酸腐蝕對(duì)煤動(dòng)態(tài)拉伸強(qiáng)度及能量耗散影響的試驗(yàn)研究

鄭 翔，韓文梅

(中北大學(xué)，山西 太原 030051)

煤礦井水害一直是破壞煤礦安全生產(chǎn)的重要因素之一。研究發(fā)現(xiàn)，礦井水主要來(lái)自地表水沉降、地下水滲透及采空區(qū)積水[1]。這些含雜質(zhì)的水與煤層中的黃鐵礦以及其他含硫礦物發(fā)生反應(yīng)[2]，使得礦井水中酸性離子顯著增加，其中，巷道圍巖與老舊采空區(qū)圍巖最易受到酸性礦井水侵蝕。酸性水的形成主要取決于礦區(qū)所在區(qū)域、礦床特征和地下水特征，因此在酸雨富集區(qū)域，地下水系豐富，以及硫化物礦物較多的礦區(qū)最易產(chǎn)生酸蝕環(huán)境。酸性水不僅對(duì)礦區(qū)的金屬設(shè)備有很強(qiáng)的腐蝕性，還會(huì)腐蝕巖體，造成巷道頂板塌陷，礦井突水等災(zāi)害。另一方面，為了提高對(duì)深部低滲透性煤層氣的開采效率，酸化壓裂技術(shù)由于其特有的“雙重增產(chǎn)”作用，得到越來(lái)越多的探索運(yùn)用[3，4]。然而，由于酸溶液對(duì)煤層裂縫的二次溶蝕效應(yīng)，這可能會(huì)影響煤的機(jī)械強(qiáng)度，并增加后續(xù)煤層開采的危險(xiǎn)性。因此，研究酸腐蝕后煤的動(dòng)力學(xué)行為特征對(duì)保障職工的生命安全和煤礦安全生產(chǎn)有重要意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于煤在復(fù)雜化學(xué)環(huán)境下的力學(xué)特性研究較少，已有研究主要集中在孔隙率和滲透性等方面，即通過(guò)酸或堿性溶液拓寬煤內(nèi)部裂縫和孔隙，旨在達(dá)到煤層氣增產(chǎn)的目的[5-7]。在水化學(xué)與巖石力學(xué)相互作用方面，已經(jīng)有了許多相應(yīng)的研究工作。結(jié)果表明，酸性環(huán)境下巖石抗壓強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和斷裂韌度下降明顯[8-10]，酸腐蝕更容易導(dǎo)致巖石破壞。苗勝軍等[11]進(jìn)一步結(jié)合掃描電鏡(SEM)和X射線衍射(XRD)等觀察手段，探討了花崗巖在化學(xué)腐蝕下的化學(xué)反應(yīng)和微觀損傷機(jī)理，得到了酸性化學(xué)腐蝕對(duì)花崗巖微觀結(jié)構(gòu)、缺陷形貌和礦物質(zhì)元素的影響機(jī)制。除此之外，在巖石工程中，沖擊鉆孔、爆破振動(dòng)和地震等動(dòng)荷載是影響巖石結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要因素。為了解巖石在動(dòng)荷載作用下的力學(xué)性能，陶明等[12]基于霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)，研究發(fā)現(xiàn)巖石的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨著酸腐蝕的增加而降低，腐蝕巖石的縱波速度和波阻抗降低，而比表面能逐漸增加。李曉亮等[13]指出，腐蝕砂巖的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度降低主要原因是酸性溶液與砂巖礦物發(fā)生反應(yīng)，巖石內(nèi)部孔隙數(shù)量和尺寸的增加。林允等[14]研究不同化學(xué)溶液對(duì)砂巖力學(xué)性能的損傷作用大小，其順序?yàn)椋篐2SO4溶液>NaOH溶液>蒸餾水。

綜合上述研究成果，不難發(fā)現(xiàn)，關(guān)于酸對(duì)煤的損傷機(jī)理與力學(xué)性能之間相關(guān)性的研究較為缺乏。煤是典型的脆性材料，其抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度?；诖?，本研究對(duì)酸處理前后的煤開展動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)，以獲得其動(dòng)力學(xué)特性與能量耗散規(guī)律，并根據(jù)X射線衍射結(jié)果闡述酸對(duì)煤的劣化損傷機(jī)制。

1 試驗(yàn)方案與程序

1.1 試樣制備及酸處理

1.2 SHPB試驗(yàn)設(shè)備

動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)在中北大學(xué)沖擊動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室完成，試驗(yàn)采用直徑50 mm的分離式霍普金森壓桿，沖擊子彈為圓柱形，入射和透射桿均為鋁桿，子彈長(zhǎng)0.4 m，入射和透射桿長(zhǎng)2.5 m，縱波波速為5050 m/s，彈性模量為68 GPa。試驗(yàn)通過(guò)高壓氮?dú)怛?qū)動(dòng)子彈撞擊入射桿，繼而產(chǎn)生入射、反射和透射脈沖信號(hào)，利用桿上的應(yīng)變片和超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀進(jìn)行采集分析。壓桿裝置如圖1所示。

