低温环境下重塑性煤体抗压性能研究

孙修伟 ，梁为民 ，李敏敏 ，岳高伟 ，蔺海晓

（河南理工大学 土木工程学院，河南 焦作 454003）

煤与瓦斯突出是指瓦斯异常涌出现象，在矿井生产过程中尤为常见，至今仍是全球矿业所遇到的重要困难之一[1-4]。石门揭煤层中煤和瓦斯的突出，常表现出延迟突出、强度大、次数多、危险性大的特点，特别对于大部分中小煤矿，采煤过程中突出的煤与瓦斯对矿井安全生产、高效开采都会造成严重危害，甚至造成大量人员伤亡。如今，预抽瓦斯、排放钻孔、水利化措施、深孔预裂爆破、煤体固化等[5-7]一系列消除石门揭煤过程中存在的突出风险的措施已被国内外众多学者采用，并通过理论实践证实了防突的可行性，但对于一些煤层仍存在一定的安全性不足的问题。石门采煤液体冷冻技术对预防煤与瓦斯的突出具有重要意义。因此，对重塑性煤体低温抗压性能试验研究，将在一定理论基础上提供安全石门揭煤。

目前，一些国内外学者通过向煤层注水的方式改变煤体的物理、化学和力学性质，以破坏煤体内部两相体系的平衡，从而达到防突的作用。石门低温冷冻揭煤方法是结合人工冷冻技术提出的有效防突方式。周震等[8]提出煤体在弹性阶段和屈服阶段时最大应力和弹性模量均与冻结时间成正比；董若蔚[9]采用液氮冻结石门揭煤技术，分析了液氮冻结下煤体强度及力学参数指标的变化规律，试验结果表明：液氮冻结显著提高了煤体各项力学性能指标，冻结作用下抵抗破坏的能力得到加强；YUE Jiwei 等[10]对冻结煤样进行力学性能测试，研究了冻结煤体抗压强度和抗拉强度等力学参数随温度的降低呈线性增加；刘格辛等[11]通过采用单轴压缩试验研究了低温（-15～-5℃）砂岩物理力学性质的变化，得出：砂岩单轴抗压强度在低温冷冻条件下有明显变化，抗压强度和弹性模量强度和弹性模量、泊松比表现出相反的趋势；谢熊刚等[12-13]利用ANSYS 和RFPA2D等软件模拟了不同低温下石门揭露煤层的过程，建立了气-固耦合温度场数值模计算模型，得出注液冻结防突的最佳温度在-15 ℃附近；李波等[14]采用CT 扫描探究得出，随着温度的降低，煤体内部裂-孔隙不断扩展。相比较干燥煤样，饱水煤样因受到低温作用下产生的冻胀力而引起裂-孔隙半径减小。不同含水率下煤体内部结构由煤-煤分子致密点阵结构变成煤-水-煤界面结构，使煤体自身力学性能发生改变。含水率越高，煤体单轴抗压强度、弹性模量越小，塑性指数越大，低温冻结作用相反。当含水率逐渐增大直至饱和时，随着温度的变化，煤体的单轴抗压强度保持恒定[15-16]。ZHANG 等[17]对干煤试样和湿煤试样分别进行力学性能试验测试，对比分析得出：随着含水率增加，单轴的抗压强度和弹性模量均呈现出先增后减的态势，曲线均与指数函数拟合效果较好。当湿煤样达到饱和状态时，单轴抗压强度和弹性模量较初始干态均有所降低，分别降低了48.3%和37.6%。秦虎等[18]利用声发射特性测试得出，随着含水量的增加，煤样的单轴抗压强度均逐渐降低，而声学传递特性在不同含水率下有明显差异。

目前，国内和国外的学者对重塑性煤体在低温力学性能方面的研究都比较少。基于此，通过冻结不同温度下重塑性煤体力学性能测试研究，分析不同温度（-40、-30、-20、-10、0、20 ℃）、不同含水率（0%、4%、8%、12%、16%）下重塑性煤体的抗压性能变化规律，为石门低温冷冻采煤工程的实际应用提供一定的理论依据，也为防治煤与瓦斯突出新技术的发展指明了新的途径。

1 煤样制备

实验所用的煤样取自河南省巩义市大峪沟一矿矿井，煤的视密度1.6 t/m3，煤层平均厚度4.62 m，埋深175～650 m，煤层倾角7°～14°，粉状无烟煤，属于“三软”煤层，矿井涌水量为11.55～15.02 m3/h。在工作面上取出煤样后，及时进行密封保存，避免会出现分化现象。将取得的煤样进行粉碎，筛分到粒径在0.18～0.25 mm 内。含水率初步设定为20%，将煤粉与纯净水按照5∶1 的比例压制成煤样，记为煤样1、煤样2、煤样3。根据3 组煤样含水率随着烘干时间的变化，选取含水率依次为16%、12%、8%、4%、0%作为实验含水率控制的依据。在WES-1000B 万能试验机上压制成50 mm×100 mm 的标准煤样。3 组煤样含水率随烘干时间的变化规律如图1。

