褐煤失水形变特性研究初探

宋彦琦马宏发郑俊杰杨敏健申付新邵志鑫

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

现阶段高阶煤炭资源已接近枯竭,褐煤作为一种煤化程度较低的矿产资源,已成为我国火力发电重要燃料[1-2]。西北地区广泛存在大量褐煤矿产资源[3],且浅埋煤层多以露天开采为主。浅部小厚度煤层因开采价值低廉,通常不采而形成组合边坡,以保证开采工艺的连续性,同时非工作帮底部一般存在较厚煤质边坡[4-5]。褐煤含水率一般为20%～50%[6-7],其暴露状态下渐进失水可能造成岩体结构损伤,进而影响边坡稳定性,因此有必要开展失水褐煤响应特征研究。

岩石失水本质上仍为水岩作用,国内外学者研究水岩作用多通过控制含水率实现,处理方式包括浸泡法[8-11]、烘干法[12-13]等,进而探究水对岩石内部结构特征、力学特性的影响规律。浸水岩石与外部溶液一般存在物质交换过程,岩石内部可溶物质逐渐析出。另外,自由水流动造成结构体成岩颗粒剥落,使得岩石损伤加剧[11]。胡玉、邓华锋等[14-15]试验发现,浸水砂岩内部孔隙、裂隙逐渐发育、汇集,矿物颗粒逐渐软化分解,岩石结构趋于松散,同时力学参数显著劣化。

岩石失水后,一方面会因水软化效应减弱而造成结构体强度增大[12]。Song 等[16]开展了不同烘干时长凝灰岩单轴压缩试验,分析了不同含水变化率岩样力学参数、破坏特征的差异性,结果表明,干燥时间越长、含水率越低,凝灰岩强度越高,且所得参数均质性更好。另一方面,高含水率岩石失水会造成内部充水孔隙结构大范围显现,导致岩石裂纹数量激增。冯子军等[17]开展了高温条件下褐煤热解CT 扫描试验,发现当热解温度低于200 ℃时,褐煤内部因水和气体散失而形成较为明显的细长裂纹,而温度高于200 ℃时,煤岩内部因热解产物快速逸出而形成大量圆形或椭圆形孔隙。

现有针对褐煤研究方向主要是热解提质,其核心是降低褐煤含水率,去除可挥发成分[18-19],而褐煤常温失水结构及参数演变特征的相关研究较少。岩土体失水研究主要侧重对象是膨胀土,含水膨胀土通常会发生失水皱缩现象[20-21],而高含水率褐煤是否具有类似性质,有待深入研究。据此,本文开展了褐煤恒温失水特性试验,研究了褐煤渐进失水特征与岩石变形、孔隙率演化的相关性,分析了褐煤裂纹扩展规律,定量表征了失水褐煤损伤特征,探究了失水褐煤变形及裂纹扩展机理。

1 试样制备及试验方案

1.1 试样制备

试验所用褐煤取自内蒙古锡林浩特胜利露天煤矿。该矿主采低阶褐煤,边坡偶见小厚度煤层,同时非工作帮紧邻锡林河畔,补水量大。为避免风化影响,将现场取得完整褐煤煤块进行保鲜膜封存,运抵实验室后经钻取、切割、端面磨平后加工尺寸为ϕ50 mm × 100 mm 标准圆柱试件,加工精度满足试验标准。褐煤岩样一般具有明显的层理特征,水钻法取样过程中均采取垂直岩块层理钻取方式,成品岩样层理多为水平或近水平,制取岩样如图1所示,岩样表面呈灰黑色,肉眼可见层理特征,局部含有明显植物残留,腐殖化程度低。

图1 制取岩样特征Fig.1 Characteristics of standard lignite samples

1.2 物质组成

褐煤具有高含水率特征,其物质组成与失水的关联尚不明确,因此试验前需对岩样的矿物成分进行分析。将褐煤岩样进行破碎、研磨至粉末状,细度为300 目,采用X 射线荧光光谱(XRF)对粉末样品中元素及氧化物含量进行半定量分析,然后利用X 射线衍射(XRD)确定样品中的矿物组成及含量,结果见表1、图2。表1仅列出质量分数(Wt)高于0.5% 的元素及氧化物。

表1 褐煤岩样XRF 测试结果Table 1 XRF test results of lignite rock samples %

由表1可知,褐煤样品中Mg 至Fe 元素质量分数总计为16.13%,MgO 至Fe2O3质量分数总计为23.56%。由图2可知,褐煤中含有石英、正长石、白云母、高岭石、黄铁矿等矿物,且质量分数总计为24.40%。其中,高岭石属黏土矿物,白云母属伊利石族,是向蒙脱石族矿物转变的过渡矿物,是潜在黏土矿物组成部分。

