高温三轴作用下无烟煤的物理特征研究

杜 赓，冯子军，徐晓鹏，董文强

（1.太原理工大学 矿业工程学院，山西 太原 030024；2.太原理工大学 原位改性采矿教育部重点实验室，山西 太原 030024）

岩石在单轴压力加载下的全应力应变曲线形态变化特征可以分为5 个阶段[1]，而在实际的原位开采过程中，必须涉及到静水压力对岩石力学性质的影响[2]。在当前工程当中，比如煤层气的高温注热开采，会涉及到高温对无烟煤力学性质的影响，以及在经历高温条件后无烟煤的力学性质变化规律。所以说，高温高压下岩石力学的研究成为当前岩石力学研究的重点。根据前人的研究[3-6]，温度会改变岩石的微观结构，弱化其固体骨架结构，从而劣化岩石的力学性能；在围压的加持下，煤岩的原生孔隙裂隙闭合，增加了煤岩的承载能力。在这种热力耦合作用下，煤岩的力学特性不仅仅是温度和围压对其影响的简单叠加，而是呈现出更加复杂的演化规律。万志军等[7]曾研究了无烟煤和气煤在500 m 原岩应力下室温至600 ℃，煤体弹性模量随温度的变化，认为随着温度的增高，煤体弹性模量降低，并且发现在升高至500 ℃左右，煤体已不再是标准的弹性体。但在岩石失稳强度的判断中，岩石的峰值抗压强度也是1 个重要的判断指标。阴伟涛等[8]在研究粗、细粒花岗岩的弹性模量的过程中，发现粗粒花岗岩的弹性模量和热变形受温度的变化更大，认为在粗粒的花岗岩中，发生的热破裂越明显；武晋文[9]通过对中高温三轴下的鲁灰花岗岩进行声发射研究，认为120 ℃左右是花岗岩发生热破裂的门槛值温度，并且在三轴作用下，升高温的过程中，发生了裂缝愈合和二次破裂。对比于无烟煤的力学特性，其内在的裂隙结构也是影响其破坏特征的关键因素，无烟煤自身裂隙结构较为完全；在三轴升温的过程中，内部的结构变化同样也是复杂的。为此，通过对10 MPa 静水压力下，无烟煤（室温～300 ℃）全应力应变曲线研究；300 ℃条件下，无烟煤（单轴15 MPa）全应力应变曲线研究；以及先升温500 ℃然后降温至300 ℃条件下，无烟煤（单轴15 MPa）全应力应变曲线研究，得出各个条件下的弹性模量以及峰值强度，通过300 ℃条件下的主应力σ1、σ2、σ3画出莫尔圆，判断300 ℃条件下和500 ℃降温值300 ℃条件下，无烟煤的黏聚力和内摩擦角是否发生变化，来判断高温对无烟煤的影响是否为可逆影响。

1 实验设备与步骤

1.1 实验设备

实验系统是太原理工大学原位改性采矿教育部重点实验室自主研发的伺服实验装置，核心部件为高温三轴应力室，实验设备可以模拟研究在600 ℃范围内不同地应力（围压、轴压）下的三轴应力实验。实验机围压采用注入高度压缩气体施加（优点是侧向受力均匀，σ2=σ3），轴压为液压传动，轴向和侧向载荷独立加载，采用光栅尺精确测量岩样变形，精度为0.001 mm。加热系统为电加热棒加热，用程序控制加热速度，为防止快速升温导致岩石内部发生温度梯度而减小热冲击效果对无烟煤产生的影响，从而设置加热速度为6 ℃/h。温度采集系统采用K 型热电偶测定，热电偶放置在煤岩之外的铜套外。

1.2 试样与实验步骤

本次实验所采集煤样来自晋城矿区，属沁水盆地南部，煤化程度属无烟煤，煤质较硬，钻取煤试样以无烟煤的垂直层理方向取心，截取φ50 mm×100 mm 的圆柱体，并磨平试样的2 个端面，去掉含有弱面的试件，得到无烟煤标准样。

1）测量试样尺寸，放于紫铜套中，并按操作规程安装于反应釜内。

2）在常温条件下，固定围压对试件轴向加载，加载速度为0.08 MPa/s，收集整个破坏过程中的应力应变曲线。

3）重新测量并安装其他试样，当温度到达300℃时，待保温4 h，然后再重复操作步骤2）。

4）温度升高到500 ℃，然后将加热棒的温度控制在300 ℃，当热电偶的温度显示为300 ℃时，保温4 h，然后再重复操作步骤2）。

2 实验结果

2.1 不同围压下的热变形特征

在升温至测试温度条件下的过程中，记录下来无烟煤在整个升温过程中的轴向应变。无烟煤在不同静水压力条件下的热应变如图1。

图1 无烟煤在不同静水压力条件下的热应变Fig.1 Thermal strain of anthracite under different hydrostatic pressure conditions

