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不同温度对煤冲击倾向特性影响研究唐 满 元（山西潞安矿业（集团）有限责任公司古城煤矿，山西 长治 046100）摘要：随着我国煤炭浅部资源的耗尽，现已逐步过渡到深部开采。为研究不同温度对深部煤岩冲击倾向性的影响，分别从煤岩宏观破坏状态和能量耗散角度对煤样进行了分析。采用微机电液伺服材料试验机对经过不同温度处理煤岩试件进行单轴压缩实验，获得不同温度处理煤样的力学参数，通过对冲击倾向性指标进行量化，判断出不同温度对煤岩冲击倾向性的影响。关键词：深部煤岩；冲击倾向性；能量耗散中图分类号：TD315文献标志码：A文章编号：1009-0797（2023）05-0051-06Experimental Study on the Influence of High Temperature on the MechanicalProperties of Deep Coal and RockTANG Manyuan（046100，）Abstract:With the exhaustion of my countrys shallow coal resources,it has gradually transitioned to deep mining.In order to study theinfluence of different temperatures on the impact tendency of deep coal and rock,the coal samples were analyzed from the perspective of coaland rock macroscopic failure state and energy dissipation.A micro-electro-hydraulic servo material testing machine is used to performuniaxial compression experiments on coal and rock samples that have been processed at different temperatures to obtain mechanicalparameters of coal samples at different temperatures.By quantifying the impact tendency index,it is judged that the impact of differenttemperatures on coal and rock The influence of preference.Key words:deep coal rock；impact tendency；energy dissipation0引言煤炭进入深部开采后，煤层所处环境与浅部有很大不同，钻孔煤壁自燃不仅会烧毁钻孔，产生窒息性气体，甚至引发瓦斯抽采系统爆炸，给矿井安全生产带来严重威胁，因此钻孔发火后，采取何种措施实现有效灭火消除上述直接灾害，成为人们关注的问题1-2。冲击地压是煤岩力学系统受扰动后，原始平衡状态被打破，超过强度极限，系统积蓄的弹性能迅速、猛烈释放的一种动力现象，其发生往往会引起井巷破坏或人员伤亡。国内外学者认为冲击倾向性是煤岩的固有属性，是冲击地压发生的内在因素。而外部环境的变化会对煤岩的冲击倾向性产生明显的影响，在煤的冲击倾向性影响因素方面做了大量研究：煤的动态破坏时间评价煤体冲击性的一个重要指标，国内外学者都对其进行了相关的研究 3-4。卢志国 5 等使用电液伺服仪进行了力学冲击性试验，通过量化冲击倾向性指标，找出了这些指标之间的关系；周昱程 6 等分析了底板岩层结构、载荷传递以及破坏机理，探讨了冲击倾向性和其相关性，给出了判定的指标；杨杰 7 为探究综合指数法宏观评价煤矿地质条件的影响，为煤矿提供了指导性意见和建议。