, 段敏克1, 田维军1,31. 重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室, 重庆 400030;
2. 重庆市交通规划勘察设计院, 重庆 401121;
3. 重庆市綦江区国土资源和房屋管理局, 重庆 401420
收稿日期：2016-04-13
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51674048, 51204217)；重庆市科技计划资助项目(cstc2015jcyjA90009)；中央高校基本科研业务费专项资金重点资助项目(CDJZR14245501)。
作者简介：廖雪娇(1986-), 女, 重庆开县人, 高级工程师, 重庆大学博士研究生;
蒋长宝(1982-), 男, 江苏兴化人, 重庆大学副教授, 博士生导师。
摘要：以原煤为研究对象, 利用“含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置”, 开展温度对采动作用下含瓦斯煤力学特性的影响研究.研究表明:1) 在相同初始围压、气压和温度下, 与恒定围压相比, 卸围压煤样屈服段缩短, 峰值应力和对应的轴向应变降低, 横向应变速率增大, 侧向膨胀系数和变形模量的演化进程加速; 2) 在相同初始围压和气压下, 随温度升高, 卸围压煤样强度降低, 峰值应力处各应变均减小, 侧向膨胀系数和变形模量均增大; 3) 高温环境下, 煤岩发生失稳破坏和瓦斯突出的危险性变大, 对采煤工作面巷道支护和瓦斯突出防治提出了更高的要求.
关键词：采动力学卸围压全应力-应变温度原煤
Influence of Temperature on the Mechanical and Deformation Properties of Containing-Gas Raw Coal Under Mining
LIAO Xue-jiao1,2, JIANG Chang-bao1
, DUAN Min-ke1, TIAN Wei-jun1,31. State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control, Chongqing University, Chongqing 400030, China;
2. Chongqing Communications Planning Survey & Design Institute, Chongqing 401121, China;
3. Chongqing Qijiang District Administration of Land, Resources and Housing, Chongqing 401420, China
Corresponding author: JIANG Chang-bao, E-mail: jcb@cqu.edu.cn
Abstract: Taking raw coal as object, by using self-made "thermal-hydro-mechanical coupled with triaxial servo-controlled seepage apparatus for containing-gas coal", the effect of temperature on the mechanical properties of containing-gas raw coal was studied under constant confining pressure and unloading confining pressure. The results showed that: 1) Under the same initial confining pressure, gas pressure and temperature, compared with the constant confining pressure, the yield stage of the coal under unloading confining pressure is shortened. Besides, its peak stress and associated axial strain decrease, the transverse strain rate increases, and the evolution processes of its lateral expansion ratio and deformation modulus are accelerated. 2) Under the same initial confining pressure and gas pressure, with the increase of temperature, the strength of coal under unloading confining pressure decreases, the axial strain at peak stress, the absolute value of the transverse strain and volumetric strain decrease, and the lateral expansion ratio and the deformation modulus increase. 3) The risk of coal unstable failure and coal and gas outburst becomes higher under high temperature environment, leading to more strict requirements for the support of coal face roadway and the control of coal and gas outburst.
Key Words: mining-induced mechanicsunloading confining pressurecomplete stress-straintemperatureraw coal
地下采煤或地下工程开挖会引起上覆岩层大范围的移动和应力场的重分布, 尤其是工作面前方煤岩体的支承压力变化.煤岩体采动过程中, 开挖煤岩体附近表现出非单纯加载状态, 而是一些方向的加载状态和另一些方向的卸载状态.煤与瓦斯突出是地下采煤中最严重的灾害之一, 它与煤层所处地应力和瓦斯压力环境, 以及煤层自身物理力学性质有关, 并表现出各种因素相互关联和制约的复杂机制.在采煤工作中, 采动作用下工作面前方煤岩体经历了铅垂应力(σ1)升高而水平应力(σ3)递减(卸载), 直到煤岩体破坏卸荷过程[1].众所周知, 岩体在加载和卸载条件下的力学特性有明显的不同, 煤亦是如此, 目前已有不少学者开展了相关的研究.其中具有代表性成果的有:Huang等[2]研究了3种岩石在卸荷条件下的力学特性, 指出卸荷条件下获得的弹性模量一般小于加载条件下的, 岩石试样的强度随着卸荷的速率增加而减小.Xie等[3]通过岩石加载和卸载条件下应力-应变全过程试验, 研究了岩石在两种不同条件下的物理力学参数和特征的变化规律.He等[4]进行了石灰岩在真三轴条件下单面动态卸载测试, 指出随着应力的增加, AE信号更多趋向高振幅特征.岩石破裂失稳时, 出现振幅高很多和频率低很多的事件.岩石从卸荷到失稳, 声发射累积能量释放迅速增加.Zhang等[5]指出层理方向是控制卸载实验试样宏观裂缝的扩展及破坏形式的关键因素.Guo等[6]研究了多种应力路径下盐岩的力学变形特征，发现卸围压路径下的轴向和径向应变的变化比其他加载条件下大, 岩石破裂所需应力变化幅度比三轴压缩少.Tao等[7]研究了岩石在三维应力状态下卸载, 指出这个过程占主导地位的是应变能量密度率.尹光志等[8-10]研究了不同卸围压速度对含瓦斯型煤强度、变形模量、泊松比以及渗透率演化的规律.这些研究成果丰富了加、卸载条件下岩石和煤的力学与渗流理论.