图2 褐煤矿物组成及含量占比Fig.2 Mineral composition and content proportion of lignite

综上可知,褐煤中有机碳含量必然低于75.6%,杂质含量较多是褐煤热值较低的主要原因之一。另外,褐煤含一定黏土矿物,就必然存在“遇水膨胀,失水皱缩”的特性[20-21]。

1.3 试验方案

褐煤具有化学反应强、暴露空气中易风化的特点[6-7]。因此,露天矿工作帮及非工作帮裸露煤体风化失水后的结构演变对边坡稳定性存在重要影响。为初步判断褐煤岩样的含水率,保证失水试验的顺利进行,首先对试验褐煤进行了煤质化验分析,结果显示:褐煤全水分含量为38.65%,空气干燥基水分含量为16.71%,分析氢含量为3.20%。

本次试验主要目的是研究褐煤渐进失水特性,具体试验步骤:

(1) 4 个饱水标准岩样并排放置,四周无遮挡物,通过不间断空调控制维持室温在25 ℃、空气湿度在42%～58% 范围内。

(2) 不定时取出岩样进行质量、直径、高度测量。其中,沿端面周长均匀测取岩样高度4 次,岩样上、中、下测取直径3 次,高度、直径各取平均值,质量测量1 次。岩样称重采用高精度电子天平,精度0.01 g,尺寸测量采用高精度数显游标卡尺,精度0.02 mm。

(3) 岩样质量损失接近或超过10% 后停止试验,而后将试样浸水,充分吸水后测量岩样的质量、高度、直径。

2 试验结果

2.1 质量及失水率

试验进行至5 632 min 后停止,此时4 个褐煤试件质量损失均接近或超过10%,对各试件在不同时间点的质量进行统计,获得了褐煤质量渐进变化数据;定义褐煤质量损失量与初始岩样质量比值为失水率,进一步得到失水率随失水时间的演化规律(图3)。试验所得相关参数见表2。

表2 褐煤岩样质量及尺寸参数统计Table 2 Statistics of quality and size parameters of lignite samples

图3 褐煤岩样质量及失水率随时间演化特征Fig.3 Evolution characteristics of quality and water loss rate of lignite samples

由表2、图3可知,室温25 ℃时,各褐煤岩样质量随失水时间增加逐渐降低。试验结束时A-1～A-4 号试件质量分别降低了27.00 g、19.88 g、45.28 g、21.00 g,同时各岩样在前1 600 min 时质量下降明显,后期逐渐趋缓。可见,褐煤在裸露条件下,外部水分极易蒸发,但由外向内的失水过程因未失水部分空气暴露面积变小导致失水速率逐渐降低。褐煤失水率随失水时间增加而逐渐增大,与质量变化原因一致,增长趋势呈“先陡后缓”,最终A-1～A-4 号试件失水率分别为11.58% 、8.54% 、19.51% 、9.06%,但低于褐煤全水分含量。可见:短期内常温暴露并不能使褐煤完全失水,仍有大量水分保存在岩样内部。

另外发现,A-3 号试件失水量及失水率均高于其他岩样,分析认为:岩样表面存在明显植物痕迹,孔隙特征显著,推测内部水分相对较多,且前期测量密度也相对较低,为失水过程提供了更多有利条件,因此失水量也更大。失水试验结束后,将各试样充分浸水,岩样质量不断增加,同时浸水过程中岩样表面出现大量气泡,并伴有“嗤嗤”声响。这表明失水后褐煤岩样孔隙特征显著,外部水源条件下,岩样快速吸水,但最终测得岩样质量仍略小于初始状态,原因是:试验最终岩样已产生较大横向裂纹,且浸水后无法恢复原貌,表面干燥处理时大裂隙水随之流出,造成测量质量偏低。

2.2 应变演化特征

由表2可知:失水岩样高度和直径均逐渐减小。褐煤岩样外部并无其他因素变化,类似于膨胀土失水皱缩[20-21],岩样变形必然由内部应力调整所致,所以需进一步讨论失水褐煤形变特征。

单轴压缩试验中圆柱形岩样的轴向应变、环向应变和体积应变关系满足[22]:

