沖擊傾向性煤樣單軸加載紅外探測研究

肖福坤,　申志亮,　劉　剛,　張峰瑞,　張　澤

(黑龍江科技大學(xué) 黑龍江省煤礦深部開采地壓控制與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 哈爾濱 150022)

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沖擊傾向性煤樣單軸加載紅外探測研究

肖福坤,申志亮,劉剛,張峰瑞,張澤

(黑龍江科技大學(xué) 黑龍江省煤礦深部開采地壓控制與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 哈爾濱 150022)

為探求沖擊煤層煤樣在單軸加載過程中的紅外變化規(guī)律,利用紅外熱像儀對煤樣進(jìn)行單軸加載紅外監(jiān)測,取剪切破壞和劈裂破壞兩種試樣,對破壞過程進(jìn)行紅外熱像實(shí)驗(yàn)分析。結(jié)果表明:沖擊煤層煤樣AIRT(紅外輻射溫度)和應(yīng)力-應(yīng)變曲線的對應(yīng)關(guān)系分為五個階段,即下降(壓密階段)-上升(彈性階段)-下降(塑性階段)-上升(屈服階段)-下降(破壞階段);煤樣破壞前期都曾出現(xiàn)一次相對較大的AIRT下降現(xiàn)象,下降A(chǔ)IRT依據(jù)試樣的強(qiáng)度不同而不同;煤樣剪切破壞過程比劈裂破壞過程高溫區(qū)域明顯;AIRT變化可以對煤樣內(nèi)、外部能量積聚與耗散進(jìn)行較準(zhǔn)確的趨勢預(yù)測。

沖擊煤層; AIRT; 剪切破壞; 劈裂破壞

0　引　言

在煤礦沖擊地壓發(fā)生過程中,煤壁的破壞遠(yuǎn)比頂板圍巖明顯,這是由于煤體自身強(qiáng)度低、解理裂隙發(fā)育等抗擾動能力差造成的。因此,對反復(fù)擾動煤巖的監(jiān)測十分重要,特別是對煤的監(jiān)測。

近年來,隨著非接觸監(jiān)測設(shè)備及技術(shù)的發(fā)展,紅外遙感技術(shù)以其良好的可靠性、準(zhǔn)確性,便捷的操作性,贏得越來越多的專家借助它進(jìn)行礦山科學(xué)研究。吳立新[1]等率先進(jìn)行煤巖受壓破壞過程的紅外探測實(shí)驗(yàn),揭示煤巖破裂前兆紅外輻射的溫度變化。劉善軍等[2-3]對巖石在單軸作用下的紅外輻射定量特征進(jìn)行研究。 F. Freund[4]在對巖石的中心加壓時(shí)發(fā)現(xiàn)巖石的表面在變形過程中紅外輻射強(qiáng)度發(fā)生了變化,當(dāng)巖石受到應(yīng)力作用甚至產(chǎn)生斷裂時(shí),電荷被激發(fā)形成電流,隨著應(yīng)力的作用會傳遞到巖石的表面,并在表面重新結(jié)合釋放能量,產(chǎn)生紅外輻射。馬立強(qiáng)等[5]首次利用紅外測溫儀測量煤巖體孔內(nèi)的溫度變化,發(fā)現(xiàn)煤內(nèi)部溫度與時(shí)間、荷載都是正相關(guān),煤的紅外破裂前兆僅表現(xiàn)為溫度突增型。郭文奇等[6]通過限制側(cè)向變形的煤樣加載實(shí)驗(yàn),認(rèn)為煤巖體紅外輻射溫度的變化可以反映應(yīng)力集中范圍以及應(yīng)力轉(zhuǎn)移情況。趙毅鑫等[7-8]總結(jié)了煤體失穩(wěn)破壞過程中的聲熱現(xiàn)象。鐘曉暉等[9]分析影響煤體溫度場分布的因素,認(rèn)為煤體剪性微破裂和張性微破裂的輻射特征不同,張性微破裂使輻射溫度下降,而剪性微破裂使輻射溫度上升,且剪切微破裂產(chǎn)生的摩擦生熱大于加載的熱彈效應(yīng)生熱。徐子杰等[10]探討不同沖擊傾向性煤體失穩(wěn)破壞的紅外前兆信息,發(fā)現(xiàn)煤樣沖擊傾向性越強(qiáng),加載破壞過程煤樣表面紅外溫度平均值升溫幅度越大,煤樣紅外輻射高溫區(qū)域分布范圍越大、強(qiáng)度越高。

