煤巖單向加熱模擬試驗裝置的研發與應用

辛 林，馮洺澤，謝 軍，程衛民，李凱旋，劉偉韜，李佳澤，吳 景

(1.山東科技大學 安全與環境工程學院，山東 青島 266590; 2.山東科技大學 礦山災害預防控制-省部共建國家重點實驗室培育基地，山東 青島 266590; 3.山東科技大學 能源與礦業工程學院，山東 青島 266590)

高溫作用下巖石損傷特性研究是當前巖石力學領域中廣泛關注的前沿課題之一[1]，在深部開采、地熱資源開發、核廢料存儲、地下煤自燃、原位改性流體化采礦及煤炭地下氣化等工程方面具有廣泛的應用[2]。高溫巖石力學的發展以及對新的工程問題和關鍵科學問題的探索，也不斷促進著新型高溫高壓試驗裝置的研制[3]，對解決特定邊界條件下的關鍵科學問題，揭示高溫巖石力學特性規律，推動巖石力學學科的發展，具有重要的意義。

煤炭地下氣化是采用人工控制方法實現地下原位煤層直接就地轉化為可燃氣體的開采方法[4-7]，在難采、劣質、低品質以及深部等煤炭資源原位規模性開發方面具有廣泛的前景[8-13]。煤炭地下氣化通道點火后，逐漸擴展形成地下氣化的火焰工作面，沿氣流流動方向分布著氧化區、還原區和干餾干燥區[14]。地下氣化通道內的氧化區主要進行著煤氧的燃燒反應，釋放出大量的熱，并使該區域溫度達到1 000 ℃以上[15-18];在還原區主要進行二氧化碳的還原反應以及水蒸氣的分解反應，吸收大量的熱量并使該區域溫度降低，該區域平均溫度也達600 ℃以上;在煤氣流下游的干餾干燥區，高溫煤氣將持續與周邊煤巖體對流換熱[19-20]。隨著煤炭地下氣化火焰工作面的移動，高溫區的位置也隨之移動。因此，一方面氣化通道周邊煤巖體以及燃空區圍巖所受到的溫度邊界條件是動態變化的；另一方面，從煤巖體與火焰工作面高溫區的空間位置來看，通道周邊煤巖體以及燃空區圍巖所處的受熱狀態是單向受熱狀態，且由于其導溫系數較低，在煤巖體內部具有較大的溫度梯度。

在以往的對煤巖體高溫特性的實驗研究中，往往采取將試樣放置于加熱裝置內進行整體加熱的方式，完全加熱后再研究其受一定溫度作用后的熱物理力學特性或者熱損傷破裂特性[21-24]。這種對煤巖試樣的加熱處理方法對于煤炭地下氣化煤巖體受熱特性的研究顯然是不足的:① 忽略了對煤巖體受熱狀態、邊界條件動態變化的考慮，忽略了煤巖體內梯度分布的溫度對熱損傷特性的影響;② 忽略了梯度溫度引起的熱應力對煤巖體內部結構損傷的影響。對類似于煤炭地下氣化等受局部高溫熱源作用的高溫巖石力學問題，具有受熱溫度高、熱作用時間短、熱傳導距離有限、溫度梯度大等特點[25]，巖體內的溫度分布、熱損傷特性也呈現單向分布的規律性變化。對于這類問題，現有的高溫加熱試驗裝置并不適用，亟需研發與之相匹配的、能滿足其特點的高溫加熱試驗裝置。為此，筆者自主研發設計了一套單向加熱模擬試驗裝置，具備單向高溫加熱、多信息同步監測以及程序可控等功能，并開展了相關的實驗測試。詳細介紹該試驗裝置的結構和功能、研制的難點與解決方案，進而介紹了該試驗裝置研究的巖石單向高溫加熱下的熱損傷特征。

1 試驗裝置主要功能與技術參數

1.1 主要功能

該試驗裝置適用于煤炭地下氣化、地熱開采、核廢料儲埋等工程領域，尤其是在煤炭地下氣化通道擴展過程煤巖體受熱損傷特性研究中(圖1)，對解決受單向熱源作用的熱物理力學特性、熱損傷和熱破裂特性等方面的關鍵科學問題，提供創新性的思路和實驗手段。主要研究功能包括:① 研究單向加熱條件下，煤巖體高度方向上的溫度、熱應力以及聲發射等多信息同步變化規律;② 研究溫度與熱應力耦合作用下，煤巖體熱損傷及熱破裂的特性規律，揭示受梯度溫度分布條件下的熱破裂類型、規模和裂隙演化規律。

