考虑温度影响的深部煤体损伤特征和能量演化机制

王向宇; 张雷; 刘江涛; 刘佳鑫; 信树峥; 李坤坤; 张纯旺

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2501177

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (3) :1213-1221 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2501177

论文：建筑科学

考虑温度影响的深部煤体损伤特征和能量演化机制

王向宇 ¹ ,
张雷 ²^,^* ,
刘江涛 ¹ ,
刘佳鑫 ¹ ,
信树峥 ¹ ,
李坤坤 ¹ ,
张纯旺 ²

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Damage Characteristics and Energy Evolution Mechanism of Deep Coal Considering Temperature

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摘要

深部煤炭资源开采过程中,深部的赋存环境和开采扰动影响,将改变煤体的力学特性和损伤状态,进而影响煤层的稳定性和安全开采。为了获得准确的深部煤体力学响应,开展一系列温度-应力耦合条件下深部煤体三轴加载实验,对不同温度-应力共同作用下煤体的力学行为、损伤演化和能量特征进行深入的研究。探讨了温度对煤体弹性模量和峰值强度等力学参数的影响,并从能量的角度分析了煤体的损伤破裂过程。同时,结合声发射监测技术手段,对循环加卸载下的煤体声发射信号的演化趋势进行分析,并探讨了温度对声发射信号的影响。研究结果表明:随着温度的升高,声发射振铃计数呈上升趋势,煤体的力学性质逐渐弱化。由于在屈服阶段以后煤体内部微裂隙的增多,煤体的耗散能密度和比例均明显增加。煤体累计耗散能密度分别与应力和应变呈幂函数增长关系,证明了煤样在高应力和高应变条件下损伤程度更严重的力学过程。此外,基于系统的能量密度和能耗比演化规律分析,本文提出煤体失稳判据:能耗比指标,基于能量角度预测煤体的破坏。该研究可为深部煤层损伤状态及稳定性的评价提供一定的实验支撑和理论指导。

Abstract

In the process of deep coal resource mining, the geological conditions at depth and the disturbance caused by mining will alter the mechanical properties and damage state of coal, thereby affecting the stability and safety of coal seam extraction. To accurately assess the mechanical response of deep coal, a series of triaxial loading experiments under temperature-stress coupling conditions were conducted. The mechanical behavior, damage evolution, and energy characteristics of coal under different temperature-stress interactions were investigated in depth. The influence of temperature on mechanical parameters such as elastic modulus and peak strength was explored, and the damage and failure process were analyzed from an energy perspective. Additionally, using acoustic emission monitoring technology, the evolution trend of acoustic emission signals of coal under cyclic loading and unloading was analyzed, and the impact of temperature on these signals was discussed. The results of this study indicate that as temperature increases, the acoustic emission ring count increases, and the mechanical properties of coal gradually weaken. Due to the growth of microcracks inside coal after the yield stage, both the dissipated energy density and the dissipation ratio significantly increase. The accumulated dissipated energy density of coal follows a power-law growth relationship with stress and strain, proving that the coal sample experiences more severe damage under high-stress and high-strain conditions. Furthermore, based on the systematic analysis of the evolution laws of energy density and energy consumption ratio, this study proposes an instability criterion for coal—an energy consumption ratio index—based on the energy perspective to predict coal failure. This result provides experimental support and theoretical guidance for the evaluation of the damage state and stability of deep coal seams.

Graphical abstract

关键词

深部煤体 / 温度-应力耦合 / 力学行为 / 损伤 / 能量 / 声发射

Key words

deep coal / temperature-stress coupling / mechanical behavior / damage / energy / acoustic emission

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王向宇, 张雷, 刘江涛, 刘佳鑫, 信树峥, 李坤坤, 张纯旺. 考虑温度影响的深部煤体损伤特征和能量演化机制[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(3): 1213-1221 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2501177

WANG Xiang-yu, ZHANG Lei, LIU Jiang-tao, LIU Jia-xin, XIN Shu-zheng, LI Kun-kun, ZHANG Chun-wang. Damage Characteristics and Energy Evolution Mechanism of Deep Coal Considering Temperature[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(3): 1213-1221 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2501177