在万志军等[10]和王霞等[11]先前所做的研究中，认为花岗岩和褐煤在升温的过程，岩石发生的升温膨胀变形可分为3 个阶段。同样地，无烟煤在不同静水压力条件下的升温过程中，无烟煤的热变形也均分为3 个阶段。

1）低温缓慢变形阶段。在室温-50 ℃内，不同静水压力条件下，无烟煤没有发生明显的热变形。

2）中高温快速变形阶段。在50 ℃之后，应变开始发生相对明显的变化。在不同的静水压力条件下，无烟煤的快速变形阶段的阈值温度范围不同，5 MPa 静水压力条件下的温度范围是50～460 ℃、10 MPa 静水压力条件下的温度范围是50～405 ℃、15 MPa 静水压力条件下的温度范围是50～360 ℃。无烟煤在不同静水压力条件下的热膨胀系数如图2。在中高温快速变形的阶段，无烟煤的热膨胀系数也不同，总体上，无烟煤的热膨胀系数随着静水压力的增加而减小。

图2 无烟煤在不同静水压力条件下的热膨胀系数Fig.2 Thermal expansion coefficient of anthracite under different hydrostatic pressure conditions

3）超高温平缓阶段。无烟煤在升高至一定温度后，热应变随着温度而发生缓慢的变形。部分无烟煤试样随着温度的增加出现了略微的收缩（即热膨胀系数小于0），根据万志军等[7]和冯子军等[12]研究，无烟煤在超高温的条件下不再是标准的弹性体，而且由于无烟煤发生了低温热解，无烟煤中一部分固体有机质转变为气体随渗透管扩散到空气中，导致无烟煤在超高温条件下，不会有明显的膨胀变形甚至部分试样会出现收缩。

2.2 温度和静水压力作用下无烟煤的破坏特征

通过模拟地下400 m 埋深（静水压力10 MPa）不同温度（室温和100、200、300 ℃）下无烟煤，以及300 ℃下不同埋深（静水压力0、5、10、15 MPa）下无烟煤的力学破坏。得出了各个试验条件下的全应力-应变曲线。10 MPa 不同温度条件下无烟煤的全应力应变曲线如图3，300 ℃不同静水压力条件下无烟煤的全应力应变曲线如图4。因为本研究是模拟无烟煤在静水压力条件下的力学破坏（初始压力状态为σ1=σ2=σ3），所以仅做出σ1≥σ2=σ3部分的应力应变曲线。

图3 10 MPa 下不同温度全应力应变曲线Fig.3 Full stress-strain curves at different temperatures at 10 MPa

图4 300 ℃下不同静水压力全应力应变曲线Fig.4 Full stress-strain curves of different hydrostatic pressure at 300 ℃

2.2.1 静水压力作用下无烟煤的破坏特征

1）在静水压力为10 MPa 时，由于长时间的受压状态，使无烟煤中的孔裂隙闭合，相较于单轴压缩实验，10 MPa 下的应力应变曲线中不存在压密阶段。

2）在10 MPa 静水压力下，无烟煤发生的破坏均为脆性破坏。即在应力达到峰值强度的一瞬间，会发出一声脆响，然后应力马上出现大幅度降低，到达残余应力状态。在10 MPa 静水压力下，无烟煤的初始应力和应变相同，比较峰值应变，可以得出，随着温度的增加，峰值应变在减小。

3）温度对无烟煤的强度起到弱化作用。表现在，随着温度的增高，无烟煤的弹性模量和峰值强度都有一定程度上的减小。10 MPa 静水压力条件无烟煤的弹性模量和峰值强度参数见表1，10 MPa、300 ℃条件下无烟煤的弹性模量和峰值强度分别是同条件室温下的60%和56%。这在工程中会造成巨大的影响，有可能会造成固井的强度不够，这就要求在钻井时，更加注重支护。

表1 10 MPa 静水压力条件无烟煤的弹性模量和峰值强度参数Table 1 Elastic modulus and peak strength parameters of anthracite under 10 MPa hydrostatic pressure

2.2.2 不同温度无烟煤的破坏特征

1）300 ℃条件下，无烟煤的弹性模量与峰值强度随围压的变化与常温下的规律大致相同。即随着围压的增加，无烟煤的弹性模量和峰值强度都增加。300 ℃条件下无烟煤的弹性模量和峰值强度参数见表2。

表2 300 ℃条件下无烟煤的弹性模量和峰值强度参数Table 2 The elastic modulus and peak strength parameters of anthracite at 300 ℃

2）在15 MPa 静水压力条件下，无烟煤在屈服阶段的斜率要明显低于其他静水压力条件。岩石破坏后，应力下降的更少，且有一段类似于延性破坏中应力应变的关系（之后应力下降的原因是，岩石破坏使得密封围压的紫铜套出现破损）。这就表明在300 ℃时，15 MPa 的围压使得无烟煤的破坏逐渐转向半脆性破坏。