上述研究在煤巖紅外探測方面取得眾多成果,但研究煤巖樣失穩(wěn)破壞前兆,或是由試樣局部變形破壞得出的紅外輻射規(guī)律上,缺乏對沖擊傾向性煤樣從初始受載到破壞整個過程的紅外變化規(guī)律的探索。筆者以此為切入點(diǎn),對具有沖擊傾向性煤層煤樣進(jìn)行單軸加載紅外監(jiān)測實(shí)驗(yàn),探究具有傾向性煤樣的張性和剪性破壞紅外輻射規(guī)律,以求得具有沖擊傾向性煤層從受擾到完全破壞的整個過程紅外變化規(guī)律。

1　實(shí)驗(yàn)

煤樣采自雞西礦區(qū)東海礦的沖擊煤層(前期經(jīng)實(shí)驗(yàn)室鑒定為沖擊煤層)。從井下回采面取回大塊煤樣,沿垂直層理方向切割成50 mm×50 mm×100 mm試樣。兩端用雙端面磨石機(jī)打磨,受壓端面不平行度小于0.1 mm,實(shí)驗(yàn)前上、下端面各墊一層塑料薄膜,以減少端部效應(yīng)。試件制備后,在室溫條件下放在底部有水的干燥器內(nèi)1～2 d。利用三軸實(shí)驗(yàn)機(jī)對煤樣進(jìn)行單軸加載實(shí)驗(yàn),采用H2640紅外熱像儀觀測試樣表面紅外輻射溫度場的變化,波長范圍為8～13 μm,靈敏度為0.03。

實(shí)驗(yàn)前,將紅外熱像儀放置在距離試樣約 1 m 的位置上。紅外監(jiān)測與單軸加載實(shí)驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行,以利于熱紅外圖像和應(yīng)力應(yīng)變曲線,兩者的對比。為了減少環(huán)境對煤樣紅外監(jiān)測的影響,將試樣放置在封閉的紙箱內(nèi),在正對熱像儀鏡頭前方開一小孔。應(yīng)盡可能減少太陽光的散射影響,除窗簾關(guān)閉外,在熱像儀的背后放置投影儀大屏幕。熱像儀測量前校準(zhǔn)后,測量過程中不再調(diào)節(jié),以此值作為各煤樣的對比基準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)采集速度為每張5 s。在三軸試驗(yàn)機(jī)下,沿著煤樣的長軸方向單軸勻速加載直至試件破裂。加載速率為0.05 kN/s。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表1。

表1煤樣單軸加載紅外探測數(shù)據(jù)

Table 1Coal sample under uniaxial loading infrared detection data

試樣編號θ/℃最高溫度差最低溫度差平均溫度差高低溫度最大差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　結(jié)果分析

2.1紅外溫度變化與應(yīng)力的關(guān)系

對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,得到?jīng)_擊煤層煤樣的AIRT-應(yīng)力-位移曲線和AIRT-應(yīng)力-時(shí)間曲線。通過兩種曲線可以清晰地觀察到煤樣在整個加載過程中紅外輻射溫度(AIRT)與應(yīng)力、應(yīng)變、位移、時(shí)間的對應(yīng)關(guān)系。以典型破壞煤樣C01(剪切)和C04(劈裂)為例進(jìn)行分析說明。

從圖1a可以很清楚地看到,C01試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線和AIRT的對應(yīng)關(guān)系?？傮w上看隨應(yīng)力的增加AIRT呈下降趨勢,在加載初期AIRT大幅下降,在破壞前期出現(xiàn)大幅度降溫小幅度回溫,降溫達(dá)0.25 ℃,回溫達(dá)0.05 ℃。分階段看呈現(xiàn)下降(壓密階段)—上升(彈性階段)—下降(塑性階段)—上升(屈服階段)—下降(破壞階段)。從圖1b可以看出,75 s前AIRT變化幅度較小,75 s之后AIRT變化幅度較大。

