微波處理后飽水煤巖沖擊破壞的試驗研究

姚俊輝，陳 輝，管偉明，溫穎遠，李虎威

（1.新疆大學 地質與礦業工程學院，新疆 烏魯木齊830047；2.新疆大學 礦產資源生態環境保護性開采自治區高校重點實驗室，新疆 烏魯木齊830047；3.中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙410083）

我國是世界上煤與瓦斯突出災害最嚴重的國家之一，大部分礦區煤層透氣性低，瓦斯抽采難度大，礦山安全生產威脅嚴重[1]。因此，為降低開采過程中瓦斯的涌出量，防止瓦斯超限和積聚，開采前必須對瓦斯進行合理抽采。

研究表明，煤層注熱可以有效提高瓦斯產量[2]。與傳統加熱技術相比，微波加熱具有熱慣性小、升溫快、選擇性加熱、穿透力強等特點[3]，大量文獻已經證明微波注熱技術在煤層脫氣領域具有較大的應用潛能[4-7]。開采前，微波通過選擇性加熱煤巖中的的水分和礦物質導致孔隙裂隙的發育和擴張，從而使吸附瓦斯發生解吸、擴散和滲透；開采時，鑿巖和爆破作業產生的沖擊載荷導致煤巖內部空隙缺陷處的動力學過程加劇，形成的微損傷使得微波注熱煤層動力災害的孕育機理更為復雜，所以有必要了解微波注熱煤層在高強度開采下的動態力學響應特性。

目前，針對巖石類材料中應變率段的動態力學特性測試主要采用分離式霍普金森壓桿（SHPB）實驗設備來實現。張文清[8]等利用SHPB對松軟煤層的動態力學特性進行了研究；單仁亮等[9]通過采用SHPB對無煙煤進行了沖擊加載實驗，獲得了煤的動態本構關系；劉少虹等[10]基于改進后的SHPB分析得到了煤在動載作用下的破壞機制。現有文獻集中匯報了沖擊加載對煤巖的影響，但鮮有文章提及沖擊荷載和微波注熱對煤巖的耦合破壞作用。此外，采煤作業中由于采空區積水和含水層的滲漏經常導致煤巖較高的含水率，因此試驗中應考慮水分對試驗結果的影響。

為開展對微波處理后含水煤巖沖擊破壞的試驗研究，實驗前對煤樣進行飽水處理，隨后對飽水煤樣進行不同時間的微波加熱，待煤樣冷卻后利用SHPB系統進行恒定應變率的沖擊加載試驗，同時利用高速攝影儀記錄煤樣的破壞過程。比較了微波處理后煤巖動態力學參數的變化，研究了微波加熱后煤巖沖擊破壞的全過程，初步分析了不同加熱時間下水分對煤巖沖擊破壞結果的影響。

1 試驗程序

1.1 樣品和試驗系統

根據國際巖石力學學會的相關規范[11-12]，從塊煤中提取巖心并加工為15個具有較高幾何完整性和巖相均勻性的圓柱狀煤巖樣品，煤樣的直徑為50 mm，長徑比為0.6。為進行后續的SHPB試驗，對煤樣的上下端面進行仔細打磨，使其表面平整度在0.02 mm以內，并且端面垂直于柱面軸線在0.001 rad的范圍以內。

式中：A0、AS分別為試樣和桿子的橫截面積，m2；E為桿子的彈性模量，Pa；C0為桿子的波速，m/s；LS為桿子的長度，m；εI、εR、εT分別為桿的入射應變，反射應變和透射應變；t為時間。

系統采用的紡錘形沖頭可以實現恒應變率下半正弦應力波加載，因此適合用于非均質脆性材料的高應變率加載[13]，關于系統詳細的試驗原理請參考文獻[14]。SHPB試驗裝置的沖頭、入射桿、透射桿和吸收桿均為高強度的40Cr合金鋼，SHPB試驗系統各部件參數見表1。

表1 SHPB試驗系統各部件參數Table 1 Component parameters of SHPB test system

試驗場景如圖1。

圖1 試驗場景Fig.1 Experimental scenes

為同步拍攝煤樣的破壞過程，沖擊試驗中型號為FASTCAMSA1.1的高速攝影儀與SHPB系統相連接，當SHPB系統的示波器開始記錄輸入桿的應力波信號時，會同步輸出5 V的電平信號，該信號也是高速攝影儀的觸發信號。由此可以解決SHPB和高速攝影儀同步運行的問題，最終實現對照片拍攝時間的確定[14]。沖擊試驗中高速攝影時的幀頻率為75 000幅/s，大約每13.3μs拍攝1張，最大內存可擴充至8 GB。