3）随着围压的增加，无烟煤的塑性增强，无烟煤进入塑性阶段表现出来的弹塑性特征越发明显。

2.2.3 弹性模量与温度和围压σ3关系

根据刘泉声等[13]的研究，脆性岩石的弹性模量随温度的变化呈二次多项式变化。用软件Origin 对表1 和表2 数据进行拟合得到弹性模量随温度和围压σ3的变化函数E（σ3，T）为：

式中：T 为温度；σ3为最小主应力；a、b、c、d、e、f为拟合系数，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 为杨氏弹性模量。。

3 无烟煤的热破坏特征

在本研究的实验条件下，无烟煤的破坏特征仍然是脆性破坏。无烟煤300 ℃、10 MPa 静水压力条件下试件破坏后（图略），主破裂面明显且与试件长轴方向斜交；且生成了多个破碎小块，是明显的压剪破坏[14]。

根据Mohr’s Criterion 准则[15-18]，认为岩石内某一点的破坏主要决定于它的最大主应力和最小主应力，即σ1和σ3。根据该理论，可以在τ-σ 的平面上，绘制一系列的莫尔应力圆，然后做出一系列的极限应力圆的包络线。这条包络线与σ 轴之间的夹角为岩石的内摩擦角，包络线在τ 轴上的截距为岩石的黏聚力。根据表2 中的结果，做出300 ℃时各静水压力条件下极限应力圆，然后做出包络线，300 ℃下无烟煤摩尔包络线如图5。

图5 300 ℃下无烟煤摩尔包络线Fig.5 Molar’s envelope curves of anthracite at 300 ℃

林睦曾[19]认为岩石是1 种导温系数和导热系数比较小的脆性材料，即煤岩是1 种热弹性岩石，类似于外界载荷对岩石的破坏，当温度高于某一峰值时，尤其是超高温时，岩石就会发生不可逆的改变。在实际工程中，比如在无烟煤的原位注热开采煤层气过程中，会涉及到无烟煤升温至300 ℃以及以上。这些工程当中，有的会涉及到无烟煤再降温过程，比如在开采煤层气之后，原位条件下的无烟煤煤层还需要在降温之后被采出，这时无烟煤的力学性质是否可以恢复到原来的水平，是用来判断后续工作的关键。探寻温度对无烟煤的弱化作用是否不可逆也是十分重要的。

在地层环境中，由于地层具有一定的保温效果[20]，煤层降温300 ℃可能需要1 年的时间。而在实验室中，直接降温会因为降温速度过快而导致岩石发生二次破裂。使得所测数据与实际情况严重不符。本研究中采用先将无烟煤试件升温至500 ℃然后控制加热棒温度，使无烟煤低速降温至300 ℃（降温速度约10 ℃/h）。得出各个静水压力条件下的应力-应变曲线，并做出摩尔包络线，500 ℃降温至300 ℃下无烟煤应力应变曲线如图6，500 ℃降温至300℃下无烟煤摩尔包络线图7。

图6 500 ℃降温至300 ℃下无烟煤应力应变曲线Fig.6 Stress-strain curves of anthracite when the temperature is lowered from 500 ℃to 300 ℃

图7 500 ℃降温至300℃下无烟煤摩尔包络线Fig.7 Molar’s envelope curves of anthracite when the temperature is lowered from 500 ℃to 300 ℃

由图6 可知：无烟煤在升温500 ℃然后降温至300 ℃之后，无烟煤的弹性模量以及峰值强度都有所降低。

由图7 可知：相较于300 ℃无烟煤的黏聚力和内摩擦角，升温然后降温至300 ℃的情况下，无烟煤的黏聚力和内摩擦角都有一定程度上的减小。这说明温度改变了原位条件下的无烟煤裂隙结构，这种影响类似于岩石破坏的塑性破坏，即降低温度，无烟煤的黏聚力和内摩擦角也无法恢复成原来条件下的状态；温度对原位条件下的无烟煤的弱化作用有一部分是永久性的。这与刘泉声[13]的研究结果是相符的。

4 结 论

1）无烟煤在300 ℃以及15 MPa 以内，发生的仍然是脆性破坏。即在破坏时会产生大量的能量，破坏面呈明显的压剪破坏特征面。

2）无烟煤在升温过程中，在50 ℃之后就开始发生明显的热变形；无烟煤的热变形随温度以线性的比例膨胀；围压越大，无烟煤的膨胀量越小。

3）围压对无烟煤的强度起保护作用；温度对无烟煤的强度起弱化作用。主要体现在：无烟煤的弹性模量随温度的增高，呈二次多项式减小的规律；且随着温度的增高，无烟煤的黏聚力和内摩擦角都会减小。

4）温度对无烟煤的影响有一部分是不可逆的。在升温的过程中，高温改变无烟煤的物理属性与高压改变岩石属性相似，即在温度冷却后，无烟煤也无法恢复到原先的强度水平，这对无烟煤的后续开采影响巨大。