圖1　C01試樣應(yīng)力-應(yīng)變-時(shí)間與AIRT的關(guān)系

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

從圖2a可以很清楚的看到,C04試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線和AIRT的對應(yīng)關(guān)系?？傮w上看隨應(yīng)力的增加AIRT前期和后期變化幅度大,中期呈平穩(wěn)上升趨勢。在加載初期AIRT小幅上升大幅下降,在破壞前期出現(xiàn)大幅度降溫小幅度回溫,降溫達(dá)0.35 ℃,回溫達(dá)0.2 ℃。分階段看呈現(xiàn)出下降(壓密階段)—上升(彈性階段)—下降(塑性階段)—上升(屈服階段)—下降(破壞階段)。從圖3b可以看出25 s前AIRT變化幅度大,25 s之后AIRT變化幅度較穩(wěn)定,300 s后AIRT變化幅度增大。

圖2　C04試樣應(yīng)力-應(yīng)變-時(shí)間與AIRT的關(guān)系Fig. 2　Relationship between stress-strain-time and AIRT of coal samples C04

通過以上分析可以得出沖擊煤層煤樣AIRT和應(yīng)力—應(yīng)變曲線的階段對應(yīng)關(guān)系為:下降(壓密階段)—上升(彈性階段)—下降(塑性階段)—上升(屈服階段)—下降(破壞階段)。

試樣不論何種形式破壞,在破壞前期都曾出現(xiàn)一次相對較大的AIRT下降現(xiàn)象,這與沖擊地壓發(fā)生前巷道明顯感到溫度降低相似。這對沖擊煤層的鑒定具有重要參考價(jià)值。

2.2剪切破壞紅外熱像的變化

對煤樣進(jìn)行單軸加載實(shí)驗(yàn),C01和C02最后成明顯的剪切形式破壞。以C01為例對剪切破壞紅外溫輻射度變化規(guī)律進(jìn)行說明。

從圖3可以看出,C01試樣從初始受載到試樣發(fā)生剪切破壞整個過程中,對應(yīng)有顯著特征紅外輻射溫度變化的紅外熱像。初始受載5 s時(shí),試樣表面平均輻射溫度最高達(dá)到27.31 ℃,這是由于外部環(huán)境和試樣本身等多種因素作用的結(jié)果。加載到110 s時(shí)試樣表面平均輻射溫度26.87 ℃,溫度下降了0.44 ℃。190 s時(shí)紅外平均輻射溫度為27.03 ℃。215 s時(shí)紅外平均輻射溫度為26.86 ℃,試樣左下角出現(xiàn)端部破壞。295 s時(shí)紅外平均輻射溫度為26.8 ℃,試樣表面靠左側(cè)位置出現(xiàn)高溫區(qū)域,最高紅外溫度點(diǎn)達(dá)27.3 ℃。310 s時(shí)紅外平均輻射溫度為26.83 ℃,試樣表面左側(cè)高溫區(qū)域范圍變大,最高溫度點(diǎn)擴(kuò)展成長條面狀區(qū)域,溫度達(dá)27.4 ℃。315 s時(shí)紅外平均輻射溫度為26.81 ℃,高溫條帶區(qū)域有明顯的變寬趨勢。320 s時(shí)紅外平均輻射溫度為26.94 ℃,試件發(fā)生剪切破壞,左側(cè)下角被45 ℃剪切掉,剪切面溫度達(dá)27.1 ℃。從295 s時(shí)試樣左側(cè)局部出現(xiàn)高溫區(qū)域,到320 s時(shí)試樣左側(cè)被45°剪切掉,這15 s試樣紅外平均輻射溫度升高0.14 ℃,平均每5 s試樣紅外平均輻射溫度升高將近0.05 ℃。實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn),試樣被45°剪壞,此現(xiàn)象與紅外熱像相吻合,為典型剪切破壞。