随着我国采矿技术的快速发展, 开采强度、深度不断增大, 而浅部煤炭资源越采越少, 深部煤炭资源的开采将逐渐成为煤炭资源开发中的常态.采掘工程向深部延伸中伴随地温升高, 高温环境引起煤体强度衰减.纵观国内外学者的研究文献[2-10], 目前高温环境对采动作用下含瓦斯原煤的强度和变形的研究尚不多见.然而, 该方面的研究对处于深部环境的煤层安全开采却显得尤为重要.基于此, 本文针对温度对采动作用下含瓦斯原煤的强度和变形进行研究.研究结果可为深部高温环境下煤炭资源的安全、高效开采及煤与瓦斯突出灾害防治提供理论依据及关键数据.
1 实验条件1.1 煤样制备煤样取自韩城矿业有限公司象山矿井的3号煤层(XSⅢ)和5号煤层(XSⅴ), 该矿井是高瓦斯矿井.在采煤工作面选取块度较大、完整性较好的煤块, 运至实验室, 加工成圆柱形试件.为尽可能减少煤样离散性对实验结果的影响, 本文煤样加工、选取、分组借鉴文献[11]的方法.煤样分组和详细参数见表 1(煤样XSⅢ-1, XSⅢ-2, XSⅢ-3和XSⅢ-4来自同一块煤; XSⅴ-1, XSⅴ-2, XSⅴ-3和XSⅴ-4来自同一块煤).表 1中σ3为围压, ε1为轴向应变, ε3为横向应变, εv为体积应变.
表 1(Table 1)
 表 1 煤样物理参数及实验结果特征值Table 1 Physical parameters and typical values of test results for the coal sample
| 表 1 煤样物理参数及实验结果特征值 Table 1 Physical parameters and typical values of test results for the coal sample | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
1.2 实验装置温度对采动作用下含瓦斯原煤力学和变形影响的实验在重庆大学自主研发的“含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置[9]”(见图 1)上进行.
图 1(Fig. 1)
 | 图 1 含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置[9]Fig.1 Thermal-hydro-mechanical coupled with triaxial servo-controlled seepage apparatus for containing-gas coal[9] |
1.3 实验方案随着采矿工程不断向地层深部延伸, 地下工程的环境温度不断升高.不同地点地温梯度值不同, 一般为(1~3)℃/百米.据何满潮等[12-14]统计, 目前世界范围内煤矿地下采掘的煤层温度不超过52 ℃.谢和平等[15-16]认为1 500 m左右为煤炭开采极限深度, 对于埋深为800~1 500 m的煤层, 温度预计在40~70 ℃.因此本实验温度范围设定在30~70 ℃, 基本能满足目前以及将来煤矿深部开采的环境温度.本实验采用纯浓度99.99 %的甲烷作为实验瓦斯.首先进行恒定围压同时加轴压实验, 然后进行不同温度(30, 50, 70 ℃)下卸围压同时加轴压实验.实验中务必保证围压大于气压, 否则无法将气体封于煤样中, 导致实验失败.具体应力路径如下.
路径1首先按静水压力条件逐步施加σ1=σ3(σ2) 至预定值(6 MPa), 充瓦斯(1.5 MPa)吸附, 然后保持围压不变, 并连续施加轴向荷载至煤样破坏.
路径2首先按静水压力条件逐步施加σ1=σ3(σ2) 至预定值(6 MPa), 充瓦斯(1.5 MPa)吸附, 然后保持围压不变, 并连续施加轴向载荷, 待轴压达到预定值(24 MPa)时, 以预定速率v(0.001 MPa/s)降低围压至目标值(2 MPa)；同时连续施加轴向载荷至煤样破坏.