图1 含水率随烘干时间的变化规律Fig.1 Variation of moisture content with drying time

2 低温下重塑性煤单轴压缩实验和破坏特征

为了减少实验的误差和离散性，将实验方案设定为5 个含水率（0%、4%、8%、12%、16%）和6 个温度（20、0、-10、-20、-30、-40 ℃）下每个3 组共90 组的交叉实验，实验得出温度-含水率耦合作用下重塑性煤体单轴抗压强度及单轴抗压强度平均值，温度-含水率耦合下重塑性煤体单轴抗压强度见表1。

表1 温度-含水率耦合下重塑性煤体单轴抗压强度Table 1 Uniaxial compressive strength of remolding coal under temperature-moisture content coupling

由重塑性煤样单轴压缩下的破坏形态可知，不同含水率下煤样均会表现出圆锥破坏、柱状劈裂破坏、剪切破坏3 种破坏形式。含水率的不同，煤样产生的破坏裂纹宽度也不相同。含水率4%时煤样破坏形态如图2，含水率12%时煤样破坏形态如图3。

图2 含水率4%时煤样破坏形态Fig.2 Failure modes of coal samples with 4% moisture content

图3 含水率12%时煤样破坏形态Fig.3 Failure modes of coal samples with 12% moisture content

含水率4%时煤样的破坏形态表现为煤体表面先出现些许的裂纹，主裂纹大致与纵向轴线呈30°左右的方向上，主裂纹的两侧有几条不太明显的微裂纹；随着应力和位移的进一步增大，裂纹逐渐变宽，主裂纹依然占有主要地位，微裂纹也有扩大的趋势，最终试件会沿着主裂纹突然发生剪切破坏，破坏面基本跟垂直方向呈30°左右，表现出较为明显的脆性破坏。

含水率较高时（8%、12%、16%）煤样的破坏形态由脆性破坏转变为具有一定特征的塑性破坏。煤体表面先出现一点微小的裂纹，随着应力和位移的不断增大，裂纹逐渐变宽，试件上下开始出现微小的裂纹；随着应变的逐渐增加，裂纹逐渐扩张，煤样最终被破坏，这种破坏表现为较为明显的塑性破坏。

3 实验结果

3.1 重塑性煤体单轴压缩下的力学性能

在竖向应力作用下，重塑性煤样产生纵向压缩变形与横向的膨胀变形。温度-含水率耦合作用下重塑性煤体应力-应变曲线如图4。测试煤样在温度-含水率耦合下会经历4 个阶段：压实、弹性、屈服、软化。加载初期，煤样应力逐渐增加，应变不变，直至应力达到5.5 MPa 附近煤样才会进入弹性阶段。煤样应力-应变曲线在弹性阶段均出现类似于直线部分，应力与应成正比例关系。

图4 温度-含水率耦合下煤体应力-应变曲线Fig.4 Stress-strain curves of coals under temperature-moisture coupling

由图4 可以看：出温度高于0 ℃时，应力-应变曲线斜率随含水率的增加逐渐减小，即含水率越高，弹性模量越小；温度低于0 ℃时，随着水分的增加，曲线的斜率（弹性模量）会慢慢升高。微裂-孔隙在弹性过程中逐步被压实进入屈服阶段，随应变的增大，曲线逐渐平缓。在不同温度下，裂纹的生成速度会随着含水率的提高而变慢，煤样的可塑性会增加。煤样内部裂纹随垂直压力增大而产生并不断扩大，逐渐达到煤样受力的极限。温度在20 ℃与0 ℃下，屈服强度随着含水率的增加逐渐降低，含水率在0%处屈服强度达到最大。温度低于0 ℃，屈服强度随温度的降低逐渐升高，最大值均出现在最大含水率处。这是由于水冻结成冰提高了煤颗粒之间的黏结，煤样从脆性转变为塑性，屈服强度提高，微裂纹逐渐发展为宏观裂纹，煤样进入软化阶段，软化阶段随着含水率越来越高会逐渐延长，煤样最终遭到破坏。

由于低温作用下冰水相变会产生一定的冻胀力，随着外荷载的增加，重塑性煤体在冻胀力的作用下发生体积的膨胀，从而导致原有的损伤扩展，产生了新的裂隙和裂纹。由热弹性理论可知：体积应变、煤样孔隙内部产生的冻胀力均是随温度变化的函数，体积应变与孔隙冰胀力的关系为[19-20]：

由式(4)可知， ∂P(T)/∂T>0恒成立，即在-40～20 ℃内，煤体孔隙中的冰胀力随着温度的降低逐渐降低，重塑性煤体的抗压强度得到提高。

3.2 温度对重塑性煤体抗压强度的影响

实验得到不同含水率（0%、4%、8%、12%、16%）下重塑性煤体抗压强度与温度的拟合曲线，同一含水率不同温度下重塑性煤抗压强度拟合曲线如图5。

图5 同一含水率不同温度下重塑性煤抗压强度拟合曲线Fig.5 Fitting curves of compressive strength of remoldeling coals at different temperatures with the same moisture content