圖3　C01試樣剪切破壞過程紅外熱像

Fig. 3C01sample shear failure process infrared thermal imaging

2.3劈裂破壞紅外熱像的變化

劈裂可以說是一般堅(jiān)硬脆性巖石的固有破壞形式,而具有沖擊傾向性的煤層煤樣同樣具有此特性。對煤樣進(jìn)行單軸加載實(shí)驗(yàn),C04和C05最后成明顯的劈裂形式破壞。以C04為例,對劈裂破壞紅外輻射溫度變化規(guī)律進(jìn)行說明。

圖4　C04試樣劈裂破壞過程紅外熱像

Fig. 4C04sample splitting failure process infrared thermal imaging

從圖4可以看出,C04試樣從初始受載到試樣發(fā)生劈裂破壞,整個過程中對應(yīng)有顯著特征溫度變化的紅外熱像。初始受載時(shí),試樣表面輻射溫度高達(dá)27.74 ℃,平均輻射溫度26.68 ℃。加載到330 s時(shí)試樣表面紅外平均輻射溫度為26.5 ℃,在試樣右上部出現(xiàn)高溫條帶,輻射溫度達(dá)26.6 ℃。335 s時(shí)紅外平均輻射溫度為26.55 ℃。365 s時(shí)紅外平均輻射溫度為26.71 ℃。370 s時(shí)紅外平均輻射溫度為26.61 ℃。375 s時(shí)紅外平均輻射溫度為26.51 ℃,試樣左部也出現(xiàn)高溫條帶,最高溫度點(diǎn)達(dá)26.9 ℃,試樣左下角出現(xiàn)端部破壞,右下部出現(xiàn)局部破壞。380 s時(shí)紅外平均輻射溫度為26.69 ℃,左側(cè)高溫條帶區(qū)域出現(xiàn)紅色高溫斑,輻射溫度達(dá)27.2 ℃,右下局部破壞處又有新的破壞產(chǎn)生。395 s時(shí),紅外平均輻射溫度為26.74 ℃,試樣表面淺藍(lán)色兩邊各出現(xiàn)一條高溫條帶,右下部局部破壞處已崩落成內(nèi)凹弧形。實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn),試樣表面出現(xiàn)兩條劈裂痕,左側(cè)裂痕較顯著,此現(xiàn)象與紅外熱像相吻合,為典型劈裂破壞。

3　煤樣失穩(wěn)破壞過程的紅外輻射

從現(xiàn)場采集的原煤試件非均質(zhì)性和各向異性比較明顯,后期在加工標(biāo)準(zhǔn)樣過程中又帶來了不同程度的損傷,由所得數(shù)據(jù)可以看出在加載初始壓密階段紅外輻射溫度可能呈現(xiàn)兩種情況,即溫度上升或溫度下降,當(dāng)內(nèi)部裂隙發(fā)育較多的試件初始壓縮時(shí)內(nèi)、外部微裂紋開始閉合,這一過程試件受外力作用微粒子發(fā)生電子躍遷產(chǎn)生溫度流流動,微裂紋的存在造成溫度流流動受阻,在試件表面局部呈現(xiàn)高低溫度變化,試件表面平均溫度整體呈下降趨勢。隨著微裂紋被壓密,溫度流傳遞順暢溫度開始上升。如果初始試件內(nèi)、外部節(jié)理裂隙較少,完整性較好時(shí),在試件加載初期壓密階段可能不會出現(xiàn)或是出現(xiàn)時(shí)間很短,就進(jìn)入彈性階段。因此,紅外輻射溫度有可能開始就呈現(xiàn)上升趨勢。

隨著壓力機(jī)加載應(yīng)力的增加,煤樣內(nèi)積聚的彈性能相應(yīng)增加,機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能的量相應(yīng)增加,與之相應(yīng)躍遷的電子量也在增加。試樣內(nèi)、外部微小裂紋應(yīng)力集中的尖端在不斷的微擴(kuò)展,造成在彈性階段的紅外輻射溫度呈橫向密集小波動,隨著積聚彈性能的增加,試樣微裂紋尖端應(yīng)力集中處的微擴(kuò)張使得塑性做功不斷增強(qiáng),彈性能不斷被微消耗。這一階段仍以彈性能積聚占主導(dǎo)。在彈性段從整體上看紅外平均輻射溫度呈上升趨勢。