式中,εx、εy、εV分别为岩样的环向应变、轴向应变、体积应变。

假定失水褐煤岩样轴向及环向变形均匀,则岩样某一位置处的应变特征关系仍满足式(1)。因此,结合试验数据进一步得到褐煤岩样应变随失水时间增长的变化规律,如图4所示。

由图4可知,各褐煤岩样轴向应变、环向应变及体积应变均逐渐增长,试验结束时A-1～A-4号试件轴向应变依次为0.020 4、0.010 6、0.007 1、0.011 2;环向应变依次为0.027 7、0.017 2、0.014 3、0.021 8,明显高于轴向应变。分析认为:环向应变垂直于层理结构,岩样失水过程中,孔隙壁亲水基质收缩导致孔隙尺寸减小,但结构仍完整保留,而横向介质连续,岩石基质失水皱缩程度更大,进而导致环向应变相对较大。轴向应变及环向应变均呈“先陡后缓”增长趋势,时间分段点在1 600 min左右,同时在2 000 min 前,轴向应变与环向应变相差较小,但后期差距逐渐增大。

图4 褐煤岩样应变随时间演化特征Fig.4 Strain evolution characteristics of lignite samples

随着失水时间增加,岩样体积应变也在逐渐增大,试验结束时A-1～A-4 号试件体积应变分别为0.075 8、0.045 1、0.035 7、0.054 7,增长趋势呈“先陡后缓”。岩样失水过程中发生体积收缩,表明岩石内部存在明显指向岩样内部的收缩作用力[20],且根据应变增长率的阶段变化特征,确定内部收缩应力大小也在不断地调整,并表现为先增后减的变化趋势。

由表2可知,失水岩样浸水后,岩样的直径、高度均有一定程度的增大,其中直径略小于初始岩样,而高度则增加至接近或超过1 mm。原因是:皱缩岩样在后期浸水条件下因孔隙、裂隙不断吸水而产生体积膨胀,同时因岩样横向裂纹过多,导致轴向浸水膨胀效应更强;端面施压后,岩样表面溢出大量水分,表明岩样已产生明显横向贯通裂隙,轴向高度显著增加是由裂纹水膨胀所致。

2.3 体积及孔隙率

褐煤内部水分主要存于孔隙结构中,失水过程中必然伴随岩样孔隙率的变化[18]。因此定义褐煤失水过程中的孔隙率为

式中,Ni为常温失水试验进行imin 后褐煤岩样的孔隙率;ΔVi水为褐煤岩样水体积减少量;Δm为褐煤岩样水分减少量;ρ水为水的密度,取1.0×103kg/m3;Vi岩、ΔVi岩分别为i时刻褐煤岩样体积及相对初始状态体积减少量,可测量获得。

图5为褐煤岩样常温失水过程中水分体积减少量、岩样体积减少量及孔隙率随失水时间增加的变化特征。褐煤岩样水分减少体积、岩石收缩体积、孔隙率均逐渐增大,且呈“先陡后缓”的增长趋势,时间点在1 600 min 左右。对比图3、图4发现,岩石形变过程与质量、失水率基本同步,进一步证实岩样收缩变形是由失水效应所致。试验结束时,A-1～A-4 号试件孔隙率依次为7.19% 、6.53% 、20.26% 、6.25%,即在常温下褐煤水分蒸发会造成褐煤岩样内部缺陷逐渐显露。

图5 褐煤岩样体积及孔隙率变化特征Fig.5 Variation characteristics of volume and porosity of lignite rock samples

上述研究结果具有显著意义,一方面,针对褐煤热解提质过程,为节约加热烘干成本,可将褐煤进行短期自然放置,初步增大褐煤孔隙率,为后续水分蒸发及挥发物质析出提供通道;另一方面,褐煤露天矿工作帮及非工作帮煤体长时间裸露会造成水分大量流失,岩体变形严重,结构受损,边坡稳定性难以控制,因此需对含褐煤露天边坡进行防护处理,弱化褐煤失水效应。

2.4 表面裂纹演化特征

褐煤失水后,孔隙结构并不能完全闭合,随着失水时间增加,孔隙结构贯通、孔内负压引起的收缩变形与岩样裂纹萌生扩展过程密切相关。限于篇幅,仅以A-1 号试件为例进行分析(图6)。

由图6可知,试验前褐煤岩样表面光滑,并无明显裂纹,且存在明显水平层理特征。室温放置319 min 后,岩样上端首先出现明显裂纹且为平行层理方向;503 min 后,初始裂纹扩展延长,新生裂纹出现,均集中在岩样上部;533 min 后,岩样下端出现明显沿层理方向的裂纹且扩展至下部端面;5 632 min 后,岩样上下端布满裂纹,且出现明显的竖向裂纹,各主裂纹间相互贯通,形成明显的裂隙网络。同时,岩样中部出现大量的细小裂纹,多沿层理方向扩展发育。结果表明:室温失水条件下,褐煤岩样侧向裂纹历经上部萌生扩展→下部渐进发育→相邻裂纹贯通→中部大量萌生的渐进发育过程。