圖1 SHPB示意Fig.1 SHPB schematic

1.3 SHPB試驗(yàn)方案及原理

SHPB沖擊試驗(yàn)中，需要用入射桿與透射桿將試樣夾緊固定，并確保三者處于同一軸線。沖擊子彈采用0.1 MPa氣壓驅(qū)動(dòng)，通過(guò)調(diào)節(jié)子彈位置來(lái)控制沖擊速度，試驗(yàn)沖擊速度控制在3～7 m/s，對(duì)每組試樣的15個(gè)試件分別進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。為保證試樣內(nèi)部的應(yīng)力平衡，同時(shí)減少波形彌散效應(yīng)[15]，試驗(yàn)選用直徑10 mm，厚0.8 mm橡膠片作為波形整形器，將其置于入射桿前端。

典型試樣應(yīng)力波時(shí)程如圖2所示?？梢钥闯?，試樣兩端受力歷史基本一致，加載過(guò)程達(dá)到應(yīng)力平衡狀態(tài)，滿足一維應(yīng)力波基本假設(shè)。于是動(dòng)態(tài)加載過(guò)程相當(dāng)于準(zhǔn)靜態(tài)壓縮，準(zhǔn)靜態(tài)抗拉強(qiáng)度公式可以推廣至動(dòng)態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)。煤的動(dòng)態(tài)拉伸強(qiáng)度可以通過(guò)式(1)—(3)確定[16]：

圖2 典型試樣應(yīng)力波時(shí)程Fig.2 Typical specimen stress history

P1(t)=EA(εi(t)+εR(t))

(1)

P2(t)=EAεT(t)

(2)

式中，P1(t)、P2(t)為試樣兩端加載力，kN；E為壓桿彈性模量，GPa；A為壓桿的橫截面積，m2；εi(t)、εR(t)、εT(t)分別為入射、反射和透射應(yīng)變；D、B分別為試樣直徑和厚度，m；σT(t)的最大值為試樣的動(dòng)態(tài)拉伸強(qiáng)度，MPa。

圖3 加載率的確定Fig.3 Determination of loading rate

1.4 X射線衍射測(cè)試

X射線衍射(XRD)技術(shù)是一種重要的材料表征技術(shù)，廣泛應(yīng)用于金屬和非金屬多晶粉末的物相檢索和晶粒分析。XRD測(cè)試中，上述三種煤樣各取2～3 g粉末，然后將其研磨至200～300目作為測(cè)試樣品，以了解酸腐蝕前后煤樣整體的分子結(jié)構(gòu)變化。試驗(yàn)所用儀器為中科院煤炭化學(xué)研究所D8 Advance X-射線粉末衍射儀，使用Cu靶，Ka輻射，入射波波長(zhǎng)為0.15406 nm。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 酸腐蝕與動(dòng)態(tài)拉伸強(qiáng)度

試驗(yàn)最終得到22個(gè)有效數(shù)據(jù)，其中原始煤樣8個(gè)，在pH=4與pH=2酸溶液中浸泡后的兩組煤樣各7個(gè)。不同沖擊速度下三種工況煤樣拉應(yīng)力時(shí)程曲線如圖4所示?？梢钥闯?，酸腐蝕后的煤相比于原煤動(dòng)態(tài)拉伸強(qiáng)度更低，具體大小關(guān)系為原煤>pH=4>pH=2。對(duì)沖擊速度均為3.52 m/s左右時(shí)相近沖擊速度下3種煤樣的拉伸強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比研究，其中原煤的拉伸強(qiáng)度為4.61 MPa，而在pH為4和2的酸溶液中浸泡后的煤拉伸強(qiáng)度分別為3.56、3.4 MPa，強(qiáng)度下降幅度分別為23%和26%。在6.70 m/s左右時(shí)相近沖擊速度下，原煤拉伸強(qiáng)度為7.62 MPa，對(duì)應(yīng)兩種酸溶液中的煤拉伸強(qiáng)度分別為6.08和4.87 MPa，強(qiáng)度下降幅度分別為20%和36%。由此可見，酸腐蝕會(huì)削弱煤的拉伸強(qiáng)度，且在高速?zèng)_擊下，浸泡在pH=2酸溶液中的煤強(qiáng)度下降幅度更大。

圖4 不同沖擊速度下煤的拉應(yīng)力時(shí)程曲線Fig.4 Tensile stress history curves of coal at different impact velocity