2 实验结果及分析2.1 恒定围压和卸围压下煤样的力学和变形特性为比较恒定围压和卸围压煤岩的力学和变形特征, 特将在相同初始围压、瓦斯压力和温度条件下, 得到的恒定围压和卸围压煤样偏应力-应变曲线绘制在同一坐标下进行对比分析, 如图 2所示.图 2中σ1为轴压, σ1-σ3为偏应力.
图 2(Fig. 2)
 | 图 2 恒定围压和卸围压下煤样的偏应力-应变曲线Fig.2 Deviatoric stress-strain curves of coal under constant confining pressure and unloading confining pressure (a)－XSⅢ；(b)－XSⅴ. |
分析图 2可知:
1) 在相同初始围压、瓦斯压力和温度条件下, 卸围压前, 两种应力路径的偏应力-轴向应变、横向应变-轴向应变曲线均非常接近；卸围压后, 两种应力路径的偏应力-轴向应变、横向应变-轴向应变曲线明显不同.
2) 偏应力-轴向应变全过程曲线大致可分为弹性阶段、屈服阶段、失稳破坏阶段、残余应力阶段.卸围压开始后, 卸围压煤样偏应力-轴向应变曲线迅速进入屈服段, 而对应的恒定围压煤样依然处于弹性阶段, 并持续一段时间.与恒定围压相比, 卸围压条件下煤样屈服段明显缩短, 峰值应力和对应的轴向应变显著降低.可见, 卸围压明显加速了煤样的屈服进程, 原因在于围压越低, 煤样的抗压强度和承受变形能力越小.
3) 横向应变-轴向应变全过程曲线大致可分为平缓减小阶段、快速减小阶段和慢速减小阶段.卸围压开始后, 卸围压煤样横向应变迅速加速, 与恒定围压煤样横向应变-轴向应变曲线迅速分离.可见, 卸围压明显加速了煤样的横向应变, 原因在于围压越低, 其对煤样的横向应变的约束能力越小.
线弹性材料的变形通常用胡克定律的两个参数(杨氏模量E和泊松比μ)描述.在恒定围压三轴压缩实验中, 这两个参数由式(1) 计算:
 | (1) |
 | (2) |
图 3(Fig. 3)
 | 图 3 恒定围压和卸围压下煤样的侧向膨胀系数(变形模量)-轴向应变Fig.3 Lateral expansion ratio (deformation modulus)-axial strain of coal under constant confining pressure and unloading confining pressure (a)－XSⅢ；(b)－XSⅴ. |
1) 在相同初始围压、瓦斯压力和温度条件下, 卸围压前, 两种应力路径的侧向膨胀系数-轴向应变曲线非常接近; 卸围压后, 两种应力路径的侧向膨胀系数-轴向应变曲线明显不同.卸围压煤样破坏后侧向膨胀系数出现了大于0.5的情况, 而恒定围压条件下, 在整个实验过程中侧向膨胀系数未出现大于0.5的情况.
2) 侧向膨胀系数-轴向应变曲线大致可以分为缓慢增大阶段、急剧增大阶段和平缓演化阶段.卸围压开始后, 卸围压煤样侧向膨胀系数-轴向应变曲线迅速加速, 与恒定围压侧向膨胀系数-轴向应变曲线迅速分离, 而对应的恒定围压煤样依然处于缓慢增大阶段, 并持续一段时间, 直到煤样失稳破坏附近.可见, 卸围压明显加速了煤样的侧向膨胀系数的演化进程.原因在于卸围压后, 其对煤样横向应变的约束能力亦降低, 从而引起侧向膨胀系数增大加速.
3) 恒定围压和卸围压煤样变形模量-轴向应变曲线演化趋势比较类似, 大致可以分为快速减小阶段Ⅰ、缓慢增大阶段、快速减小阶段Ⅱ和平缓演化阶段.卸围压开始后, 煤岩的变形模量-轴向应变曲线即突变“上仰”, 斜率陡然增大, 相应轴向应变下的变形模量梯度明显增大.原因是卸围压开始后, 围压降低同时轴压继续增大, 引起变形模量增大加速, 从而出现变形模量-轴向应变曲线“上仰”现象.与恒定围压相比, 卸围压条件下煤样变形模量更早进入快速减小阶段Ⅱ.
