength effects of coal sample were weak when temperature was lower, when temperature rised to 65℃the compressive strength obviously decreased;when the confining pressures were stable but temperature increased,the elastic modulus of coal sample significantly reduced and the poisson ratio gradually increased;confining pressures had little effects on poisson ratio of coal sample,with confining pressure increased,the poisson ratio had a slight increased.

Key wordstemperature,triaxial stress,elastic modulus,poisson ratio

作者简介:王公忠（1975－）,男,山东泰安人,副教授,博士研究生,主要从事地下工程灾害预防与控制等方面的研究与教学工作。

基金项目:∗河南工程学院科技创新团队（CXTD20144002）

中图分类号TQ530.2

文献标识码A