冲击倾向性煤样单轴加载红外探测研究

肖福坤,　申志亮,　刘　刚,　张峰瑞,　张　泽

(黑龙江科技大学 黑龙江省煤矿深部开采地压控制与瓦斯治理重点实验室, 哈尔滨 150022)



冲击倾向性煤样单轴加载红外探测研究

肖福坤,申志亮,刘刚,张峰瑞,张泽

(黑龙江科技大学 黑龙江省煤矿深部开采地压控制与瓦斯治理重点实验室, 哈尔滨 150022)

为探求冲击煤层煤样在单轴加载过程中的红外变化规律,利用红外热像仪对煤样进行单轴加载红外监测,取剪切破坏和劈裂破坏两种试样,对破坏过程进行红外热像实验分析。结果表明:冲击煤层煤样AIRT(红外辐射温度)和应力-应变曲线的对应关系分为五个阶段,即下降(压密阶段)-上升(弹性阶段)-下降(塑性阶段)-上升(屈服阶段)-下降(破坏阶段);煤样破坏前期都曾出现一次相对较大的AIRT下降现象,下降AIRT依据试样的强度不同而不同;煤样剪切破坏过程比劈裂破坏过程高温区域明显;AIRT变化可以对煤样内、外部能量积聚与耗散进行较准确的趋势预测。

冲击煤层; AIRT; 剪切破坏; 劈裂破坏

0　引　言

在煤矿冲击地压发生过程中,煤壁的破坏远比顶板围岩明显,这是由于煤体自身强度低、解理裂隙发育等抗扰动能力差造成的。因此,对反复扰动煤岩的监测十分重要,特别是对煤的监测。

近年来,随着非接触监测设备及技术的发展,红外遥感技术以其良好的可靠性、准确性,便捷的操作性,赢得越来越多的专家借助它进行矿山科学研究。吴立新[1]等率先进行煤岩受压破坏过程的红外探测实验,揭示煤岩破裂前兆红外辐射的温度变化。刘善军等[2-3]对岩石在单轴作用下的红外辐射定量特征进行研究。 F. Freund[4]在对岩石的中心加压时发现岩石的表面在变形过程中红外辐射强度发生了变化,当岩石受到应力作用甚至产生断裂时,电荷被激发形成电流,随着应力的作用会传递到岩石的表面,并在表面重新结合释放能量,产生红外辐射。马立强等[5]首次利用红外测温仪测量煤岩体孔内的温度变化,发现煤内部温度与时间、荷载都是正相关,煤的红外破裂前兆仅表现为温度突增型。郭文奇等[6]通过限制侧向变形的煤样加载实验,认为煤岩体红外辐射温度的变化可以反映应力集中范围以及应力转移情况。赵毅鑫等[7-8]总结了煤体失稳破坏过程中的声热现象。钟晓晖等[9]分析影响煤体温度场分布的因素,认为煤体剪性微破裂和张性微破裂的辐射特征不同,张性微破裂使辐射温度下降,而剪性微破裂使辐射温度上升,且剪切微破裂产生的摩擦生热大于加载的热弹效应生热。徐子杰等[10]探讨不同冲击倾向性煤体失稳破坏的红外前兆信息,发现煤样冲击倾向性越强,加载破坏过程煤样表面红外温度平均值升温幅度越大,煤样红外辐射高温区域分布范围越大、强度越高。

上述研究在煤岩红外探测方面取得众多成果,但研究煤岩样失稳破坏前兆,或是由试样局部变形破坏得出的红外辐射规律上,缺乏对冲击倾向性煤样从初始受载到破坏整个过程的红外变化规律的探索。笔者以此为切入点,对具有冲击倾向性煤层煤样进行单轴加载红外监测实验,探究具有倾向性煤样的张性和剪性破坏红外辐射规律,以求得具有冲击倾向性煤层从受扰到完全破坏的整个过程红外变化规律。

1　实验

煤样采自鸡西矿区东海矿的冲击煤层(前期经实验室鉴定为冲击煤层)。从井下回采面取回大块煤样,沿垂直层理方向切割成50 mm×50 mm×100 mm试样。两端用双端面磨石机打磨,受压端面不平行度小于0.1 mm,实验前上、下端面各垫一层塑料薄膜,以减少端部效应。试件制备后,在室温条件下放在底部有水的干燥器内1～2 d。利用三轴实验机对煤样进行单轴加载实验,采用H2640红外热像仪观测试样表面红外辐射温度场的变化,波长范围为8～13 μm,灵敏度为0.03。