圖1 煤炭地下氣化通道擴展過程中煤巖體受熱狀態示意Fig.1 Schematic diagram of heating state of coal and rock mass during the expansion of underground coal gasification channel

1.2 主要技術參數

(1)試樣尺寸:φ50 mm×100 mm。

(2)金屬加熱盤最高加熱穩定溫度:600 ℃。

(3)金屬加熱盤加熱方式:電加熱管間歇加熱。

(4)加熱溫度控制方式:手動編程，自主設定邊界加熱路徑。

(5)溫度傳感器數量:6個。

(6)溫度傳感器量程:0～1 000 ℃。

(7)加載及試樣約束方式:手動螺旋加載，端頭固定約束。

(8)軸向膨脹熱應力采用壓力傳感器監測，量程0～10 kN。

(9)聲發射探頭直接安裝在試樣上端外表面，可多點監測。

(10)溫度、應力、聲發射數據全自動采集。

(11)試驗裝置4支柱支撐，主材采用304不銹鋼和45號鋼，立柱直徑為30 mm，試驗裝置總體剛度不小于300 MN/m。

2 試驗裝置的結構與關鍵技術

試驗裝置主要包括加熱和溫控單元、溫度和熱應力監測單元、聲發射監測單元、約束和加載單元4個部分組成。加熱和溫控單元實現對試樣在某一設定邊界溫度條件下的單向加熱;溫度和熱應力監測單元實現對試樣不同高度方向上的溫度監測以及軸向的熱膨脹應力監測;聲發射監測單元可監測加熱過程中熱破裂聲發射信號，包括聲發射事件數、振鈴計數和幅值;約束和加載單元實現試樣的初始軸向加載和固定位移約束。該試驗裝置結構如圖2所示，實物如圖3所示。

圖2 試驗裝置結構Fig.2 Structure of test device

圖3 巖石單向加熱試驗裝置實物Fig.3 Physical drawing of rock unidirectional heating test device

2.1 加熱和溫控單元

加熱和溫度單元主要由加熱管、金屬加熱盤、測溫熱電偶和溫控儀組成(圖4，5)。加熱管是試驗裝置的發熱部件，加熱管所產生的高溫通過空氣加熱上覆的金屬加熱盤，金屬加熱盤的溫度由測溫熱電偶進行監測，并通過溫控儀控制加熱管的工作狀態，使金屬加熱盤溫度保持在設定的溫度值。試樣底部通過傳熱片放置于金屬加熱盤之上實現單向高溫加熱。通過溫控儀設定試樣的溫度邊界條件，可實現恒溫加熱、梯度升溫加熱以及梯度降溫，并可設定各加熱方式的時長。

加熱管為Cr20Ni80鎳鉻合金發熱管，內襯陶瓷，短時耐受最高溫度為700 ℃，長時間耐受溫度為600 ℃。金屬加熱盤采用304不銹鋼，放置于下部的高強度碳纖維隔熱底盤之上。

2.2 溫度和熱應力監測單元

受單向加熱影響，試樣在高度方向上具有一定的梯度分布。沿高度方向上，依次布置6個測溫熱電偶，如圖6所示。6個熱電偶分2組正對筒體兩側交錯布置，通過螺紋固定在筒體壁上，熱電偶前端抵在試樣外表面不同層位，測量試樣不同高度位置上的外表面溫度。

圖6 熱電偶、聲發射AE探頭安裝Fig.6 Installation drawing of thermocouple and AE probe

試樣受熱膨脹產生的熱應力由試樣上部壓頭之上的壓力傳感器進行監測，壓力傳感器最大量程為10 kN，對于直徑50 mm的標準試樣，可監測最大值為10 000/(0.0252π)=5.093 MPa的熱應力。

2.3 聲發射監測單元

聲發射監測系統選用美國物理聲學公司PAC(Physical Acoustic Corporation)生產的MISTRAS系列PCI-2聲發射系統，聲發射傳感器為R6α型諧振式高靈敏度傳感器，其工作頻率為35～100 kHz。聲發射傳感器直接貼附在試樣上端面的外表面，涂抹凡士林進行耦合，并有膠帶進行固定，如圖6所示。采用18位A/D轉換的現代數字信號處理技術，實現對試樣加熱過程中聲發射信號的高速采集、數據處理和實時分析。

