裂隙煤体受载破坏红外辐射特征规律研究_马留柱.pdf

2023 年 2 月Feb.,2023doi：10.3969/j.issn.1672-9943.2023.01.056裂隙煤体受载破坏红外辐射特征规律研究马留柱（中煤科工西安研究院（集团）有限公司，陕西 西安 710077）摘要 为了研究裂隙煤体受载破坏红外辐射变化特征规律，进行了单轴压缩条件下预制裂隙煤样红外辐射实验，对比分析了预制裂隙煤样与完整煤样受载破坏过程红外辐射温度以及红外热像云图的变化特征。结果表明：相对于完整煤样，预制裂隙煤样受载破坏过程中最高红外辐射温度突增量相对较小，而平均红外辐射温度突增量相对较大，且在主破裂发生前，红外辐射温度曲线波动较小；红外热像云图的变化更加明显，主破裂发生前，白色和深蓝色低温区域逐渐缩小，可以作为预测煤体失稳破坏的前兆信息。关键词 裂隙煤体；单轴压缩；红外辐射温度；红外热像云图中图分类号TD315文献标识码B文章编号1672-9943（2023）01-0183-030引言近年来，随着浅部煤炭资源逐渐枯竭，深部煤炭资源开采已然成为主流趋势。随着煤炭开采深度的逐渐增加，地应力、瓦斯压力逐渐增大，煤层构造复杂多变，煤体裂隙发育丰富1。裂隙的存在弱化了煤的抗压强度，是诱发冲击地压、煤岩瓦斯突出等煤岩动力灾害的重要原因之一。因此，对富含裂隙煤体进行监测，可有效预防煤岩动力灾害的发生。红外法作为一种非接触式无损检测方法，能够直观地反映煤岩体表面温度变化情况，通过红外热成像技术可以反映出裂隙煤体损伤破坏过程的热温分布，能够有效判识裂隙煤体临界破坏时表面温度分布状态。因此，本文通过对比分析预制裂隙煤样与完整煤样在单轴压缩条件下损伤破坏过程红外辐射温度以及红外热像云图变化特征，研究了裂隙煤体受载破坏过程红外辐射变化规律。研究结果可为监测预警煤矿煤岩动力灾害的发生提供理论依据和参考。1试样制备实验所用煤样取自陕西省某矿，该矿 4#煤层经冲击倾向性鉴定结果为具有弱冲击倾向性，具体测定数据如表 1 所示。实验所用试样为煤矿原生煤，在实验室加工成 50 mm50 mm100 mm 长方体试样，试样端面误差2 mm。实验试样分为 2 种类型：一种为不带预制裂隙煤样；一种为带预制裂隙煤样。预制裂隙煤样的裂隙长度为 2 cm、宽度为0.1 cm，裂隙倾斜角度为 60，且预制裂隙贯通试样。实验前，将试样表面打磨光滑，便于实验观察。表 1煤层冲击倾向性测定结果2实验系统及方案实验所用设备主要包括压力机和便携式红外热像仪，如图 1 所示。其中压力机用于对试样施加压力，可以进行力和位移控制；便携式红外热像仪能够进行红外热像采集，并对温度高值点和低值点进行标定，同时能够存储试样表面红外温度数据。1.压机数据采集系统；2.伺服控制器；3.压机；4.上压头；5.便携式红外热像仪；6.煤样；7.预制裂隙；8.下压头；9.油泵图 1实验系统本实验采用的加载方式为力控方式，加载速率为 100 N/s。实验前，提前将实验试样放置于实验室，减少环境温度干扰。实验过程中拿取试样时应使用夹具夹持，避免因人体温度造成试样表面温度发生变化。便携式红外热像仪与试样之间距离应保持在 20 cm以内，确保测温准确性。3实验结果与分析煤样受载破坏一般分为初始压密阶段、线弹性阶段、塑性变形阶段和破坏及峰后发展阶段 4 个阶煤层指数测定结果DTWETKERC类别名称4#煤层83.52.461 2.627 18.31弱冲击倾向性135987642能 源 技 术 与 管 理EnergyTechnologyand Management2023 年第 48 卷第 1 期Vol.48 No.11832023 年 2 月Feb.,2023（a）完整煤体马留柱裂隙煤体受载破坏红外辐射特征规律研究段。