在動(dòng)態(tài)加載過(guò)程中，拉應(yīng)力從零加載至峰值的持續(xù)時(shí)間可以作為巖石的破壞時(shí)間[17]。在較低的沖擊速度下，三種工況煤樣的加載時(shí)間沒有明顯差異，均為135 μs。而隨著沖擊速度的提高，三種煤樣的加載時(shí)間均有不同程度的減小，這是由于隨著沖擊速度增大，應(yīng)力波攜帶的能量變高，煤樣破壞速度相應(yīng)加快。其中，經(jīng)過(guò)酸腐蝕后的煤加載時(shí)間為90 μs，原煤則為120 μs。說(shuō)明經(jīng)酸腐蝕后的煤內(nèi)部的微裂紋較多，在高速加載下裂紋擴(kuò)展速度更快，破壞時(shí)間更短[18]。同時(shí)，經(jīng)pH=4、pH=2酸溶液腐蝕后的煤樣在應(yīng)力加載時(shí)間上差異不大，這是由于煤的天然非均質(zhì)性，在經(jīng)過(guò)酸腐蝕后，其本身的不均勻性與各向異性進(jìn)一步提高。在高速?zèng)_擊下，試樣端部會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致二者在破壞時(shí)間上沒有明顯差異。

2.2 加載速率與動(dòng)態(tài)拉伸強(qiáng)度

在煤的動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)中觀察到加載速率對(duì)強(qiáng)度有補(bǔ)償行為，如圖5、圖6所示，動(dòng)態(tài)拉伸強(qiáng)度隨著沖擊速度和加載率的增加呈線性增加，即巖石強(qiáng)度的速率相關(guān)性。不同工況煤樣擬合參數(shù)見表1，結(jié)合二者擬合系數(shù)不難發(fā)現(xiàn)，酸腐蝕會(huì)削弱這種強(qiáng)度補(bǔ)償行為，酸性越強(qiáng)，削弱作用越顯著。

表1 擬合參數(shù)Table 1 Fitting parameters

圖5 動(dòng)態(tài)拉伸強(qiáng)度與速度關(guān)系Fig.5 Relationship between dynamic tensile strength and impact velocity

前人的研究表明，這種速率效應(yīng)主要來(lái)自裂紋間塊體的粘性行為以及慣性效應(yīng)[19]。

由于氫離子與煤中易溶礦物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而這不僅會(huì)導(dǎo)致煤表面變得疏松多孔，還會(huì)加劇其內(nèi)部原生裂隙的擴(kuò)展，同時(shí)出現(xiàn)較多的次生孔隙，這使得煤樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得松散，煤基質(zhì)間的膠結(jié)作用減弱。在沖擊荷載作用下，這種松散的結(jié)構(gòu)會(huì)弱化由慣性效應(yīng)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)阻力，于是酸腐蝕后煤的速率依賴性減弱，并隨著溶液酸性增加，弱化作用也越強(qiáng)。這也是在高加載速率的情況下，浸泡在pH=2酸溶液中的煤樣強(qiáng)度下降幅度更大的原因。

2.3 能量耗散分析

巖石的破碎本質(zhì)上就是一個(gè)能量耗散的過(guò)程，動(dòng)荷載作用下煤樣的耗散能間接反映了煤樣破碎的難度[20]。忽略應(yīng)力波傳輸過(guò)程中的損耗，SHPB實(shí)驗(yàn)中應(yīng)力波攜帶的能量由下式確定[21]：

式中，Wi、WR、WT分別為入射能，反射能和透射能，J；C為壓桿的彈性波波速，m/s。

試樣吸收的能量主要包括破碎耗能，碎塊飛出的動(dòng)能以及摩擦熱能等，參照曹麗麗[21]的研究成果，后兩者占比很小可以忽略。根據(jù)能量守恒定律，此時(shí)用于巖石破碎的能量WFD為：

WFD=Wi-WR-WT

(7)

根據(jù)式(4)—(7)，計(jì)算得出三種煤樣在不同沖擊速度下的入射能和耗散能之間的關(guān)系，其結(jié)果如圖7、圖8所示。圖7表明，入射能大小與煤樣狀態(tài)無(wú)關(guān)，與沖擊速度呈較好的線性相關(guān)性。

圖7 入射能與沖擊速度關(guān)系Fig.7 Relationship between incident energy and impact velocity

圖8 耗散能與入射能關(guān)系Fig.8 Relationship between dissipation energy and incident energy