同一含水率下，重塑性煤体的抗压强度拟合曲线随温度升高逐渐减小，均呈反比例函数趋势。在含水率较低（0%和4%）的情况下，重塑性煤体抗压强度随温度的变化不会有太大的起伏。由于水分子的介入，分子之间距离不断增加，范德华力变小，所以煤体在含水率为4%、8%、12%、16%时，表现出一定含水率下煤体抗压强度一般大于完全烘干状态下煤体的抗压强度。在冰冻条件下，当含水量由4%提高到16%，煤体的抗压强度都有不同程度的提高。温度在-30～0 ℃范围内，含水率0%的抗压强度比4%稍高。这一方面是因为煤粒之间的相对摩擦较大，在含水率低的情况下，颗粒之间的咬合力更强，水分子会破坏煤粒之间的平衡，造成煤粒之间的滑动表面一定程度偏移；另一方面则是因为烘干箱在控制含水率的过程中，水分的控制是由表面烘干到试件中央，虽然经过一段时间的密封保存，但由于水分子分布比较分散与试件不均匀，造成抗压强度降低。与含水率12%、温度20 ℃下的抗压强度值相比较，重塑性煤体在同一含水率，温度为-10、-20、-30、-40 ℃时的抗压强度依次提高约47.8%、70.5%、98.1%、115.2%。

3.3 含水率对重塑性煤体抗压强度的影响

同一温度不同含水率下重塑性煤抗压强度拟合曲线如图6。

图6 同一温度不同含水率下重塑性煤抗压强度拟合曲线Fig.6 Fitting curves of compressive strength of remoldeling coals under different moisture content at the same temperature

随着含水率的增加，煤体在常温（20 ℃）和0 ℃的抗压强度变化不大，且均呈降低的趋势。2 种温度下均表现出含水率为0%时，抗压强度最大。这是由于煤体中的水分没有冻结，相对滑移变形变大，减少了颗粒间的摩擦力，从而降低了重塑性煤的抗压强度。当试验煤样低于0 ℃时(冻结温度)，随着含水率的升高，重塑性煤体的抗压强度呈二次函数曲线逐渐升高。随着温度的逐渐降低，重塑性煤体抗压强度受含水率的影响越显著。同样含水率的煤样，随着冻温的降低，其抗压强度也在逐步提高。这是因为含水率的增加，使煤-煤结合作用变成煤-水-煤结合作用，重塑性煤体在冻结作用下内部结构中的水由冰取代，影响了颗粒间的排布，煤颗粒与颗粒之间形成了较强有力的黏结，提高煤体抗压强度。

相对常温（20 ℃）、含水率16%条件下，各阶段的抗压强度相对增长率如图7。

图7 抗压强度相对增长率Fig.7 Relative growth rate of compressive strength

随着温度的降低，抗压强度相对增长率逐渐增加。对于0 ℃，随含水率的增加抗压强度相对增长率呈下坡式增长。温度低于0 ℃，抗压强度相对增长率曲线均随含水率的增加呈先降低后增加的趋势，抗压强度相对增长率在含水率4%的情况下出现拐点。含水率超过4%时，冻结温度越低，抗压强度的相对提高幅度就越快，最大依次增长63.75%、97.73%、142.56%、164.24%。

3.4 温度和含水率对煤体峰值应变与应力的影响

不同温度下煤体峰值应力与峰值应变的变化曲线如图8，不同含水率下煤体峰值应力与峰值应变的变化曲线如图9。

图8 不同温度下煤体峰值应力与峰值应变的变化曲线Fig.8 Variation curves of peak stress and peak strain of coals at different temperatures

图9 不同含水率下煤体峰值应力与峰值应变的变化曲线Fig.9 Variation curves of peak stress and peak strain of coals under different moisture content

由图8 可以看出：随着冻结温度的降低，煤体峰值应力与峰值应变均逐渐呈直线型增加，相比较常温（20 ℃），峰值应力与峰值应变在-40 ℃下分别提高了165.71%、685.72%。

由图9 可以看出：峰值应力与峰值应变随含水率的增加也逐渐增加，相比较含水率0%，峰值应力与峰值应变在16%下分别提高了94.37%、816.67%。可见，低温、高含水率会显著提高煤体的峰值应力与应变，煤体抗压强度得到增强。

4 结 语

1）根据热弹性理论，低温-高含水率作用下重塑性煤体孔隙冰胀力影响煤体的抗压强度，冰胀力与温度呈正相关关系，冰水相变产生的冻胀力随着温度的降低逐渐降低，使重塑性煤体的抗压强度提高。

2）煤样试件抗压强度在未冻结前无明显变化。在冻结温度下，重塑性煤体的抗压强度得到明显增强。随着水分含量的增加与温度的降低，抗压强度越提高越明显，抗压强度最大提高164.24%。

3）重塑性煤样在常温（20 ℃）和0 ℃下，随着含水率的升高，抗压强度逐渐降低。温度低于0 ℃时，随着含水率的增加，重塑性煤的抗压强度大幅度增长，增长曲线与二次函数曲线拟合度较高。

4）低温、高含水率下煤体的峰值应力与峰值应变会显著提高，峰值应力与峰值应变依次最大提高165.71%、816.67%。