实验前,将红外热像仪放置在距离试样约 1 m 的位置上。红外监测与单轴加载实验同时进行,以利于热红外图像和应力应变曲线,两者的对比。为了减少环境对煤样红外监测的影响,将试样放置在封闭的纸箱内,在正对热像仪镜头前方开一小孔。应尽可能减少太阳光的散射影响,除窗帘关闭外,在热像仪的背后放置投影仪大屏幕。热像仪测量前校准后,测量过程中不再调节,以此值作为各煤样的对比基准。实验采集速度为每张5 s。在三轴试验机下,沿着煤样的长轴方向单轴匀速加载直至试件破裂。加载速率为0.05 kN/s。实验数据如下表1。

表1煤样单轴加载红外探测数据

Table 1Coal sample under uniaxial loading infrared detection data

试样编号θ/℃最高温度差最低温度差平均温度差高低温度最大差σc/kNC010.800.550.471.9515.36C020.610.740.612.0017.79C030.650.870.702.0241.92C040.560.430.522.1817.54C050.510.580.552.0422.46D010.80.830.722.2527.39D020.741.100.832.4728.53D031.120.230.262.2832.37D041.080.840.782.4336.71

2　结果分析

2.1红外温度变化与应力的关系

对实验数据进行分析处理,得到冲击煤层煤样的AIRT-应力-位移曲线和AIRT-应力-时间曲线。通过两种曲线可以清晰地观察到煤样在整个加载过程中红外辐射温度(AIRT)与应力、应变、位移、时间的对应关系。以典型破坏煤样C01(剪切)和C04(劈裂)为例进行分析说明。

从图1a可以很清楚地看到,C01试样应力-应变曲线和AIRT的对应关系。总体上看随应力的增加AIRT呈下降趋势,在加载初期AIRT大幅下降,在破坏前期出现大幅度降温小幅度回温,降温达0.25 ℃,回温达0.05 ℃。分阶段看呈现下降(压密阶段)—上升(弹性阶段)—下降(塑性阶段)—上升(屈服阶段)—下降(破坏阶段)。从图1b可以看出,75 s前AIRT变化幅度较小,75 s之后AIRT变化幅度较大。

图1　C01试样应力-应变-时间与AIRT的关系

Fig. 1Relationship between stress-strain-time and AIRT of coal samples C01

从图2a可以很清楚的看到,C04试样应力-应变曲线和AIRT的对应关系。总体上看随应力的增加AIRT前期和后期变化幅度大,中期呈平稳上升趋势。在加载初期AIRT小幅上升大幅下降,在破坏前期出现大幅度降温小幅度回温,降温达0.35 ℃,回温达0.2 ℃。分阶段看呈现出下降(压密阶段)—上升(弹性阶段)—下降(塑性阶段)—上升(屈服阶段)—下降(破坏阶段)。从图3b可以看出25 s前AIRT变化幅度大,25 s之后AIRT变化幅度较稳定,300 s后AIRT变化幅度增大。

图2　C04试样应力-应变-时间与AIRT的关系Fig. 2　Relationship between stress-strain-time and AIRT of coal samples C04

通过以上分析可以得出冲击煤层煤样AIRT和应力—应变曲线的阶段对应关系为:下降(压密阶段)—上升(弹性阶段)—下降(塑性阶段)—上升(屈服阶段)—下降(破坏阶段)。