2.2 不同温度下卸围压煤样的力学和变形特性图 4为不同温度卸围压下煤样的应变-偏应力全过程曲线.由图 4可知:在相同初始围压、相同瓦斯压力和不同温度条件下, 卸围压煤样的轴向应变-偏应力、横向应变-偏应力全过程曲线的演化趋势是一致的.随着温度的升高, 煤样的强度降低, 峰值应力处轴向应变减小, 横向应变绝对值亦减小.由表 1中的实验结果可知:温度从30 ℃升高到70 ℃, XSⅢ煤样的强度减小了2.71 %, 轴向应变减小了18.24 %, 横向应变绝对值减小了23.02 %, 体积应变减小了15.21 %; XSⅴ煤样的强度减小了0.69 %, 峰值应力处轴向应变减小了11.86 %, 横向应变绝对值减小了13.62 %, 体积应变减小了7.14 %, 但峰值应力处围压分别升高了10.82 % (XSⅢ煤样)和2.42 % (XSⅴ煤样).
图 4(Fig. 4)
 | 图 4 不同温度卸围压下煤样的应变-偏应力Fig.4 Strain-deviatoric stress of coal for unloading confining pressure under different temperatures (a)－XSⅢ；(b)－XSⅴ. |
一般情况下, 围压越大, 煤样的强度越高; 瓦斯压力越大, 煤样的强度越低; 温度越高, 煤样的强度越低[9, 14].温度越高, 含瓦斯煤解吸瓦斯量越多, 瓦斯分子的活性和内能越大, 从而引起含瓦斯煤的强度降低[14]; 根据理想气体状态方程可知, 若瓦斯的体积恒定不变, 当温度升高时, 瓦斯压力亦会升高, 这将加剧瓦斯对煤样强度的弱化作用, 导致煤样的强度降低.本实验中, 随着温度升高, 煤样峰值应力处的围压升高, 但峰值应力(强度)却降低.实验中煤样的峰值应力(强度)降低是当时温度和瓦斯对煤样强度的弱化作用与围压对煤样强度的强化作用相互竞争的最终结果.
图 5给出了不同温度条件下卸围压煤样的侧向膨胀系数(变形模量)-轴向应变全过程曲线.分析图 5可知:在相同初始围压、相同瓦斯压力和不同温度条件下, 卸围压煤样的侧向膨胀系数-轴向应变、变形模量-轴向应变全过程曲线的演化趋势是一致的.在侧向膨胀系数-轴向应变全过程的末期, 侧向膨胀系数急剧增大与温度密切相关, 温度越高, 侧向膨胀系数急剧增大的拐点出现的越早; 在变形模量-轴向应变全过程的末期, 变形模量急剧减小亦与温度呈对应关系, 温度越高, 变形模量急剧减小的拐点出现的越早.本实验中, 随着温度的升高, 煤样的侧向膨胀系数和变形模量均大致呈增大趋势.
图 5(Fig. 5)
 | 图 5 不同温度卸围压下煤样的侧向膨胀系数(变形模量)-轴向应变Fig.5 Lateral expansion ratio (deformation modulus)-axial strain of coal for unloading confining pressure under different temperatures (a)－XSⅢ；(b)－XSⅴ. |
煤与瓦斯突出中煤层失稳破坏的主要能量来源于煤层内弹性能释放转化的动能, 而此能量值和煤层的变形模量有关, 煤层变形模量越小, 采煤工作面周围储存的弹性能越少, 工作面发生突出的危险性越低.材料的变形可以消耗能量.从上文分析可知, 温度越高, 煤体的变形模量越大, 即相同应力下煤体的变形量减少, 煤体变形所消耗的能量减少, 从而煤体内聚积了较多地能量得不到及时释放, 直到应力达到煤体强度时才突然释放.随着温度的升高, 煤样的强度降低, 即煤达到破坏的应力条件更容易.温度升高对煤层强度和变形的影响, 势必会造成煤与瓦斯突出危险性的增大.
随着采煤工作向深部延伸, 地层温度升高.从上文分析可知, 温度越高, 煤承受应力和变形的能力越小, 工作面的煤越容易达到破坏失稳的应力和变形条件, 从而煤越容易发生失稳破坏.因此, 深部开采的高温环境对采煤工作面巷道支护和煤与瓦斯突出防治提出了更高的要求.为了避免事故发生, 有必要做好有针对性的采掘作业计划.
3 结论1) 在相同初始围压、瓦斯压力和温度条件下, 与恒定围压相比, 卸围压条件下煤样屈服段明显缩短, 峰值应力和对应的轴向应变显著降低, 煤样的横向应变速率明显变大, 煤样的侧向膨胀系数和变形模量的演化进程明显加速.
2) 在相同初始围压、相同瓦斯压力条件下, 随着温度的升高, 卸围压煤样的强度降低, 峰值应力处轴向应变、横向应变绝对值和体积应变均减小, 煤样的侧向膨胀系数和变形模量均增大.