塑性階段是微裂紋尖端應(yīng)力集中擴(kuò)展階段,是試樣在基本保持整體結(jié)構(gòu)下逐步改變這一結(jié)構(gòu)階段,這一過程塑性做功占據(jù)主導(dǎo)地位,彈性能被逐步消耗。表現(xiàn)形式為內(nèi)部微小裂紋尖端擴(kuò)展、貫通。外部裂紋尖端由于應(yīng)力集中也進(jìn)行著微擴(kuò)展。同時(shí),內(nèi)、外部裂紋面伴隨著微摩擦。表現(xiàn)在紅外輻射溫度上呈現(xiàn)橫向稀疏波動,在塑性階段從整體上看紅外輻射平均溫度呈下降趨勢。

進(jìn)入屈服階段后,在荷載的作用下,隨著內(nèi)、外部微裂紋的擴(kuò)展與貫通,在試樣外部應(yīng)力集中處由于塑性做功黏結(jié)性差的顆粒和小塊被擴(kuò)展貫通后從試樣上脫離,伴隨著彈性能的申志亮釋放、裂紋面之間的摩擦,通過紅外熱像可以看出,在試樣表面裂紋及貫通處出現(xiàn)紅外輻射高溫區(qū)域。依據(jù)能量釋放的大小和快慢程度不同,輻射溫度變化幅度也很大,對于瞬間釋放大量彈性能的試件,在釋放瞬間紅外熱像儀屏幕上出現(xiàn)耀眼的高溫輻射(這種現(xiàn)象在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中出現(xiàn)過),在屈服階段從整體上看紅外輻射溫度呈上升趨勢。

破壞階段是試樣內(nèi)部一個或是多個主裂紋由內(nèi)部向外,或是由外部向內(nèi)貫通,使試樣整體承載結(jié)構(gòu)軟化或是崩解的過程,依據(jù)裂紋貫通形式的不同表現(xiàn)出不同的破壞形式。由于受多種因素的影響,所以真實(shí)的破裂形式不太明確,常常觀察到的是剪切破壞、錐形破壞、劈裂破壞和多種破壞形式的綜合破壞等。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),不同的破壞形式對應(yīng)著不同的紅外輻射溫度變化,通過實(shí)驗(yàn)表明,試樣劈裂破壞失穩(wěn)后溫度有上升趨勢,試樣剪切破壞失穩(wěn)后溫度呈下降趨勢。

4　結(jié)　論

針對沖擊傾向性煤層煤樣進(jìn)行單軸加載紅外輻射監(jiān)測實(shí)驗(yàn),分析煤樣破壞過程中AIRT的一系列變化,得出結(jié)論如下:

(1)從加載初期到試樣破裂,AIRT和應(yīng)力—應(yīng)變曲線的各階段對應(yīng)較明顯。整個過程AIRT的變化呈現(xiàn)五個階段,依次為下降—上升—下降—上升—下降。由于煤樣前期損傷程度不同,所以煤層沖擊傾向性強(qiáng)度亦不同,各階段出現(xiàn)的時(shí)間長短也不同。

(2)沖擊煤層煤樣破壞前期,都曾出現(xiàn)一次相對較大的AIRT下降現(xiàn)象,下降A(chǔ)IRT依據(jù)煤層沖擊傾向性強(qiáng)度不同而不同。

(3)沖擊煤層煤樣剪切破壞過程比劈裂破壞過程高低溫區(qū)域辨別明顯。AIRT變化可以對煤樣內(nèi)外部能量積聚與耗散進(jìn)行較準(zhǔn)確的趨勢預(yù)測,如何將定性的變化趨勢定量化尚有待進(jìn)一步研究。

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(編輯徐巖)

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

中國博士后科學(xué)基金第56批面上資助項(xiàng)目(2014M561384);黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(12541z009)

肖福坤(1971-),男,遼寧省西豐人,教授,博士,研究方向:礦山壓力與控制，E-mail：xiaofukun@sohu.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.01.002

X936

2095-7262(2015)01-0006-05

A