1.2 試驗方案

對15個煤樣進行標號，然后進行飽水處理，直至煤樣質量不再發生變化后取出；然后把飽水煤樣分成4組：1#～6#煤樣為第1組，7#～9#煤樣為第2組，10#～12#煤樣為第3組，13#～15#煤樣為第4組；最后對這4組煤樣進行高功率（6 kW）的微波加熱和0.3 MPa沖擊氣壓下的動態加載，具體方案如下：

1）1#～6#煤樣。不進行微波加熱，直接進行沖擊加載試驗。

2）7#～9#煤樣。微波加熱50 s后，進行沖擊加載試驗。

3）10#～12#煤樣。微波加熱125 s后，進行沖擊加載試驗。

4）13#～15#煤樣。微波加熱200 s后，進行沖擊加載試驗。

2 試驗結果與分析

2.1 應力平衡

沖擊加載過程中試件被夾在入射桿和透射桿之間，紡錘形沖頭擊打入射桿時產生的應力波在巖石內部經過幾次透反射后，巖石內部應力達到均勻分布是采用準靜態方程求解巖石動力學參數的前提條件[15]。因此，沖擊試驗需要進行應力平衡檢驗。試件兩端的應力可以通過式（4）和式（5）獲得[16]：

式中：σ1、σ2分別為試件左端和右端的應力，Pa；εI、εR、εT分別為桿件的入射應變、反射應變和透射應變；E為桿件的彈性模量，Pa。

應力平衡檢測如圖2。由圖2可以看出，測得的波形曲線基本消除了應力彌散引起的波的振蕩，同時波形曲線呈半正弦狀表明已經實現了恒應變率加載。煤樣兩端的應力也基本處于平衡狀態，因為透射應力波等于入射應力波和反射應力波之和。

圖2 應力平衡檢測Fig.2 Stress balance check

研究中對全部15個煤樣均進行了應力平衡檢驗，結果滿足SHPB的試驗要求。SHPB試驗結果見表2。需要說明的是由于設備原因以及煤巖本身在結構和成分上的非均一性，煤樣的加載應變率不可避免地存在一定程度上的差異。

2.2 應力應變曲線

15個煤樣的動態應力應變曲線如圖3。由圖3可以看出，由于煤樣內部的微裂隙在高速沖擊載荷作用下以極快的速度閉合，導致動態應力應變曲線相比較靜態應力應變曲線沒有明顯的壓密階段，曲線一開始就進入彈性階段，彈性模量也大于靜態加載時的數值。彈性階段過后，曲線偏離直線進入屈服階段，這是因為沖擊加載過程中煤樣內部的薄弱之處首先破壞產生新的裂隙，隨后應力波在煤樣內部往復運動導致應力不斷在裂隙周圍集中，裂隙不斷演化、發展。最后，當煤樣內部裂紋不斷增加和擴展到一定程度的時候，貫通裂隙產生，煤樣整體發生破壞而失去承載能力。

圖3 煤樣的應力應變曲線Fig.3 Stress-strain curves of coal sam ples

2.3 峰值應力和峰值應變

根據表2中的數據，可以繪制出峰值應力和峰值應變隨微波時間的發展變化圖（圖4）。

表2 SHPB試驗結果Table 2 Experimental results of SHPB

由于煤巖中礦物組成、顆粒大小以及微裂紋的發育程度、分布形式和產狀要素的差異，導致相同微波加熱時間下煤樣峰值應力和峰值應變的分布離散性較大。盡管如此，圖4仍呈現出明顯的變化規律：隨著微波時間的延長，峰值應力和峰值應變逐漸減小，其變化趨勢可以分為3個階段：加熱初期（0～50 s）、加熱中期（50～125 s）和加熱后期（125～200 s）。其中，與其他2個階段相比，加熱中期煤樣的動態力學參數變化明顯，平均峰值應力從14.82 MPa減小至8.48 MPa，變化幅度為42.78%；平均峰值應變則由7.66×10-3減小至5.27×10-3，變化幅度為31.20%。