肖晓春8等突破传统测定煤层冲击倾向性指标，利用了新的冲击倾向性指标更为有效全面的对煤矿煤层冲击倾向性提供了新的方法和研究途径。朱丽媛9对义桥煤矿进行地质资料采集，对冲击倾向性煤层进行了分析评估，分析出影响煤岩力学冲击倾向性的因素，结合该煤矿生产情况，对煤矿提供制定了相应的预防措施。杨亚帆10等研究发现引发冲击地压的因素分为内外两个因素，对煤矿的底板、顶板进行了力学倾向性评估，基于此，对煤矿提出了预防预测措施，对煤矿今后的安全生产提供了科学依据。1试验1.1煤块的采集以及制取试验煤样取自平煤股份十矿 24100 工作面，该面埋深超过 1 000 m 属于深部煤层，考虑到煤岩中含有原生节理、孔洞、晶界以及具有较多的裂隙，以及煤岩有较大的非均质性。因此，在取煤岩时应尽可能的选取煤岩较大的煤快，保证取出尽可能多的煤样试件。由于煤块发育较好，防止在搬运的过程中破坏煤快的原始状态。根据 GB/T23561.52010 煤和岩石物理力学性质测定方法第五部分：单轴抗压强度测定及软化系2023 年第 5 期煤矿现代化第 32 卷51数计算方法 规定，将采集的煤块加工成规格50 mm100 mm 的试件，将制作好的试件放进干燥箱 12 h，之后用保鲜膜包裹放置到干燥皿中备用。1.2试验试件的筛选将煤样上下底面涂抹凡士林，其目的是使得金属接头与煤样上下端紧密贴合，耦合的更好。测试完毕后，根据煤样波时、波速、波幅的不同将煤样进行分类。通过对所有的测试煤样的声时、声速、分贝数等数据和各个煤样的宏观特征进行对比，对煤样试件进行筛选。1.3试验过程1）一些煤样的编号由于高温条件的作用，标签纸会脱落下来。因此，在煤样冷却后，要重新对煤样进行编号。2）将经过不同温度处理过的煤岩试件放置于微机电液伺服材料试验机下承压板中心位置，防止偏心加载。在试验过程中，需要对上下承压板的平行度进行矫正，如若上下承压板的平行度较差时，必然会使得煤样受力不均匀，导致得出结果与实际结果不符合。然后启动控制台，打开计算机控制系统，启动万能试验机控制器，通过控制器上的升降按钮，控制万能试验机上承压板正好与设计装置上部端面接触。3）将试验机软件控制系统设定加载位移参数0.1 mm/min，使加载系统对煤样试件进行加载，通过试验机控制系统实时同步记录试件受力与变形的全过程，时刻观察煤样破坏情况以及计算机屏幕上应力应变曲线，直至煤样被破坏，停止试验，保存数据。1.4试验方案1）试验内容。对筛选煤样试件进行不同温度（-20、0、50、100、150、200、250、300）处理后进行单轴压缩试验，测定煤样试件受载破坏后力学参数的变化情况。2）煤样试件进行分组。通过之前运用非金属超声波探测仪和根据煤样宏观特征对 53 块煤样试件进行筛选，得出最为近似煤样 28 块。根据温度，将煤样试件分为 8 组，每组保证有效试件个数为 3 个。每组煤样试件进行单轴压缩试验，并且通过试验机软件自动记录试验数据。对数据进行分析和处理。2不同温度对煤样冲击倾向性的影响2.1轴向应力作用下不同温度煤样宏观破坏特征温度较低时，煤样劈裂面较少，当煤样发生压裂时，煤样沿轴向方向只出现 12 个劈裂面；随着温度的升高，煤样受到热应力的作用，煤样颗粒受热膨胀，煤样出现新的的裂纹，高温使得煤样产生较多的细小裂纹，这些裂纹由于外部能量的作用而扩展发育，使得原生裂纹扩展、加宽和连通，新形成的小裂纹与煤样内部主裂纹汇合形成裂隙网直至到破坏，导致煤样沿轴向方向存在多个劈裂面。图 1不同温度处理后煤样破坏情况2.2不同温度下典型煤样曲线分析同一种温度下的煤岩尽管层理一致，但是实验过程得到的应力应变曲线不可能完全相同，即使是同一块煤块取出来的煤样也不会完全相同，内部裂隙发育尽管极其相似，但是也会有细微的差别。在实验之前利用非金属超声波探测仪对层理近乎一致的煤样进行了检测，现就 8 种温度下各挑选出 1 个煤样进行应力应变分析。如图 2 所示，根据上述曲线，得出不同温度会对峰值之后破坏形态造成极大的影响，煤的冲击倾向不同，峰值后的断裂不稳定扩展形式也不相同。