试样不论何种形式破坏,在破坏前期都曾出现一次相对较大的AIRT下降现象,这与冲击地压发生前巷道明显感到温度降低相似。这对冲击煤层的鉴定具有重要参考价值。

2.2剪切破坏红外热像的变化

对煤样进行单轴加载实验,C01和C02最后成明显的剪切形式破坏。以C01为例对剪切破坏红外温辐射度变化规律进行说明。

从图3可以看出,C01试样从初始受载到试样发生剪切破坏整个过程中,对应有显著特征红外辐射温度变化的红外热像。初始受载5 s时,试样表面平均辐射温度最高达到27.31 ℃,这是由于外部环境和试样本身等多种因素作用的结果。加载到110 s时试样表面平均辐射温度26.87 ℃,温度下降了0.44 ℃。190 s时红外平均辐射温度为27.03 ℃。215 s时红外平均辐射温度为26.86 ℃,试样左下角出现端部破坏。295 s时红外平均辐射温度为26.8 ℃,试样表面靠左侧位置出现高温区域,最高红外温度点达27.3 ℃。310 s时红外平均辐射温度为26.83 ℃,试样表面左侧高温区域范围变大,最高温度点扩展成长条面状区域,温度达27.4 ℃。315 s时红外平均辐射温度为26.81 ℃,高温条带区域有明显的变宽趋势。320 s时红外平均辐射温度为26.94 ℃,试件发生剪切破坏,左侧下角被45 ℃剪切掉,剪切面温度达27.1 ℃。从295 s时试样左侧局部出现高温区域,到320 s时试样左侧被45°剪切掉,这15 s试样红外平均辐射温度升高0.14 ℃,平均每5 s试样红外平均辐射温度升高将近0.05 ℃。实验后发现,试样被45°剪坏,此现象与红外热像相吻合,为典型剪切破坏。

图3　C01试样剪切破坏过程红外热像

Fig. 3C01sample shear failure process infrared thermal imaging

2.3劈裂破坏红外热像的变化

劈裂可以说是一般坚硬脆性岩石的固有破坏形式,而具有冲击倾向性的煤层煤样同样具有此特性。对煤样进行单轴加载实验,C04和C05最后成明显的劈裂形式破坏。以C04为例,对劈裂破坏红外辐射温度变化规律进行说明。

图4　C04试样劈裂破坏过程红外热像

Fig. 4C04sample splitting failure process infrared thermal imaging

从图4可以看出,C04试样从初始受载到试样发生劈裂破坏,整个过程中对应有显著特征温度变化的红外热像。初始受载时,试样表面辐射温度高达27.74 ℃,平均辐射温度26.68 ℃。加载到330 s时试样表面红外平均辐射温度为26.5 ℃,在试样右上部出现高温条带,辐射温度达26.6 ℃。335 s时红外平均辐射温度为26.55 ℃。365 s时红外平均辐射温度为26.71 ℃。370 s时红外平均辐射温度为26.61 ℃。375 s时红外平均辐射温度为26.51 ℃,试样左部也出现高温条带,最高温度点达26.9 ℃,试样左下角出现端部破坏,右下部出现局部破坏。380 s时红外平均辐射温度为26.69 ℃,左侧高温条带区域出现红色高温斑,辐射温度达27.2 ℃,右下局部破坏处又有新的破坏产生。395 s时,红外平均辐射温度为26.74 ℃,试样表面浅蓝色两边各出现一条高温条带,右下部局部破坏处已崩落成内凹弧形。实验后发现,试样表面出现两条劈裂痕,左侧裂痕较显著,此现象与红外热像相吻合,为典型劈裂破坏。

3　煤样失稳破坏过程的红外辐射

从现场采集的原煤试件非均质性和各向异性比较明显,后期在加工标准样过程中又带来了不同程度的损伤,由所得数据可以看出在加载初始压密阶段红外辐射温度可能呈现两种情况,即温度上升或温度下降,当内部裂隙发育较多的试件初始压缩时内、外部微裂纹开始闭合,这一过程试件受外力作用微粒子发生电子跃迁产生温度流流动,微裂纹的存在造成温度流流动受阻,在试件表面局部呈现高低温度变化,试件表面平均温度整体呈下降趋势。随着微裂纹被压密,温度流传递顺畅温度开始上升。如果初始试件内、外部节理裂隙较少,完整性较好时,在试件加载初期压密阶段可能不会出现或是出现时间很短,就进入弹性阶段。因此,红外辐射温度有可能开始就呈现上升趋势。

随着压力机加载应力的增加,煤样内积聚的弹性能相应增加,机械能转化为热能的量相应增加,与之相应跃迁的电子量也在增加。试样内、外部微小裂纹应力集中的尖端在不断的微扩展,造成在弹性阶段的红外辐射温度呈横向密集小波动,随着积聚弹性能的增加,试样微裂纹尖端应力集中处的微扩张使得塑性做功不断增强,弹性能不断被微消耗。这一阶段仍以弹性能积聚占主导。在弹性段从整体上看红外平均辐射温度呈上升趋势。