2.4 約束和加載單元

試驗裝置主體框架采用上下橫梁和底座連接4立柱結構(圖3)，采用螺栓進行連接，選用304不銹鋼材質。在上橫梁中間位置絲母和絲杠，采用手輪旋轉調節絲杠上下高度。當試樣及壓力傳感器安裝到位后，手動旋轉手輪壓緊壓力傳感器，通過監測軟件讀取壓力傳感器數值，可為試樣加載一個初始的約束應力。在加熱過程中，絲杠保持不動，為固定約束邊界，可通過壓力傳感器讀取試樣受熱膨脹所產生的熱應力數值。

3 設備研制的技術難點

3.1 單向加熱和固定邊界約束

實現單向加熱是該裝置的核心功能，除此之外還要能夠監測單向受熱方向上受固定約束的膨脹熱應力，這就要求試樣加熱端底座必須具有足夠的剛度，在提供高溫邊界條件的同時，受熱變形量要足夠小。一般的電阻絲加熱盤無法做到在加熱的同時還滿足剛度的要求，無法直接接觸試樣進行加熱和剛性承壓。

為了實現既能單向加熱又能承受試樣熱膨脹應力的剛度要求，采用了加熱管加熱金屬加熱盤腔室空氣，腔室空氣加熱金屬加熱盤的加熱方式。由于金屬加熱盤(304不銹鋼材質)的熱傳導系數[26]是空氣的400多倍，因此通過熱電偶監測得到的腔室空氣的溫度即可認為是金屬加熱盤的溫度，也即試樣表面的加熱溫度。由于金屬加熱盤具有較大的剛度，滿足了試樣對固定邊界約束的要求。

3.2 加熱方式

普通的加熱管長時間加熱情況下，容易發生熔斷現象，使用壽命短，不能滿足實驗設備可靠性和高使用強度的要求。本裝置采用Cr20Ni80鎳鉻合金作為加熱管的材料，具有變形性、熱穩定性和可靠性好等特點，其最高使用溫度可到1 100 ℃，熔點1 390 ℃，電阻率為(1.04±0.05)×10-6Ω·m[3]。

為了保護加熱管，提高其使用壽命，通過間歇通電控制器(圖5所示的溫控儀內控制器)來控制加熱管的通電加熱時間t1和斷電時間t2。t1和t2的比值決定了升溫速率，比值越大，金屬加熱盤升溫速率越快，反之越慢。

圖7 筒體內葉蠟石粉填充Fig.7 Filling of pyrophyllite powder in cylinder

為了防止金屬加熱盤直接加熱筒體內空氣引起對流換熱，導致筒體內溫度升高干擾熱電偶測量結果，筒體內部填充葉蠟石粉耐高溫材料，進行隔熱保溫。葉蠟石粉是一種粉狀鋁硅酸鹽礦物，具有較低的熱傳導系數，高化學穩定性和高絕緣性，熔點1 700 ℃。填充葉蠟石粉后可以起到隔熱、保溫、絕緣等作用，金屬加熱盤溫度主要沿試樣向上傳導，各熱電偶所測溫度為試樣內部所傳導的溫度，保障了熱電偶測量的準確性。筒體內葉蠟石粉填充圖如圖7所示。

4 砂巖單向加熱特性試驗

4.1 試樣準備

選取煤層頂板典型砂巖作為研究試樣，加工制作成φ50 mm×100 mm標準砂巖試樣。

4.2 試驗步驟

(1)測量。測量試樣直徑、高度，然后稱重，計算體積和試樣密度。

(2)安裝。按次序由下向上安裝加熱裝置和試樣;然后安裝熱電偶，同時標記和測量熱電偶端點在試樣高度方向上的對應位置(表1);安裝聲發射AE探頭，由于AE探頭非耐高溫型探頭，故將AE探頭安裝在靠近試樣上部的圓周表面，采用耦合劑黏合良好，并用膠帶固定，為監測耦合效果，進行斷鉛測試;測試合格后在筒體內填充葉蠟石粉至與砂巖上表面平齊;安裝壓頭、上壓蓋，壓頭上放置壓力傳感器，手動旋轉絲杠抵緊壓力傳感器，施加一定的預緊力，并記錄初始壓力傳感器數值。

表1 各測點在試樣高度方向的位置Table 1 Position of each measuring point in the height direction of the sample mm