煤岩破坏主要发生在弹塑性变形后期和峰后剧烈破坏阶段。在应力峰值之后，宏观裂缝贯穿岩心，岩石瞬间产生破坏，形成剧烈的压力降，不同温度煤样包含了丰富的损伤演化信息。同深部煤层常温 50进行对比。2023 年第 5 期煤矿现代化第 32 卷52（a）-20（b）0（c）50（d）100（e）150（f）200（g）250（h）300（i）300图 2不同温度典型煤样全应力-应变曲线1）-200低温处理使得煤样的脆性明显增强，当煤样达到峰值抗压强度后，煤样破坏迅速，断裂发生集中，试件急速丧失承载能力。2）50100峰值强度后曲线呈现出台阶式下降方式，峰值强度后第一次跌落后，又以线性回升到一定值，以这种方式循环跌落-回升 3 次后，煤样失去承载能力。3）150200煤样，达到峰值强度后，应力下降呈现斜坡式下降，然后 2 次明显的直线式跌落。4）250300煤样在峰值后，应力下降呈现出缓坡式下降方式，较之前的煤样无急剧下降、应力突变的现象，应变值较大，残余强度表现明显。3不同温度处理煤的冲击倾向性分析根据实验得到的煤样全应力应变曲线可以得出多组冲击倾向性指标。现如今，判断煤冲击倾向性的指标有很多种，较成熟的主要有单轴抗压强度指标、动态破坏时间、弹性能指标、冲击能指标等。在实验过程中，由于实验过程中没有进行循环加载实验，因此弹性能指标文中无法体现，下面通过量化冲击倾向性指标对不同温度作用煤样进行分析。3.1动态破坏时间指标根据煤岩不同温度下的动态破坏时间来反应受到温度冲击倾向性的变化。动态破坏时间可以体现出煤样的脆性程度。煤样达到峰值强度后单轴压缩机储存的弹性能达到最大，煤样破坏时间也是弹性能转化为动能的过程，动态破坏时间表示的是煤样弹性能向动能转化的能力。峰值强度之后，煤样不断受到损伤，煤样抵抗变形的能力随着煤样破坏程度的加大越来越差 11。如图 3、图 4 所示，可看出不同温度下不同煤样试件的动态破坏时间，根据动态时间判断煤冲击倾向性判别条件，判断出不同温度段煤的冲击倾向性。图 3不同温度下动态时间散点图2023 年第 5 期煤矿现代化第 32 卷533.2煤的抗压强度指数由散点图 5 所示，按照平煤十矿地温梯度推算，该工作面的煤层地温处于 50 左右，可以将 50作为该煤层的常温 12。图 4温度-动态破坏时间曲线图 5不同温度下峰值抗压强度值散点图图 6温度-峰值抗压强度曲线如图 6 所示，-2050 阶段，煤样强度随着温度的升高而减少,较 50 煤样，-20、0升幅达到了 107.79%、43.29%；分析其原因，煤层注氮和二氧化碳相变致裂等煤层防治增透措施产生低温会改变煤的冲击倾向性，温度降低至-20，较常温条件的中冲击倾向性转变为强冲击倾向性。50200 之间，煤样抗压强度幅度变化率较小，较 50 煤样，100、150、200变化幅度分别为-16.02%、7.65%、2.02%，煤样均呈现弱冲击倾向性。50200 之间趋势不是单调变化的，-50100 抗压强度与温度呈现负相关关系，这是由于煤中的水分具有润滑的作用，降低了岩石的力学强度；100200 抗压强度与温度呈现正相关关系，这时因为当超过 100 后煤样内部的水分会变成水蒸汽离开煤体，这时煤内部水分较少，润滑作用较低温时低，使得煤样强度逐渐增强。200300 阶段，煤样抗压强度幅度变化较大，较 50 煤样，250、300 降低幅度分别为-7.65%、-47.19%，煤样由弱冲击倾向性完全转变为无冲击倾向性。由于高温的作用，煤样外壁出现许多裂隙和加热过程中闻到一股灼烧味道，可以得出煤样在高温的作用下发生了物理、化学反应。从宏观角度看，煤体表面出现很多细小裂纹，体积变大，重量减轻，煤样强度随着温度的增加而减小；从微观角度看，高温改变了煤内部力学结构，使得煤样脆性变大，使得抗压强度显著较低。3.3煤的冲击能量指数指标如图 7、图 8 所示，可以根据煤岩不同温度下的冲击能量指数来反应煤岩受到温度后冲击倾向性的变化。