三種工況煤樣耗散能隨入射能變化的規(guī)律如圖8所示?？梢钥闯觯N煤樣的耗散能均隨入射能的增大而增大，其中原煤耗散能的增加速率明顯大于酸腐蝕后的煤。在入射能相同的情況下，就耗散能大小而言，原煤>pH=4>pH=2。這是由于酸腐蝕加劇了煤的損傷程度，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)松散、粘聚力降低，抗拉強(qiáng)度削弱，所以其破壞失效所需的能量更少，耗能增長(zhǎng)率降低。相比之下，酸腐蝕后的煤更容易發(fā)生動(dòng)力災(zāi)害問(wèn)題，因此，對(duì)于長(zhǎng)期遭受酸性礦井水侵蝕的煤層巷道，須及時(shí)做好排水加固工作。同時(shí)，在實(shí)際巖石工程中，有時(shí)需要對(duì)煤進(jìn)行鉆孔、破碎處理，由于酸腐蝕后的煤耗散能隨入射能的增長(zhǎng)率低，所以在對(duì)其進(jìn)行破碎時(shí)，可以盡量采用低速加載的方式，此時(shí)煤的強(qiáng)度較低，更易于破碎，也有利于能量的合理利用。

2.4 煤的XRD試驗(yàn)結(jié)果

三種工況下煤樣的XRD試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示?？梢钥闯?，三種工況煤的特征衍射峰所在位置大致相同，其主要集中在0°～30°衍射角范圍內(nèi)，這說(shuō)明煤中黏土礦物含量較多，并存在大量無(wú)定形碳[22]。通過(guò)對(duì)比煤的XRD結(jié)果可以看出，經(jīng)酸腐蝕后的煤衍射角2θ在8°～9°范圍內(nèi)的特征峰消失，當(dāng)酸性進(jìn)一步提高時(shí)，35°～40°范圍內(nèi)的衍射峰強(qiáng)度顯著降低。這表明酸溶液可以去除煤中部分無(wú)機(jī)礦物。

圖9 煤的XRD測(cè)試結(jié)果Fig.9 XRD test results of coal

煤是一種微晶結(jié)構(gòu)，根據(jù)Scherrer公式可以計(jì)算煤的微晶層的平均堆積高度Lc和層間距d002，計(jì)算公式如下：

式中，λ為X射線波長(zhǎng)，θ002為峰θ002的位置，rad；β002為峰θ002對(duì)應(yīng)的最大半峰寬，rad。

根據(jù)式(8)(9)計(jì)算得到煤的微晶參數(shù)值見表2，可以看出，酸腐蝕對(duì)煤微晶層間距影響較小，而對(duì)于煤微晶層平均堆積高度Lc影響顯著，其從1.8 nm增加到1.86和1.93 nm。這說(shuō)明經(jīng)過(guò)酸腐蝕后，煤中的小分子有機(jī)物被氧化去除，煤中碳原子的排列更加有序。綜上可知，酸溶液會(huì)溶解煤中部分無(wú)機(jī)礦物以及小分子有機(jī)物，從而改變煤內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)和缺陷形態(tài)，具體表現(xiàn)為煤的孔隙增加、裂紋擴(kuò)展和結(jié)構(gòu)松散損傷，顆粒間的內(nèi)聚力降低，這導(dǎo)致其抵抗沖擊荷載的能力下降。因此酸腐蝕后的煤拉伸強(qiáng)度與速率依賴性減弱，煤更容易發(fā)生破壞，并且破壞所需吸收的能量也更少。

表2 煤的微晶結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Parameters of the microcrystalline structure of coal

3 結(jié) 論

1)酸對(duì)煤有劣化損傷作用，酸性越強(qiáng)，損傷越嚴(yán)重。相較于原煤，浸泡在pH=4酸溶液中的煤拉伸強(qiáng)度下降20%；浸泡在pH=2酸溶液中的煤強(qiáng)度下降26%～36%。煤的破壞時(shí)間與沖擊速度負(fù)相關(guān)，在高速加載下，經(jīng)酸腐蝕后的煤破壞時(shí)間更短。

2)煤的動(dòng)態(tài)拉伸強(qiáng)度表現(xiàn)出顯著的速率依賴性，即拉伸強(qiáng)度隨加載速率增大而增大，然而酸蝕后的煤速率效應(yīng)明顯削弱，酸性越強(qiáng)，削弱作用越顯著。原因是酸腐蝕導(dǎo)致的煤塊體間的粘結(jié)力與慣性效應(yīng)減弱。

3)酸腐蝕后的煤耗散能與耗能增長(zhǎng)率降低，且溶液酸性越強(qiáng)，煤耗散能越低，越容易破壞。在對(duì)其進(jìn)行破碎處理時(shí)，盡量采用低速加載，此時(shí)煤的強(qiáng)度低，更易于破碎，也有利于節(jié)約能量。

4)酸對(duì)煤力學(xué)性能的劣化損傷行為主要源自其對(duì)煤中部分無(wú)機(jī)礦物，小分子有機(jī)物的去除作用。