(3)加熱。采用加熱和溫控單元對試樣進行加熱和控制。采用恒溫加熱方式，邊界設定溫度為600 ℃;為防止加熱管連續加熱造成損害，采用間歇加熱方式使加熱管溫度持續上升，將控制器參數設定為通電加熱時間t1為7 s，斷電時間t2為3 s。

(4)監測。采用溫度、壓力采集儀采集溫度和線熱膨脹力數據，并在電腦采集軟件上顯示和保存;采用PCI-2聲發射系統采集記錄聲發射事件數、振鈴計數、振幅、能量等聲發射數據。

(5)停止。為了保護壓力傳感器和聲發射AE探頭，當出現:① 超過壓力傳感器最大量程；② 靠近聲發射AE探頭的溫度值達到70 ℃；③ 達到恒溫加熱時長這3種情況時，停止加熱。

(6)測量和清理。試驗停止后，取出試樣進行表面清潔，并進行2次測量，測量試樣直徑、高度，然后稱重，計算體積和試樣密度。觀察和記錄試樣的整體形態、結構和外觀變化。最后對試驗裝置各部件進行清理。

4.3 高溫下砂巖熱損傷和熱破裂特性

(1)整體外觀形態變化。圖8給出了加熱前后砂巖的外觀形態圖?？芍嚇咏?00 ℃單面加熱后，受熱端面受高溫影響，砂巖顏色高度方向上發生了變化。原試樣顏色多為灰白色，受熱后顏色偏紅褐色。說明砂巖內部發生了礦物氧化，內部的低熔融熱解性有機成分發生了消融。加熱后砂巖整體結構未發生顯著變化，在巖樣下端面受熱區并未發現肉眼可見的裂紋或破壞現象。

圖8 單向加熱前后砂巖試樣Fig.8 Sandstone samples before and after unidirectional heating

(2)物理尺寸變化?？疾旒訜崆昂笤嚇又睆?、高度、質量和密度等物理參數見表2。由表2可以看出，加熱前后，直徑、高度等數值差別較小，但加熱后質量和密度明顯降低，主要是受高溫加熱影響，試樣內水分蒸發，部分有機成分發生了消融。

表2 砂巖加熱前后物理參數Table 2 Physical parameters of sandstone before and after heating

(3)溫度、線熱膨脹力變化規律。記錄了金屬加熱盤溫度、各測點溫度以及壓力傳感器數值隨時間的變化規律，如圖9所示。

由圖9可以看出，在邊界溫度設定為600 ℃，通電加熱時間t1設定為7 s，斷電時間t2設定為3 s的加熱方式下，加熱盤溫度呈先快速增加，后逐漸減緩的加熱方式，約在3 500 s后達到設定溫度600 ℃，隨后保持恒溫600 ℃加熱約4 000 s。線熱膨脹力呈非線性增大，受邊界溫度變化的影響，在邊界溫度升高階段，線熱膨脹力變化率逐漸增大，在邊界溫度達到恒溫600 ℃時，線熱膨脹力變化率呈逐漸減小趨勢。

圖9 加熱盤溫度、測點溫度以及壓力傳感器數值隨 時間變化規律Fig.9 Heating plate temperature,measuring points temperature and the value of pressure sensor change with time

統計了在整個加熱過程中各溫度測點所監測到的最大值，繪制其曲線如圖10所示。由圖10可以看出，沿高度方向上，各測點最高溫度曲線基本呈指數函數降低。

圖10 試樣高度方向上各測點最高溫度變化規律Fig.10 Variation of maximum temperature of each measuring point along the height direction of sample

(4)聲發射特性規律。巖體受熱膨脹破壞是其內部微破裂萌生、擴展和斷裂的過程，伴隨其破壞過程會產生聲發射等物理現象[27]，其變形破壞是一個由變形、損傷的萌生和演化，直至出現宏觀裂紋，再由裂紋擴展到破壞的逐漸發展過程[28-30]。巖石熱破裂聲發射為典型的突發型信號波形，采用包絡檢測后，波形超過預設門檻值電壓并維持一段時間，則形成一個矩形脈沖，稱為一個事件。通過設置某一閾值電壓，振鈴波形超過這一閾值電壓的部分形成矩形脈沖，累加這些振鈴脈沖數，就是振鈴計數。統計了砂巖在整個加熱過程中的所有聲發射事件及聲發射振鈴計數隨時間的變化規律，如圖11所示。