其受载破坏过程如图 2 所示。（a）完整煤体（b）预制裂隙煤体图 2完整煤体与预制裂隙煤体受载破坏过程中红外温度-时间响应特征如图 2（a）所示，完整煤体受载破坏过程中最高红外辐射温度和平均红外辐射温度对应不同阶段有着不同的响应特征。在初始压密阶段，由于煤体内部原生裂隙被逐步压实，原生裂隙面之间产生细微摩擦，导致最高红外辐射温度和平均红外辐射温度出现短暂上升。在线弹性阶段，由于原生裂隙已经压实，煤体成为弹性体，发生弹性变形。因此最高红外辐射温度和平均红外辐射温度波动趋势较小，基本不随加载时间变化，而是保持稳定运行。随着外加载荷的进一步增加，煤体失去弹性变形能力，进而进入塑性变形阶段。此时最高红外辐射温度和平均红外辐射温度波动起伏较大。这是由于煤体在载荷的作用下，内部不断地产生新生裂隙且不断发育扩展，裂隙面之间发生摩擦生热，从而导致煤体表面红外温度发生较大变化。当煤体新生裂隙发育到一定程度后，煤体逐渐失稳破坏，此时最高红外辐射温度突然增加，而平均红外辐射温度则出现下降现象。这是因为煤体在发生主破裂时，裂隙面之间发生剧烈的错位摩擦，产生较高的热量，从而导致煤体最高红外辐射温度瞬间升高；而在主破裂时，由于煤体发生较大破坏，外部煤体发生脱落甚至整个煤体发生失稳坍塌，导致内部煤体或者背景环境暴露，因此平均红外辐射温度出现下降现象。如图 2（b）所示，相比完整煤样，预制裂隙煤样在受载破坏过程中表面红外辐射温度随加载时间的变化较小。主破裂发生时，完整煤样最高红外辐射温度突增量为 3.13，而预制裂隙煤样最高红外辐射温度突增量仅为 1.14，相比之下减少了1.99。与最高红外辐射温度突增量的变化相反，主破裂发生时，完整煤样平均红外辐射温度的变化量为-0.13，而预制裂隙煤样平均红外辐射温度的变化量为-0.96，相比之下增加了-0.83。分析原因可知，由于完整煤样内部比较均质密实，单轴抗压强度较大，煤体从开始受载到最终破坏过程所需时间较长，煤体内部积聚大量的弹性能。当煤体主破裂发生时，煤体内部积聚的能量瞬间释放，转化为热能、声能、动能等其它形式能量，同时煤体在动能的驱使下，裂隙面之间产生错动摩擦，导致裂隙面之间以及煤体表面最高红外辐射的温度进一步增加。而预制裂隙煤样由于裂隙的存在弱化了煤体的单轴抗压强度，在受载破坏过程中，弹性能积聚时间相对较短，煤体内部积聚的弹性能相对较小，向外释放的热量以及由于摩擦产生的热量较小。因此在主破裂发生时，煤体向外释放的最高红外辐射温度相对较低。完整煤样和预制裂隙煤样在受载破坏过程中，不同时刻对应的表面红外热像云图如图 3 所示。（a）0 s（b）546.85 s（c）556.18 s（d）556.25 s（e）557.51 s（f）557.66 s（g）557.77 s红外温度/31.030.930.830.730.630.530.430.330.2红外温度/34333231301002003004005006000红外温度/33323130最高红外温度最高红外温度平均红外温度平均红外温度时间/s时间/s377411114818501842023 年 2 月Feb.,2023（b）预制裂隙煤体图 3完整煤体与预制裂隙煤体受载破坏过程中红外辐射热像云图红外辐射温度反映了煤体在受载破坏过程中的表面温度的最大值和平均值，而红外热像云图则能够反映煤体在受载破坏过程中整体的热温分布情况。