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2024年,中国原煤产量为47.6亿t,再创历史新高。煤炭作为一个国家和地区能源生产能力和能源安全的重要指标之一,其在能源结构中一直发挥主导作用。据中国工程院预测,到2050年中国煤炭资源占比仍将维持在50%左右,未来几十年中国的能源格局仍然会保持以煤炭为主导^[1]。随着深部资源开发的“常态化”发展,煤矿的最大开采深度在不断增加,且正以每年10~25 m的速度向深部拓展。与浅部煤层开采相比,深部煤炭资源处于高地应力、高地温、高渗透压、开采扰动(即“三高一扰动”)的复杂环境中,使得煤与瓦斯突出、冲击地压等动力灾害更易频发。因此,研究深部煤体在多种环境共同作用下的力学行为、损伤演化,对深部煤炭资源的安全开采有一定的理论意义。

岩石结构损伤识别主要借助于声、光、电等物理探测方法对岩石不同尺度的结构损伤进行探测^[2]。岩石的细观损伤研究主要采用CT(computed tomography)扫描、核磁共振、声发射监测等技术手段。声发射技术因其无损、实时监测等优点,在研究岩石的损伤演化时被广泛应用。声发射是岩石受荷载、地震爆炸等外部因素的影响导致内部缺陷的压密、裂隙萌生扩展和连通等而发出瞬态应力波现象。当煤体受外力作用时,其内部裂隙演化的重要参数信息(如裂纹类型、裂隙大小、裂隙产生的位置等),都可以通过声发射信号的特征参数确定,主要包括幅度、事件数、振铃计数、能量、累计事件数、累计振铃计数和累积能量等。赵国贞等^[3]探索了煤岩组合体的损伤破裂过程,发现在裂纹的非稳定发展阶段,声发射计数大幅升高。张琪等^[4]认为当煤体进入屈服阶段后,声发射累计事件数的方差和自相关系数波动增加;唐巨鹏等^[5]分析了声发射能量,且建立了声发射参数和煤与瓦斯突出前兆信息的关系指标;孔彪等^[6]研究发现,煤在升温过程中,声发射信号的增强作用明显。

实际上,从能量角度出发,岩石的损伤破坏过程能量不断耗散的过程。在不考虑煤体与外界热交换的情况下,输入的能量一部分转化为弹性能,储存在煤体内部;另一部分转化为耗散能,即煤体产生塑性变形和损伤破裂所消耗的能量^[7-9]。耗散能用于形成损伤,并导致强度失效,而弹性能的突然释放使得煤体的最终破坏^[10-11]。越来越多的学者从能量的角度来描述岩石的破坏机制。张国华等^[12]通过循环加卸载实验,发现单个循环的耗散能随着循环次数在增加;Zhang等^[13]认为在峰值应力之前,岩石的能量行为主要表现为能量积聚,而在峰后阶段,主要体现在能量耗散和释放。王向宇等^[14]开展了三轴循环加卸载实验,发现进入屈服阶段以后,耗散能密度和比例均明显增加;吴再海等^[15]采用非线性曲面拟合了岩石的耗散能与循环次数和应力增量的关系;徐世龙等^[16]分析了在煤体破坏前耗弹比、能量释放速率和能量耗散速率等参数的异常响应特征,从而得到判别煤体的失稳破坏的前兆信息;Wu等^[17]研究了热力耦合作用下砂岩和花岗岩的能量转换特征。周宏伟等^[18]从不同角度探讨了能量的演化特征,为工程中岩石的失稳破裂机理研究提供了一定的理论基础。随着煤炭资源开采深度的不断拓展,温度和应力不断增加,其对煤体损伤演化和能量特征的影响不可忽视,然而上述相关研究侧重于应力对能量演化的影响,温度对其的影响研究有待进一步完善。

以深部煤层开采为研究背景,从室内实验的角度,探讨温度和应力对深部煤体力学性质的影响,基于声发射技术手段,探究温度和应力共同作用下煤体的损伤破裂过程;从能量演化的角度,分析了温度和应力的影响机制。最后,定义可以作为临界判据预测煤体失稳的能量指标。