圖4 煤樣的峰值應力和峰值應變Fig.4 Peak stress and peak strain of coal sam ples

導致上述現象出現的原因是煤樣中的水分在微波加熱的作用下相態發生了變化，產生的蒸汽壓力破壞了煤樣內部的微觀結構。加熱初期（0～50 s），煤中孔隙和微裂隙中的水分在微波的刺激下逐漸轉變為水蒸氣逐漸逸散至空氣中，此時蒸汽壓力對煤內微結構的破壞作用較弱；加熱中期（50～125 s）,大量水分轉變為水蒸氣并在煤樣內不斷積累，原本的運移通道不能滿足現有水蒸汽順利的向外排放，煤樣內的蒸汽壓力逐漸升高并作用于孔隙和微裂隙的表面。當蒸汽壓力積累到超過煤巖內微結構的強度時，孔隙和微裂隙發育和擴張，造成煤樣峰值應力和峰值應變的大幅下降；加熱后期（125～200 s），由于之前孔隙和微裂隙的發育和擴張使得煤樣內水蒸氣的運移能力大幅提高，此時水蒸氣能夠快速排出而不在煤樣內產生積聚，因此本階段水蒸氣對煤樣微結構的破壞作用較弱，對應動力學參數的變化幅度因此再次變小。ITAYA[17]和Lepers[18]也認為巖土材料中水分蒸發產生的壓力對巖土材料的破壞起著重要作用。

2.4 煤樣的沖擊破壞過程

不同微波加熱時間下煤樣沖擊破壞過程如圖5。

圖5 不同微波加熱時間下煤樣的沖擊破壞過程Fig.5 Im pact fracture process of coal sam ples w ith differentm icrowave heating times

由圖5可以看出，煤的主要裂縫平行于加載方向，沖擊試驗中煤樣表現為典型的劈裂破壞。在動載荷的作用下，微波對含水煤樣的影響隨加熱時間的變化而不同。隨著加熱的不斷進行，煤樣產生裂紋的時間越來越早、產生裂紋的數量也越來越多，并且煤樣的主裂紋也越來越寬。由此可以推測在相同沖擊載荷的作用下，煤樣的破碎時間與加熱時間息息相關，微波加熱的時間越長，煤巖就越早發生破碎并失去承載能力。

2.5 煤樣的沖擊破碎形態

煤樣的破壞作為煤巖內微結構不斷劣化的結果，其破壞形態反映了煤巖內微裂隙的發展發育的程度，因此對其分析有著重要意義[19]。不同微波加熱時間下煤樣的沖擊破壞形態如圖6。

圖6 不同微波加熱時間下煤樣的沖擊破壞形態Fig.6 Failure shapes of coal samples under dynam ic loading w ith differentm icrowave heating times

從圖6可以看出，隨著微波加熱時間的增加，沖擊載荷作用后煤樣的破碎塊度不僅越來越小，也越來越均勻。加熱50 s后，煤樣的破碎塊度與未加熱時相比差別不大；加熱125 s后煤樣的破碎塊度在尺寸和分布上發生明顯變化，其塊度的尺寸更小、分布也更為均勻；加熱200 s后的煤樣破碎塊度與加熱125 s相比時雖有變化，但變化程度較小。煤樣破碎形態的變化趨勢與煤樣動態力學參數的變化趨勢基本一致，再一次說明了不同加熱時間下水分對煤巖的差異化作用。

3結 論

1）在沖擊載荷的作用下煤樣的應力-應變曲線沒有壓密階段，煤樣的峰值應力和峰值應變隨著加熱的進行逐漸減小，其中在加熱中期（50～125 s）的下降幅度最大，分別達到42.78%和31.20%。

2）在沖擊載荷的作用下煤樣主要表現為劈裂破壞，并且微波加熱的時間越長煤樣就越早發生破碎。此外，煤樣的破碎塊度隨著加熱的進行也越來越細碎和均勻，其中加熱125 s后煤樣破碎塊度的變化最為明顯。

3）微波加熱對飽水煤巖的影響存在明顯的時間效應，相比較加熱初期和后期，加熱中期（50～125 s）對煤巖的破壞作用最為明顯。出現上述現象的原因是煤巖中的水分在微波的作用下快速汽化，隨著加熱的進行煤樣內部的蒸汽壓力不斷上升并在加熱中期達到最大，導致煤巖的微觀結構在此階段發生明顯劣化。