3) 高温环境下, 煤发生失稳破坏和煤与瓦斯突出的危险性变大, 对采煤工作面巷道支护和煤与瓦斯突出防治提出了更高的要求.
参考文献
| [1] | Xie H, Zhao X, Liu J, et al. Influence of different mining layouts on the mechanical properties of coal[J].International Journal of Mining Science and Technology, 2012, 22(6): 749–755.DOI:10.1016/j.ijmst.2012.12.010 |
| [2] | Huang R Q, Wang X N, Chan L S. Triaxial unloading test of rocks and its implication for rock burst[J]. Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 2001, 60(1): 37–41.DOI:10.1007/s100640000082 |
| [3] | Xie H Q, He C H. Study of the unloading characteristics of a rock mass using the triaxial test and damage mechanics[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2004, 41(sup1): 74–80. |
| [4] | He M C, Miao J L, Feng J L. Rock burst process of limestone and its acoustic emission characteristics under true-triaxial unloading conditions[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2010, 47(2): 286–298.DOI:10.1016/j.ijrmms.2009.09.003 |
| [5] | Zhang X P, Wong L N Y, Wang S J, et al. Engineering properties of quartz mica schist[J].Engineering Geology, 2011, 121(3): 135–149. |
| [6] | Guo Y, Yang C, Mao H. Mechanical properties of Jintan Mine rock salt under complex stress paths[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2012, 56(7): 54–61. |
| [7] | Tao M, Li X, Li D. Rock failure induced by dynamic unloading under 3D stress state[J].Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 2013, 65(3): 47–54. |
| [8] | 蒋长宝, 尹光志, 黄启翔, 等. 含瓦斯煤岩卸围压变形特征及瓦斯渗流试验[J].煤炭学报, 2011, 36(5): 802–807. ( Jiang Chang-bao, Yin Guang-zhi, Huang Qi-xiang, et al. Experiment of deformation property and gas permeation of containing-gas coal under confining pressure unloading process[J].Journal of China Coal Society, 2011, 36(5): 802–807.) |
| [9] | Yin G Z, Jiang C B, Wang J G, et al. Geomechanical and flow properties of coal from loading axial stress and unloading confining pressure tests[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2015, 76(3): 155–161. |
| [10] | Yin G Z, Li M, Wang J G, et al. Mechanical behavior and permeability evolution of gas infiltrated coals during protective layer mining[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2015, 80(8): 292–301. |
| [11] | 刘泉声, 刘恺德, 朱杰兵, 等. 高应力下原煤三轴压缩力学特性研究[J].岩石力学与工程学报, 2014, 33(1): 24–34. ( Liu Quan-sheng, Liu Kai-de, Zhu Jie-bing, et al. Study of mechanical properties of raw coal under high stress with triaxial compression[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2014, 33(1): 24–34.) |
| [12] | 何满潮, 王春光, 李德建, 等. 单轴应力-温度作用下煤中吸附瓦斯解吸特征[J].岩石力学与工程学报, 2010, 29(5): 865–872. ( He Man-chao, Wang Chun-guang, Li De-jian, et al. Desorption characteristics of adsorbed gas in coal samples under coupling temperature and uniaxial compression[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2010, 29(5): 865–872.) |
| [13] | Pashin J C, McIntyre M R. Temperature-pressure conditions in coalbed methane reservoirs of the Black Warrior Basin:implications for carbon sequestration and enhanced coalbed methane recovery[J].International Journal of Coal Geology, 2003, 54(3): 167–183. |
| [14] | Yin G Z, Jiang C B, Wang J G, et al. Combined effect of stress, pore pressure and temperature on methane permeability in anthracite coal:an experimental study[J].Transport in Porous Media, 2013, 100(1): 1–16.DOI:10.1007/s11242-013-0202-6 |
| [15] | 谢和平, 周宏伟, 薛东杰, 等. 煤炭深部开采与极限开采深度的研究与思考[J].煤炭学报, 2012, 37(4): 535–542. ( Xie He-ping, Zhou Hong-wei, Xue Dong-jie, et al. Research and consideration on deep coal mining and critical mining depth[J].Journal of China Coal Society, 2012, 37(4): 535–542.) |
| [16] | Perera M S A, Ranjith P G, Choi S K, et al. A review of coal properties pertinent to carbon dioxide sequestration in coal seams:with special reference to Victorian brown coals[J].Environmental Earth Sciences, 2011, 64(1): 223–235.DOI:10.1007/s12665-010-0841-7 |