1 温度-应力耦合实验

实验所需煤样取自河南平煤十二矿,埋深约1 050 m。按照岩样制备规程标准和岩石常规三轴压缩实验标准,经过钻孔取芯、切削、打磨等过程,将煤块加工为直径50 mm、高度100 mm的圆柱形试样[图1(a)]。

本次三轴循环加卸载实验在MTS 815岩石力学实验设备[图1(b)]上进行,该设备因其性能稳定,测量精度高而被大量研究学者使用。该系统的最大围压为140 MPa,轴向荷载最大可达4 700 kN,加热设备最高可升温至200 ℃。声发射设备采用了美国物理声学公司(Physical Acoustics Corporation,PAC)生产的声发射三维定位实时监测系统(PCI-2),声发射传感器的采集率为200 kHz,以凡士林为耦合剂将声发射探头固定在三轴室壁外。

具体实验步骤如下:首先将试样加温至预定温度(30、50、70、90 ℃),然后将其围压增大至15 MPa,对静水压力状态下的煤体进行轴向加载,分别在预估峰值强度的20%、40%、60%、80%、90%处、峰值应力处以及峰后80%、60%的应力状态下卸载。实验全程采用声发射设备进行监测。

2 实验结果分析

为探明温度-应力共同作用下,深部煤体的力学行为和能量演化特征,本部分对实验数据(应力-应变、声发射等)进行处理分析,得到温度、应力对煤体力学性质、能量特征的影响。

2.1 声发射参数演化及力学性质分析

外载荷作用下煤体结构会发生复杂的变化,如煤体内微裂纹的萌生、发育、扩展和贯通,初始微裂纹的压实或滑移变形等弹塑性变形等。在此过程中会产生一系列声发射信号(弹性波)。利用声发射采集仪器采集相关数据,通过分析声发射参数,可以表征煤的损伤情况。

如图2所示为轴向应力和声发射参数随时间的演化,从而揭示煤体的破坏情况和破裂过程。可以看出,不同温度条件下声发射参数的变化趋势相似。在轴向循环荷载的作用下,声发射振铃计数呈先增大后减小的周期性变化趋势,每个循环的声发射振铃计数极值随轴向应力的增大而增大,并在峰值后的第一个循环达到最大值,说明声发射信号与应力的变化相比具有迟滞性。累计振铃计数表现为“阶梯”形状的增长趋势。值得注意的是,在轴向应力加载之前,也存在少量的声发射振铃计数,这是由于在加载轴向应力之前,围压的加载和温度的升高都会导致煤体内微裂缝的产生。

随着温度的升高,声发射振铃计数峰值和累积振铃计数峰值均呈上升趋势。在4种温度条件下,声发射振铃计数的最大值分别为59.7×10²、76.6×10²、93.5×10²和113.5×10²。实验结束时的累计振铃计数分别为2.40×10⁵、3.50×10⁵、4.30×10⁵和4.90×10⁵,说明温度的升高会导致煤体内裂纹的尺寸或数量增多,使得破坏加剧。

此外,从图2中还可以看出在三轴循环加卸载实验中,煤体的破坏形式以剪切破坏为主,主要产生单剪切破坏面。

煤体的力学性质不仅与应力条件有关,而且受温度的影响。本文研究的重点是温度对峰值强度和弹性模量的影响。峰值强度是指煤样在破坏前所能承受的最大轴向应力;煤体的弹性模量是指在各个温度条件下的初始弹性模量。弹性模量越大,表明煤体抵抗变形的能力越强。

如图3所示,峰值强度随温度升高而降低。这是由于随着温度的升高,煤体中更多的水分子会蒸发;另一方面,随着温度的升高,煤基质颗粒之间的距离增加,孔隙或裂隙的数量上升,最终导致峰值强度减弱。

当温度为30 ℃时,煤体峰值强度为48.6 MPa;当温度升高至50 ℃时,峰值强度降低至39.2 MPa,降低了19%;当温度升高到70 ℃和90 ℃时,峰值应力分别降低到37.5 MPa和35.8 MPa,衰减率分别为4.3%和4.5%。可以总结出,当煤体温度在30~ 90 ℃范围内逐渐增加时,其对煤体承载能力的影响逐渐减弱。