圖11 聲發射事件和振鈴計數隨時間變化規律Fig.11 Variation of acoustic emission events and ringing counts with time

由圖11可以看出，在升溫階段即產生了大量的聲發射，在加熱盤停止加熱之后，聲發射事件或振鈴計數很少;在金屬加熱盤快速升溫階段(前700 s內)，砂巖內即產生了大量的聲發射事件，且振鈴累計計數曲線具有較高的變化率;振鈴累計計數曲線與加熱盤溫度曲線、線熱膨脹力曲線具有相似的變化規律;從熱應力角度可以分析巖石熱破裂的過程[31]，在單向高溫加熱情況下，在高度方向上產生較大的溫度梯度，砂巖內部不同熱膨脹系數的顆粒、基質等發生不均勻變形，并在接觸點或面形成應力集中，當超過顆粒體強度以及顆粒體與基質黏結強度時，便會產生不同類別的裂紋，發生不同程度的熱破裂。通過記錄聲發射事件數和振鈴計數，可以大體得到砂巖在受熱過程中發生微損傷熱破裂的規模。

聲發射信號是一種非平穩信號，快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform，FFT)為一種分析非平穩信號的經典頻譜分析方法。巖石產生的聲發射信號頻譜特征能夠表征巖石的受力狀態、巖石結構、力學性質等全部信息，分析波形信息能夠更好地了解巖石破壞機制及破壞前兆[30,32-33]。聲發射本征頻譜特征可以發現時域特征里難以顯現的問題[34]。本文提取了所有聲發射事件的主頻和主頻幅值，通過分析主頻和幅值的變化規律，尋求砂巖受熱破裂過程中的頻率響應特征和主頻幅值特征，從聲發射信號波形中分析出反映巖石破裂時刻的本質信息。

通過對試樣進行頻譜分析，得到了各試樣所有聲發射事件主頻隨時間的變化規律。根據主頻值的分布范圍和集中區域，獲得了砂巖試樣加熱膨脹過程聲發射信號主頻分布圖，如圖12所示。由圖12可以看出，砂巖試樣在整個加熱過程中，主頻基本集中分為幾個頻率范圍，即20 kHz左右低頻區，90～100 kHz中高頻區、110～120 kHz高頻區以及150 kHz左右超高頻區;從數量上來看，主頻在110～120 kHz高頻區的聲發射事件最多，其次為90～100 kHz中高頻區和20 kHz左右低頻區，150 kHz左右超高頻區聲發射事件最少;在20 kHz左右低頻區，90～100 kHz中高頻區分散著一定數量主頻值不等的聲發射事件，而且這些零散分布的聲發射事件大多分布在升溫階段，可能是由于裂紋的不穩定擴展，致使其表現出不同的破裂源特征，出現分散分布的主頻值。

圖12 聲發射事件主頻隨時間變化規律Fig.12 Variation of main frequency of acoustic emission events with time

根據文獻[35]，聲發射信號高頻對應于小尺度裂紋，低頻對應于較大尺度破裂。說明砂巖試樣聲發射事件主要以小尺度裂紋破裂擴展為主;當巖石內部微裂紋閉合形成大破裂時，聲發射信號主要以低頻為主。試樣在起始壓密和加熱升溫彈性變形階段出現的低頻率主頻值，是由于壓密階段微裂紋的壓密閉合，以及彈性階段對裂紋的擾動，巖石內部有少量大破裂產生，或者出現了部分貫穿裂隙。通過分析熱破裂主頻特征規律，揭示了巖石熱破裂是一個微裂紋萌生、貫通形成大裂紋的破裂演化過程。

5 結 論

(1)所研發的單向加熱模擬試驗裝置與常規高溫巖石試驗機相比，具有如下特點:實現單向高溫加熱和單向約束，模擬煤巖體受熱狀態;實現加熱過程的溫度、熱應力和聲發射的多信息同步監測，便于多因素耦合分析;邊界加熱溫度程序可控，可模擬不同類型受熱邊界條件。

(2)介紹了用該試驗裝置所進行的砂巖單向600 ℃加熱模擬試驗，試驗揭示了砂巖試樣單向受熱條件下的高度方向上溫度、軸向熱應力以及熱破裂聲發射特性規律，通過主頻分析，進一步揭示了巖石熱破裂的演化規律。

(3)該設備的研發為解決受單向熱源作用的煤巖熱損傷和熱破裂特性等方面的關鍵科學問題研究，提供新的思路和實驗手段。