图6 A-1 试件常温失水侧面裂纹渐进演化特征Fig.6 Progressive evolution characteristics of side crack of A-1 sample at room temperature

褐煤的水平层理特征,必然使其环向更易受到失水的影响。水平层理结构渐进失水过程中,孔隙中毛细水产生的表面张力对孔隙壁扩张逐渐失去约束,孔隙岩体产生不均匀变形,当孔隙尖端应力超过层理方向基质的抗拉强度时,裂纹产生并逐渐扩展[21]。同时,因局部轴向变形不一致,导致轴向裂纹产生,相邻横向裂纹贯通。

3 分析与讨论

3.1 端面渐进龟裂及裂纹分形特征

与膨胀土失水特征类似,高含水率褐煤端面在失水过程中表现出显著龟裂特征,如图7所示。

图7 A-1 试件常温失水端面裂纹渐进演化特征Fig.7 Progressive evolution characteristics of end face crack of A-1 sample at room temperature

由图7可知,随着失水时间增加,岩样表面裂纹逐渐增多,且由侧面逐渐向中心发育,同时扩展裂纹宽度随延伸方向逐渐变小。302 min 后,主干裂纹两翼出现多条次生裂纹,且逐渐相互贯通;1 507 min 后,裂隙网络进一步发展,主裂纹通过次生裂纹连接后也相互贯通,岩样表面被分割成多块独立区域;5 632 min 后,岩样表面裂隙网络基本形成,主裂纹宽度进一步增加,且表面因基质不均匀变形而不再光滑平整。

岩石微细观非均质性是影响岩石系统稳定的关键因素之一[23]。数学家Mandelbrot 提出分形几何理论,用以量化多孔介质的不规则程度和结构的自相似性[24]。现有研究表明:岩石较为复杂的孔隙裂隙系统同样存在明显的分形特征[25]。一般来说,分形维数变大,岩石的非均质程度增强,表面粗糙;分形维数变小,均质性提高,表面越平整[26]。目前,定量研究岩石结构分形特征主要以“盒维数”统计方法为主,其计算原理如下:

式中,Dbox(s)为分形维数;N(a)为覆盖区域内边长为a的盒子数量;a为盒子边长。

针对图7中不同失水时间褐煤上端面裂纹扩展图像,经均值滤波、阈值分割等将其处理成裂纹分布的二值图像,通过改变盒子的边长a,获得对应覆盖区域内盒子的数量N(a),最后采用最小二乘法拟合散点得到对应图片的分形维数Dbox(s)。图8为不同失水时间岩样上端面裂纹分形维数演变特征。

图8 A-1 试件常温失水端面裂纹分形演化特征Fig.8 Fractal evolution characteristics of end crack of A-1 sample at room temperature

由图8可知,随着失水时间增加,褐煤岩样端面裂纹分布的分形维数基本呈线性增长趋势,表明:岩样端面裂纹数量逐渐增加,图像混乱程度增大;褐煤岩样表面裂纹区域不协调发展,端面被裂纹切割形成大小不一的块体,且后期岩样端面粗糙程度显著增加,岩石系统向非稳定方向发展。

3.2 褐煤常温失水渐进损伤特征

褐煤失水后,内部孔隙结构逐渐显现,造成岩体结构渐进损伤。基于孔隙率变化特征,可将损伤变量定义为[27]

式中,ΔS为岩石破坏结构面积;S为完整岩石可承载面积;N0为岩石初始孔隙率;Ni为对应失水时间岩石孔隙率。

本次实验中,初始岩样为饱水状态,孔隙率定为0,此时损伤变量可以表示为

进一步得到褐煤常温失水的损伤变量与失水率的相关特征,如图9所示。

由图9可知,褐煤失水率与其损伤变量呈正相关,失水试验结束时,A-1～A-4 号试件损伤变量依次为0.071 8、0.065 3、0.202 6、0.062 5。除A-3 试件外均值为0.066 5,A-1、A-2、A-4 号试件损伤变量增长并非线性,具有明显的三阶段特征,依次为线性增长阶段、减速增长阶段、加速增长阶段。试验中,岩样表面快速失水,而后因空气中暴露面积减小,失水速率短期内降低,但试验后期岩样内部裂隙网络形成,不断扩大的导水空间有利于水分的快速蒸发。