从图3可知,弹性模量随温度升高而减小。4种不同温度条件下的弹性模量分别为4.4、4.3、4.1、4.0 GPa,这是因为温度越高,煤体内的微裂隙越多,导致其抵抗变形的能力越弱。此外,温度每增加20 ℃,弹性模量降低2%~4%,这说明相比于峰值强度,弹性模量受温度的影响较小。

2.2 能量密度的演化

当轴向应力加载时,试验机通过做功对试件输入能量。如图4所示,输入能可分为三部分:①一部分能量转化为弹性能,储存在试样内部,卸载时可以完全释放,此过程可逆;②一部分能量转化为耗散能,使得煤体产生不可恢复的塑性变形和损伤,此过程不可逆;③还有一部分输入能转化为试验过程中产生的声能、热能等,这部分能量占比很小,因此在计算能量时,可被忽略。为阐明温度-应力共同作用下深部煤体的能量演化规律,对每个循环的输入能密度、弹性能密度及耗散能密度进行计算。

如图5所示,加载曲线OA下的面积,定义为输入能密度U,卸载曲线AC、虚线AB与横坐标轴所包围的面积,定义为弹性能密度U_e,耗散能密度U_d即可通过二者的差值确定。具体计算公式为

(1)

U = ∫ O A σ d ε U e = ∫ A B σ d ε U d = U - U e

不同温度条件下应力-应变全程的输入能密度、弹性能密度和耗散能密度如图6所示。

从图6中可以看出,输入能密度在前三个循环缓慢上升,第四个循环增长趋势更明显,并在第五个循环时达到峰值,这与应力加载情况基本一致。当煤体进入峰后破坏阶段以后,输入能密度急速衰减,最终趋于平缓,对应加载过程的残余阶段。随着温度的升高,输入能密度的峰值逐渐减小,这是因为温度的升高使得煤体内部的损伤加剧,从而煤体破坏所需的外界输入能减少。

与输入能密度的演化情况一致,弹性能密度随着循环次数的增加,亦呈现“先增后减”的趋势。在四种温度条件下,弹性能密度均在第四个循环达到峰值。如图7所示,在初始状态下,煤体内存在原生孔裂隙,随着轴向应力的增加,这些孔隙和微裂隙被压密,在第四个循环时煤体被完全压实,达到自身的储能极限,在此过程中,弹性能密度明显增加。而从第四个循环开始,煤体进入屈服阶段,内部产生新生裂隙,并且随着加载的进行,裂隙的数量逐渐增加、尺寸也逐渐增大,并相互贯通,产生贯穿裂缝,煤体结构形成宏观断裂,因此这个阶段弹性能密度急速衰减,并最终趋于稳定。

耗散能密度在前三个循环,数值很小且基本保持不变,这是因为在这个过程中,煤体仍处于压密阶段和线弹性阶段,内部的原始孔裂隙被压缩,绝大部分的输入能转化为弹性能,储存在试件内部;进入第四个循环后,煤体内部逐渐产生微裂隙,并且其尺寸和数量逐渐增多,因此耗散能密度急剧增大,并在最大应力处达到峰值;随着加载过程的进行,输入能急速衰减,因此耗散能密度也呈现出减小的趋势,并最终趋于稳定。

在整个循环加卸载过程中,输入能密度、弹性能密度和耗散能密度都会出现最大值,但相对于弹性能密度,输入能密度和耗散能密度峰值的出现有一定的滞后性。

通过上述分析可知,耗散能密度在一定程度上可以反映煤体的损伤破裂过程。因此,将累积耗散能密度与轴向应力、轴向应变分别进行拟合(峰值应力之前),得到4种不同温度条件下累计耗散能密度与轴向应力、轴向应变的关系,如图8所示。

可以看出,当煤体所受应力达到峰值强度之前,累计耗散能密度随轴向应力、轴向应变的演化均可以用幂函数高度拟合,且相关系数都大于0.95。说明煤体累计耗散能密度分别与应力和应变呈幂函数增长关系,证明了煤样在高应力和高应变条件下,内部微裂隙发展,煤体损伤程度更严重。