图 7不同温度下冲击能量指数散点图图 8温度-冲击能量指数曲线2023 年第 5 期煤矿现代化第 32 卷543.4量化指标综合分析由上述指标的定义对各指标进行了大量计算，得到了不同情形下不同温度煤样冲击倾向性指标的值，见表 1：表 1煤样量化指标注明：为了画图需要，不影响对变化规律的影响，引入调节系数 a=30 将数值化为与其它指标值同数量级。图 9不同温度冲击倾向性指标变化趋势图冲击倾向性指标能够反应出不同温度处理后煤样的冲击倾向性，抗压强度指标可以反映出高温煤样煤的最大承载能力，煤样峰值前积蓄的弹性能量与破坏耗散能量的比值关系，动态破坏时间反映出煤样峰值强度后弹性能量耗散的快慢。根据表 1、图 9 可以看出，常温状态显示为中冲击倾向性状态，随着温度升高，冲击能量指数、单轴抗压强度呈现出先减少后增大再减少的趋势，在200 达到峰值后，又逐渐减少，冲击倾向性当达到300 时降为无冲击；低温方面，随着冲击温度降为-20，冲击能量指数大幅度增加，表现为强冲击性。动态破坏时间越短，冲击倾向性越弱，不同温度下煤岩动态破坏时间曲线与冲击能量指数、单轴抗压强度曲线在不同温度段呈现出负相关关系。各指标之间具有明显的关联性。-200、050、50200、200300 的 4 个阶段，随着不同温度的逐渐升高，由冲击倾向性分类标准得出，动态破坏时间越长，冲击能量指标和峰值抗压强度值越小，表现为煤样冲击性逐渐减弱。3 种评判煤冲击指标具有绝对性，3 种综合性指标得出的煤冲击倾向性规律一致，判断煤层是否具有冲击倾向性是煤具有的本身力学特性，是导致煤冲击破坏的内因，在实际过程中，判断该煤层是否会发生破坏，这要归因于煤岩体环境应力是否能够达到煤岩破坏的峰值应力。因此，在对煤岩层划分冲击危险程度时，不能仅依据实验得出煤冲击性指标来划分，还需要深入现场对煤岩应力进行检测，判断外部载荷是否达到临界值以及煤岩系统蓄积能量绝对值的大小。4结论1）根据对冲击倾向性指标进行分析可以得出，常温状态显示为中冲击倾向性状态，随着温度的升高，冲击能量指数、单轴抗压强度呈现出先减少后增大在减少的趋势，在 200 达到峰值之后，又逐渐减少，冲击倾向性当达到 300 时降为无冲击；2）低温方面，随着冲击温度降为-20，冲击能量指数大幅度增加，表现为强冲击性。动态破坏时间越短，冲击倾向性越弱，不同温度下煤岩动态破坏时间曲线与冲击能量指数、单轴抗压强度曲线在不同温度段呈现出负相关关系。各指标之间具有明显的关联性。参考文献：1 李磊，李宏艳，李凤明，等.层理角度对硬煤冲击倾向性影响的实验研究 J.采矿与安全工程学报，2019，36（5）：987-994.2 杜哲.某煤矿煤岩冲击倾向性试验及分析J.现代矿业，2020，36（4）：212-215，221.3 赵猛，张晓明，王楠，等.深部坚硬顶板厚煤层开采冲击矿压规律及防治技术J.煤矿安全，2020，51（1）：89-93.4 肖晓春，樊玉峰，吴迪，等.组合煤岩破坏过程能量耗散特征 及 冲 击 危 险 评 价 J.岩 土 力 学，2019，40（11）：4203-4212，4219.5 卢志国，鞠文君，王浩，等.硬煤冲击倾向各向异性特征及破坏模式试验研究J.岩石力学与工程学报，2019，38（4）：757-768.6 周昱程，刘娟红，纪洪广，等.温度-复合盐耦合条件下纤维（下转第 60 页）2023 年第 5 期煤矿现代化第 32 卷温度/oC抗压强度平均值Rc/MPa动态破坏时间（DT）/a/ms冲击能量指标KE-2014.45.2921.4909.937.342.60506.939.542.501005.8210.851.911506.405.843.592007.075.265.662506.408.982.423003.6620.961.4255（上接第 55 页）混凝土井壁冲击倾向性试验研究 J.材料导报，2019，33（16）：2671-2676.7 杨杰，黄声树，孙海涛，田成林.不同冲击倾向性型煤的制取及其力学指标测定J.煤炭技术，2019，38（4）：148-151.8 肖晓春，金晨，丁鑫，潘一山.基于声发射时频特征的不同含水煤样冲击倾向试验研究 J.