为了更好地反映出煤样在受载破坏过程中表面红外热温分布以及变化情况，对比色尺进行了统一刻度处理，即温度范围取 30.231 （其中白色区域表示温度30.2，而红色区域则表示31 ）。如图 3（a）所示，整体上完整试样在受载破坏过程中表面红外辐射热像云图相对不明显。加载初期，煤体表面红外热像云图整体温度分布较低，白色及深蓝色低温区域所占面积较大。而到加载中后期，即煤体进入塑性阶段，红外热像云图出现明显变化，白色和深蓝色低温区域消失，绿色和黄色中高温区域面积逐渐增加。当加载时间到达 557.51 s时，煤体表面出现明显裂隙，对应红外辐射热像云图出现明显的条纹响应特征，并且随着时间的推移，裂纹区红外热像云图变化越明显。在 557.77 s时，红外热像云图出现明显变化，中下部区域温度出现明显降低，白色和深蓝色低温区域再次增加，同时在底部出现明显红色高温区域。这表示煤体发生失稳破坏，煤样中下部煤体出现脱落现象，这与图 2（a）的红外辐射温度曲线的变化相对应。相比完整煤样，预制裂隙煤样在受载破坏过程中红外热像云图的变化更加明显。如图 3（b）所示，在加载过程中，预制裂隙煤样红外热像云图白色和深蓝色低温区域逐渐缩小，而黄色和红色中高温区域逐渐扩大。当加载时间达到 161.33 s 时，红外热像云图在预制裂隙下尖端部位有明显的温变特征，表明在该时刻预制裂隙煤样沿预制裂隙尖端部位发生裂纹扩展现象，并且随着时间的推移，裂纹不断扩大并向周边扩展发育。在 175.99 s 时，白色低温区域面积再次出现，并且所占区域面积较大。这表明预制裂隙煤样在外加载荷的作用下，沿预制裂隙发生失稳破坏并脱落崩塌。综上所述，完整煤样和预制裂隙煤样在受载破坏过程中，红外辐射温度和红外热像云图均会出现明显的响应特征。主破裂发生前，红外辐射温度曲线波动较大，而红外热像云图则出现低温区域缩小而高温区域扩大现象，两者均可以作为预测煤样失稳破坏的前兆信息。同时相比于完整煤样，预制裂隙煤样的单轴抗压强度较小，在整个加载过程中红外热像云图的温度分布特征及热温分布更明显。这有利于在采煤过程中对裂隙发育丰富的煤层进行红外辐射监测，同时更应该加强对裂隙发育较小的煤层监测，防止冲击地压等煤岩动力灾害的发生。4结论（1）通过验证，裂隙的存在能够弱化煤体的单轴抗压强度，使煤体破坏更彻底且破坏时间相对较短。同时，裂隙发育丰富的煤体在失稳破坏前红外辐射温度波动较小，而在主破裂发生时，最高红外辐射温度变化量相对较小，平均红外辐射温度变化量则呈相反趋势。（2）红外热像云图能够直观地反映出煤体在受载破坏过程中煤体整体的热温分布，可以更好地反映煤体表面裂隙的发育和扩展情况，特别是在煤矿井下昏暗的环境中能够更好地反映煤体的破坏情况。相比于完整煤样，预制裂隙煤样表面红外热像变化更明显，裂纹扩展情况更加清晰。无论是完整煤样还是预制裂隙煤样，在失稳破坏前，表面红外热像均有明显的变化，能够作为预测煤体破坏的前兆特征。参考文献1贺永胜，王启睿，刘恩来，等.深部岩体地应力分布及测试技术研究进展 J.防护工程，2021，43（4）：71-78.作者简介马留柱（1990-），男，助理研究员，硕士，毕业于中国矿业大学矿业工程专业，长期从事地球物理勘探工作。收稿日期：2022-08-12（a）0 s（b）68.11 s（c）114.51 s（d）161.33 s（e）167.25 s（f）171.33 s（g）175.99 s红外温度/31.030.930.830.730.630.530.430.330.2能 源 技 术 与 管 理EnergyTechnologyand Management2023 年第 48 卷第 1 期Vol.48 No.1185