烘干溫度與含水率對原煤物理力學特征影響研究

李 芒，馮 丹，李 想，徐建航，李 雷

石家莊鐵道大學，土木工程學院，河北 石家莊 050043

1 引言

煤炭作為重要的工業原料，隨著我國經濟的迅速發展，對于煤炭的需求日益增大，導致煤礦的開采作業越來越復雜，煤礦災害事故也頻頻發生。如何突破現有技術瓶頸，安全地進行深層采礦工作是行業內關注的重要課題。因此，研究不同影響因素對原煤力學特征的影響，揭示原煤裂隙場演化規律，對于深層采礦具有重要的意義。王春光等［1］研究了四川白皎礦和徐州張雙樓礦的原煤溫度場與應力場耦合規律。王凱等［2］制備不同含水率的原煤和型煤煤樣，對比不同含水率下兩種煤樣的破壞方式。蔣長寶等［3］進行了不同含水狀態下的含瓦斯煤加卸載試驗研究，得出了不同含水率煤樣的力學特性。許江等［4］以型煤試樣為研究對象，在不同溫度條件下對含瓦斯煤進行三軸壓縮試驗，研究溫度對含瓦斯煤的變形及力學特性的影響規律。鄒俊鵬等［5］通過常規加載和循環載荷條件下的單軸和三軸力學強度的實驗，借助聲發射技術，系統研究了單軸循環荷載及三軸載荷條件下原煤的損傷規律。

2 原煤單軸壓縮試驗

2.1 實驗裝置

天辰WAW 微機控制電液伺服試驗機主要由加載系統和應變測試系統組成。煤樣受到來自試驗機壓頭加載的軸向應力并自動記錄，煤樣產生的應變由應變采集片采集。試驗數據實時記錄且動態顯示實驗曲線，并儲存到計算機里。

2.2 原煤煤樣制備

實驗用原煤煤樣均取自遼寧省本溪市紅陽煤田北部一井林盛礦所采煤塊。通過煤塊的垂直層里方向密集鉆取煤芯，并經切割打磨等工序加工成50mm×100mm 的標準煤樣。

2.3 實驗方案

實驗目的在于探究烘干溫度與含水率對原煤物理力學性質的影響，因此將制備的原煤標準試件分為3 組進行試驗，根據單一變量原則，對變量ω（含水率）T（溫度）進行變量控制試驗。對每個試件的進行稱重和尺寸測量，質量在260～310g之間，尺寸誤差1mm 之內。選取相同含水率試件作為第1 組，分別放入40℃、60℃、80℃的恒溫箱中進行烘干，24h 后取出，用于探究烘干溫度變量不同對原煤的影響；選取含水率不同的試件作為第2 組，全部放入60℃恒溫箱進行烘干，24h 后取出，用于探究含水率不同對原煤的影響。對經過不同預處理后的試件進行單軸壓縮試驗，觀察原煤試件的破壞形態。通過分析試件單軸壓縮過程中應力-應變曲線，顯示煤體的物理力學特性，揭示各參數變量對原煤物理力學性質及的影響規律。

3 試驗結果與分析

3.1 單軸壓縮應力-應變曲線特征分析

煤樣的單軸應力-應變曲線形狀基本相似，均可分為壓密階段、線彈性階段、塑性階段與破壞后階段四個階段。由于原煤的特殊性，其主要的物理力學特征主要取決于單軸壓縮曲線的峰前部分，因此主要分析峰前曲線。壓密階段（OA）：隨軸向應力的增加，試件變形增加，軸向變形大于徑向變形，試件體積被壓縮。線彈性階段（AB）：試件體積逐漸增大，試件內部微結構被壓密密閉合。在此階段變形可恢復，試件并未產生裂紋。此階段應力-應變曲線接近于直線。塑性階段（BC）：巖石內部形成新的裂隙場，隨著軸向應力的增加，試件內部裂隙場不斷演化，最終導致裂隙貫通使試件破壞。在此階段煤樣已有部分材料脫落，此時再以同樣的位移加載，試件的反作用力比較上一階段下降。由于張開裂縫或微裂縫閉合所引起的變形是不可恢復的，所以呈現塑性變形特征。C 點表示為峰值強度。破壞后階段（CD）：試件達到峰值強度后，原煤還保留部分承載能力，并未完全喪失。隨著進一步加載，試件產生擴容，最終煤巖破碎喪失所有承載能力。

3.2 烘干溫度與含水率對原煤的物理力學特征的影響

不同含水率條件下，原煤試件單軸壓縮曲線如圖1 所示。經計算，含水率由0%增加至13%，抗壓強度由21.8MPa 降低至9.7MPa，峰值應變則由0.24mm降至0.17mm，彈性模量則由149.74MPa降至36.83MPa。煤樣的抗壓強度、峰值應變和彈性模量均受其含水率的影響，均呈負相關關系，即隨著含水率的增加，煤樣的抗壓強度降低、峰值應變減小、彈性模量減小。不同烘干溫度條件下，原煤試件單軸壓縮曲線如圖2 所示。煤樣的抗壓強度、峰值應變和彈性模量均受其烘干溫度的影響，均呈正相關關系，即隨著烘干溫度的增加，煤樣的抗壓強度增大、峰值應變增加、彈性模量增大。

圖1 不同含水率原煤試件的軸向應力-應變曲線

圖2 不同烘干溫度原煤試件的軸向應力-應變曲線

4 結束語

原煤的烘干溫度以及含水率對其物理力學特征有著重要影響。在該地區原煤的開采過程中，為利用最小的經濟投入而獲得最大的經濟效益，可以合理有效地利用烘干溫度及含水率對煤體的影響。若出于安全考慮，可通過降低原煤含水率的方式來有效控制煤體破壞形態。若開采工人及相關設備的安全可以得到保證，則可以通過適當增大原煤含水率的方式，降低其抗壓強度，進而可減小開采動力，降低經濟投入。