煤炭学报，2018，43（4）：931-938.9 朱丽媛，潘一山，李忠华，徐连满.深部矿井冲击地压、瓦斯突出复合灾害发生机理 J.煤炭学报，2018，43（11）：3042-3050.10 杨亚帆.煤矿冲击地压发生机理及防治措施J.内蒙古煤炭经济，2018（19）：21-22.作者简介：唐满元（1987-），男，本科，湖南东安人，高级工程师，主要从事煤矿通风与安全管理工作。（收稿日期：2023-2-6）达 363.1 mg/m3和 133.6 mg/m3，可以发现粉尘浓度如此之高，会严重影响井下掘进场所工人的身心健康和煤矿高效生产。因此，需要通过对降尘设施的合理布置来降低掘进工作面粉尘浓度。表 3安装局部通风机采用长压短抽式通风工作面各测点的粉尘浓度数据及降尘率由表 3 可知，安装局部通风机采用长压短抽式通风后与未采取任何防尘措施时相比，花园煤矿五采区西翼轨道巷掘进工作面掘进头处、掘进机司机处、转载机下风侧的降尘率均有显著地降低，工作面整体的粉尘浓度有了明显降低，说明安装局部通风机采用长压短抽式通风后，可迅速有效地抑制掘进面产生的粉尘扩散，防止其向外扩散，有效降低了整个掘进工作面各工序的整体粉尘浓度，进而优化了掘进面的作业环境。4结论1）风流场运移规律：90%的压风由附壁风筒的径向出风口吹出，吹向巷道四壁，形成覆盖巷道全断面的风流场，并在抽风口的作用下流向巷道迎头，从而形成控尘风流场-空气幕。2）通过对比不同通风方式，得出采用长压短抽式通风方式，掘进工作面控尘效果最显著。3）花园煤矿五采区西翼轨道巷掘进工作面采用局部通风机长压短抽式通风进行粉尘治理，通过实测得到 6 个作业测点处平均降尘率可达 70%以上。参考文献：1 肖峻峰，许峰，樊世星，等.大断面综掘巷道长压短抽条件下粉尘运移模拟J.中国安全科学学报，2017，27（2）：127-132.2 基于 ANASYS 的综掘工作面通风参数优化J.煤矿安全，2018，49（3）：178-181.3 岩巷综掘面混合式通风除尘数值模拟研究 J.华北科技学院学报，2019，16（5）：11-17.4 程卫民，周刚，等.我国煤矿粉尘防治理论与技术 20 年研究进展及展望 J.煤炭科学技术，2020，48（2）：1-20.5 周刚，张琦，白若男，等.大采高综采面风流-呼尘耦合运移规律 CFD 数值模拟J.中国矿业大学学报，2016，45（4）：684-693.6 蒋仲安，张中意，等.基于数值模拟的综采工作面通风除尘风速优化J.煤炭科学技术，2014，42（10）：75-78.7 王明，蒋仲安，等.岩巷综掘面混合式通风除尘数值模拟研究J.华北科技学院学报，2019，16（5）：11-17.8 代江娇，黄家海，赵斌，等.大断面模拟掘进巷道通风除尘系统数值分析J.煤矿安全，2016，47（11）：193-196.9 乔金林，张旭，察兴鹏，等.超大采高综采面风流-粉尘耦合扩散特性研究J.煤矿机械，2022，43（11）：60-63.10 康树棕，种化省，屈华.掘进工作面风流-粉尘耦合运移规律模拟研究 J.山东煤炭科技，2022，40（7）：100-102，105.11 夏润，凌标灿，等.掘进面不同通风除尘粉尘分布数值模拟研究J.华北科技学院学报，2022，19（3）：8-13.作者简介：吴德金（1970-），男，山东梁山人，毕业于山东矿业学院，工程硕士，工程师，研究方向：煤矿安全技术管理。（收稿日期：2023-2-15）2023 年第 5 期煤矿现代化第 32 卷测点编号测定位置尘性全尘浓度/(mg/m3)呼尘浓度/(mg/m3)全尘降尘率/%呼尘降尘率/%1 号掘进头处煤、岩187.191.277.076.32 号掘进机司机处煤、岩154.858.875.073.93 号转载机下风侧煤、岩135.453.176.375.04 号 伸缩机皮带下风侧煤、岩117.946.775.474.05 号距掘进头 50 m 处煤、岩89.938.575.774.86 号 距掘进头 100 m 处煤、岩91.835.374.773.660