塑性阶段是微裂纹尖端应力集中扩展阶段,是试样在基本保持整体结构下逐步改变这一结构阶段,这一过程塑性做功占据主导地位,弹性能被逐步消耗。表现形式为内部微小裂纹尖端扩展、贯通。外部裂纹尖端由于应力集中也进行着微扩展。同时,内、外部裂纹面伴随着微摩擦。表现在红外辐射温度上呈现横向稀疏波动,在塑性阶段从整体上看红外辐射平均温度呈下降趋势。

进入屈服阶段后,在荷载的作用下,随着内、外部微裂纹的扩展与贯通,在试样外部应力集中处由于塑性做功黏结性差的颗粒和小块被扩展贯通后从试样上脱离,伴随着弹性能的申志亮释放、裂纹面之间的摩擦,通过红外热像可以看出,在试样表面裂纹及贯通处出现红外辐射高温区域。依据能量释放的大小和快慢程度不同,辐射温度变化幅度也很大,对于瞬间释放大量弹性能的试件,在释放瞬间红外热像仪屏幕上出现耀眼的高温辐射(这种现象在实验当中出现过),在屈服阶段从整体上看红外辐射温度呈上升趋势。

破坏阶段是试样内部一个或是多个主裂纹由内部向外,或是由外部向内贯通,使试样整体承载结构软化或是崩解的过程,依据裂纹贯通形式的不同表现出不同的破坏形式。由于受多种因素的影响,所以真实的破裂形式不太明确,常常观察到的是剪切破坏、锥形破坏、劈裂破坏和多种破坏形式的综合破坏等。实验发现,不同的破坏形式对应着不同的红外辐射温度变化,通过实验表明,试样劈裂破坏失稳后温度有上升趋势,试样剪切破坏失稳后温度呈下降趋势。

4　结　论

针对冲击倾向性煤层煤样进行单轴加载红外辐射监测实验,分析煤样破坏过程中AIRT的一系列变化,得出结论如下:

(1)从加载初期到试样破裂,AIRT和应力—应变曲线的各阶段对应较明显。整个过程AIRT的变化呈现五个阶段,依次为下降—上升—下降—上升—下降。由于煤样前期损伤程度不同,所以煤层冲击倾向性强度亦不同,各阶段出现的时间长短也不同。

(2)冲击煤层煤样破坏前期,都曾出现一次相对较大的AIRT下降现象,下降AIRT依据煤层冲击倾向性强度不同而不同。

(3)冲击煤层煤样剪切破坏过程比劈裂破坏过程高低温区域辨别明显。AIRT变化可以对煤样内外部能量积聚与耗散进行较准确的趋势预测,如何将定性的变化趋势定量化尚有待进一步研究。

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(编辑徐岩)

Research on infrared detection of coal samples from outburst proneness coal seams applying uniaxial load

XIAOFukun,SHENZhiliang,LIUGang,ZHANGFengrui,ZHANGZe

(Heilongjiang Ground Pressure & Gas Control in Deep Mining Key Lab, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This paper is motivated by the need for investigating the law governing infrared change induced by the application of uniaxial load on coal samples obtained from the outburst proneness coal seams. This focused investigation is best effected by using thermal infrared imager for infrared monitoring of coal samples subjected to uniaxial load and performing infrared thermography analysis of the destruction process observed in the coal samples, depending on two failure modes, such as shear failure and splitting failure process. Results suggest that the corresponding relationship between AIRT (infrared radiation temperature) and the stress - strain curves consists of five stages: falling phase (pressure), rising phase (elastic), falling phase (plastic),rising phase (yield) ,falling phase (damage) the down (compaction stage) - up (elastic stage) - down (plastic phase) - up (yield stage) - down (destruction phase); coal samples at the earlier stage of destruction tend to undergo a relatively large decline in AIRT, varying with the strength of the samples; samples have a significantly greater high-temperature region in the shear failure process than in the splitting failure one; and AIRT changes allow a more accurate prediction of the tendency of the energy accumulation and dissipation of internal and external samples.

impact of coal seam; AIRT; shear failure; fracturing

2014-11-10

中国博士后科学基金第56批面上资助项目(2014M561384);黑龙江省教育厅科学技术研究项目(12541z009)

肖福坤(1971-),男,辽宁省西丰人,教授,博士,研究方向:矿山压力与控制，E-mail：xiaofukun@sohu.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.01.002

X936

2095-7262(2015)01-0006-05

A