图9 褐煤岩样失水率与损伤变量演化关系Fig.9 Relationship between water loss rate and damage variable of lignite rock samples

褐煤失水后孔隙结构凸显,上述损伤变量并未考虑因水表面张力造成岩石裂纹扩展的损伤部分,因此失水岩样实际损伤累计更大。一方面,孔隙裂隙数量增多造成煤体渗透率增大;另一方面,失水造成的损伤使煤体结构逐渐劣化,对应承载能力也降低,在帮部剪应力作用下更易诱发滑坡灾害。

3.3 褐煤常温失水变形机理

褐煤岩样内部存在大量原生孔隙[18-19],试验后期岩样表面大量水平裂纹产生,假设孔隙均为水平或近水平均匀分布,如图10所示。随着水分蒸发,孔隙结构中因毛细作用及表面张力形成收缩膜,进而导致基质吸力的产生,不断减小自由空间,宏观上表现为材料的收缩变形[20]。基质吸力与毛细水收缩膜曲率半径的关系可以表示为

图10 褐煤孔隙失水变形收缩机理Fig.10 Deformation and shrinkage mechanism of pores by the gradual water loss of lignite

式中,Sm为基质吸力;ua为空气压力;uw为孔隙水压;Ts为收缩膜的表面张力;r为毛细孔的半径;θ为毛细水的接触角;Rs为收缩膜的曲率半径。

由式(7)、图10可知,基质吸力仅与收缩膜的表面张力及曲率半径有关。饱水状态时,褐煤孔隙水含量较高,且孔隙水压的存在造成孔隙直径较大,同时孔隙内部空气压力相对较小,基质吸力存在但处于较低水平。随着岩样水分的不断蒸发,孔隙水压持续降低,基质吸力对应增大;另外,不断降低的孔隙体积造成毛细水表面收缩膜的曲率半径减小,基质吸力进一步增大,结果造成岩样孔隙结构发生轴向及横向收缩变形,最终促使岩样体积收缩。

孔隙结构的不连续性使得中间岩石基质具有一定承载能力。在基质吸力作用下,孔隙结构也不能完全压缩闭合,因而失水体积远大于褐煤岩样的收缩体积。试验后期,大量孔隙结构显现,含水孔隙占比逐渐降低,必然使褐煤岩样内部基质吸力对应降低,因此褐煤失水试验中基质吸力呈先增后减的变化趋势,造成岩样轴向及横向变形速率也具有相似变化特征,所得结论与前述试验结果一致。

岩样内部含水孔隙未联通时,由于基质吸力作用,孔隙小幅度闭合,靠近裂隙端部位置因褐煤基质存在而变形量相对较小,不均匀变形必然使得孔壁应力场分布不均,产生应力集中,当应力峰值达到褐煤抗拉强度时,孔壁在该位置处发生断裂[21],进而形成轴向的新生裂纹,长时间作用下轴向裂纹不断扩展;根据最小作用量原理[28],轴向裂纹必然率先与较近横向裂纹贯通,从而形成明显的裂隙网络(图6)。

4 结 论

(1) 褐煤杂质含量高于23.56%,其中包含高岭石等黏土矿物;常温失水过程中失水率呈“先陡后缓”的增长趋势;试验结束时褐煤岩样失水率接近或超过10%。失水过程中褐煤岩样产生轴向及横向收缩变形,对应轴向应变、环向应变、体积应变呈“先陡后缓”的增长趋势。

(2) 褐煤失水体积始终高于岩样收缩体积,孔隙结构逐渐显露,最终孔隙率约为6.66% ;褐煤层理结构造成失水后横向裂纹萌生扩展,且发育位置依次由上端到下端,最后过渡到中部,裂纹尺寸各异。

(3) 褐煤岩样端面存在显著龟裂特征,即主裂纹与次生裂纹割裂岩样表面形成独立块体;端面裂纹分形维数随失水时间增加呈线性增长趋势。

(4) 褐煤岩样损伤变量呈非线性增长,最终约为0.066 5,且可分为线性增长阶段、减速增长阶段、加速增长阶段;受毛细作用控制,孔隙失水过程中的基质吸力增大是造成岩样轴向及横向压缩变形、竖向裂纹萌生扩展的主因。

本文充分讨论了褐煤失水劣化特征及其作用机理,但要进行失水褐煤煤质边坡稳定性分析研究还需对煤岩进行相关力学测试;同时文中损伤变量定义为自然损伤,未考虑实际褐煤所处工程地质条件,这也是我们后续研究的重点。