2.3 能量比例的演化

对于相同的输入能量,弹性能和耗散能比例不同对煤体的变形破坏模式有很大的影响,不同温度下的能量分配比例也不同。因此,引入两个无量纲参数:弹性能比例和耗散能比例,研究在加载过程中煤体弹性能比例和耗散能比例的变化情况及温度对能量分配规律的影响。

如图9所示,在4种温度条件下,能量比例均呈现相同的演化趋势:在加载初期,弹性能所占比例始终大于耗散能。这是因为煤体变形大多为可逆的弹性变形,塑性变形和损伤较少。随着循环次数的增加,弹性能比例先增大后减小,并在第三个循环达到弹性能比例的最大值,占比高达0.8;与此相反,耗散能比例先减小后增大,且在第三个循环达到最小值。这是因为,当煤体处于压密阶段和线弹性阶段时,内部原有孔裂隙被压实,绝大部分输入能转化为弹性能,储存在试样内部,虽然在这一阶段煤体内部孔裂隙的压实作用以及微裂纹的起裂和扩展使能量耗散,但试样中积累的弹性能远大于耗散的能量。

当煤体进入第三个循环后,试样进入屈服阶段,新生微裂隙的产生使得越来越多的输入能转化为耗散能,耗散能比例逐渐上升,表现为煤体的塑性变形和损伤。当加载到试样峰值应力并进入峰后阶段时,煤体内产生宏观断裂面,其结构完全破坏,煤体中积累的弹性能瞬间释放,转化为煤样破坏的耗散能,耗散能显著增加。峰后阶段,耗散能比例和弹性能比例均保持稳定不变的趋势,这是由于在三轴压缩条件下,破坏后的煤体又形成新的稳定状态。

同时,从图9中可以观察到,随着温度的升高,弹性能比例的最大值分别为73%、70%、75%、80%,说明温度的升高会在一定程度上提高能量积聚效率。如果在高温条件下,突然卸载应力,会导致较多的弹性能释放,进而诱发煤体动力灾害。

2.4 能耗比的演化

将耗散能密度与弹性能密度的比值定义为能耗比W,表达式为

(2)W=

U d U e

即根据式(2)可以求出每个循环的能耗比,结果如图10所示。可以看出,在轴向应力达到峰值强度之前,随着轴向应变的增加,能耗比先减小后增大,并且在压缩阶段和线弹性阶段,能耗比很小,进入屈服阶段以后,急剧增大。因此能耗比可以作为煤体失稳的判据,预测煤体的失稳和破坏。而对于峰后破坏阶段的煤体,当温度为30 ℃时,能耗比在峰值应力处能耗比的基础上继续增加,在峰后第一个循环达到能耗比的最大值,后又逐渐减小;当温度为50 ℃时,峰后阶段的能耗比先减小后增大;而当温度为70 ℃和90 ℃时,能耗比一直增加,但增长的速率较屈服阶段缓慢。这表明,在相同围压条件下,温度越高,煤体的破裂程度越大。

当温度为30、50、70 ℃时,能耗比最小值对应的轴向偏应力分别为20、19、 20 MPa,而当温度升高至90 ℃时,能耗比最小值对应的偏应力为12 MPa,说明当温度在30~70 ℃范围内时,煤体被压实所需的载荷大小基本一致,温度达到90 ℃时,煤体较早进入屈服阶段,也就是高温使得煤体的承载能力明显减弱。

3 结论

以深部煤炭资源开采为研究背景,开展一系列温度-应力耦合条件下深部煤体三轴加载实验,对不同温度-应力共同作用下煤体的力学行为、损伤演化和能量特征进行深入的研究,得到以下重要结论。

(1)温度对深部煤体的弹性模量和峰值强度都有弱化作用,相比于峰值强度,弹性模量受温度的影响较小;温度对煤体破裂模式的影响不明显。

(2)随着循环加卸载的进行,累计声发射振铃计数呈现阶梯状增长趋势。温度越高,声发射振铃计数越大,累计声发射振铃计数增多。

(3)煤体进入屈服阶段后,耗散能密度和比例均明显增加。累计耗散能密度随应力、应变的演化趋势都可以用幂函数进行拟合;能耗比最小值的出现可作为煤体失稳的一个前兆信息。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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