瓦斯与应力作用下煤体红外辐射响应研究_唐一举.pdf

第 42 卷 第 3 期 岩石力学与工程学报 Vol.42 No.3 2023 年 3 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering March，2023 收稿日期：收稿日期：20220406；修回日期：修回日期：20220623 基金项目：基金项目：国家自然科学基金资助项目(51774117)；河南省科技攻关(222102320413，222102320279)Supported by The National Natural Science Foundation of China(Grant No.51774117)and Henan Province Science and Technology Research(Grant Nos.222102320413 and 222102320279)作者简介：作者简介：唐一举(1988)，男，2015 年于河南理工大学安全工程专业获博士学位，现任讲师，主要从事矿山安全科学方面的研究工作。E-mail：。通讯作者：郝天轩(1976)，男，博士，现任教授、博士生导师。E-mail： DOI：10.13722/ki.jrme.2022.032 瓦斯与应力作用下煤体红外辐射响应研究瓦斯与应力作用下煤体红外辐射响应研究 唐一举1，郝天轩2，3，刘 静1，李 帆2，赵立桢2，王泽华2(1.河南城建学院 市政与环境工程学院，河南 平顶山 467036；2.河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作 454000；3.煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心，河南 焦作 454000)摘要：摘要：为探索瓦斯与应力作用下煤体红外辐射响应特征，利用自主研发的含瓦斯煤岩破裂温度变化检测实验系统，以平煤十一矿煤样作为研究对象，分析其在不同瓦斯压力下力学性质和红外辐射特性，并对差分最高辐射温度TMIR、累计差分温度 TMIR、热像演化等在不同瓦斯压力下的时变特性进行对比分析。结果表明：随着瓦斯压力的增大，试样破坏形态从单斜面剪切破坏向剪张性失稳破坏转变，破坏发展明显增强；试样的峰值抗压强度、弹性模量随着瓦斯压力的增大而降低，峰值应变表现为先增加后快速降低；不同瓦斯压力下，试样整体上表现出增温趋势，低瓦斯压力(00.4 MPa)条件下临破裂前出现升温前兆，而高瓦斯压力(0.6，0.8 MPa)则表现为降温前兆；试样加载过程中出现低温异常条带和高温异常区域，且与宏观裂纹走向及位置一致；并揭示了瓦斯影响下煤岩红外辐射的响应机制：热弹效应、摩擦热效应、瓦斯膨胀吸热效应及吸附瓦斯解吸吸热效应，不同加载阶段热效应的影响程度不同。研究结果解释了煤岩瓦斯动力灾害温度异常变化的原因，明确了不同瓦斯压力下的红外预警前兆特征，可以根据矿井瓦斯压力的大小有针对性进行灾害监测预警。关键词：关键词：岩石力学；含瓦斯煤；瓦斯压力；前兆特征；预测预警 中图分类号：中图分类号：TU 45 文献标识码：文献标识码：A 文章编号：文章编号：10006915(2023)03059412 Infrared radiation response of coal under the action of gas and stress TANG Yiju1，HAO Tianxuan2，3，LIU Jing1，LI Fan2，ZHAO Lizhen2，WANG Zehua2(1.College of Municipal and Environmental Engineering，Henan University of Urban Construction，Pingdingshan，Henan 467036，China；2.College of Safety Science and Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo，Henan 454000，China；3.State Collaborative Innovation Center of Coal Work Safety and Clean-efficiency Utilization，Jiaozuo，Henan 454000，China)Abstract：To explore the characteristics of the infrared radiation response of coal bodies under the action of gas and stress，the self-developed experimental system for detecting the temperature change of gas-bearing coal rock rupture was used to analyze the mechanical properties and infrared radiation characteristics of coal samples from Pingcoal Mine 11th under different gas pressures，and to compare the time-varying characteristics of differential maximum radiation temperature TMIR，cumulative differential temperature TMIR and thermal image evolution under different gas pressures.The comparative analysis of the time-varying properties of differential maximum radiation temperature TMIR，cumulative differential temperature TMIR and thermal evolution at different gas pressures were carried out.The results show that，with the increase of the gas pressure，the damage pattern of the specimens changes from single-slope shear damage to shear-tension instability damage，and the damage development increases 第 42 卷 第 3 期 唐一举等：瓦斯与应力作用下煤体红外辐射响应研究 595 significantly.The peak compressive strength and the elastic modulus of the specimens decrease with the increase of the gas pressure，and the peak strain shows an increase and then a rapid decrease.The specimens show an overall warming trend at different gas pressures，with a warming precursor before rupture at low gas pressures(00.4 MPa)and a cooling precursor at high gas pressures(0.6 and 0.8 MPa).The low-temperature anomalous stripes and high-temperature anomalous regions appear during loading of the specimens and are consistent with the macroscopic crack orientation and location.The response mechanisms of infrared radiation from coal rocks under the influence of gas are revealed，including thermoelastic effect，frictional heat effect，gas expansion heat absorption effect，and adsorbed gas desorption heat absorption effect，with different degrees of influence of the thermal effect at different loading stages.The results of the study explain the causes of abnormal temperature variations of coal rock gas dynamic disasters and clarify the characteristics of infrared warning precursors under different gas pressures，which can be used for targeted disaster monitoring and warning according to the magnitude of gas pressure in mines.Key words：rock mechanics；gas bearing coal；gas pressure；precursor characteristics；predictive warning 1 引引 言言 伴随煤炭资源开采，煤矿事故始终无法完全避免，在煤矿各类灾害中，以冲击地压、煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害造成的危害尤为突出，近 20 年突出事故平均死亡水平为 6.8 人/起1。煤岩动力灾变孕育发生的过程会伴随声、电、光及磁等能量辐射信号，由此衍生出了红外辐射预警、电磁辐射预警、声发射预警及微震预警等多种预警灾变的方法2-6。其中红外辐射预警是一种非接触式监测方法，具有实时、全过程及智能化预警等特点，能够非接触遥感预警煤岩动力灾害7-11。研究认为，煤岩瓦斯动力灾害是煤体、瓦斯共同作用的结果，特别是目前井工开采已逐步进入到深部阶段，煤层赋存环境呈现出高瓦斯、高应力等特征，煤岩瓦斯气体之间复杂的耦合作用会对煤岩的破坏特征、强度特征、变形特征及红外辐射特征等造成不可忽视的影响。因此研究煤岩瓦斯共同作用下煤岩变形破坏过程中力学特性及红外辐射特性，可为研究煤岩瓦斯动力灾变红外监测预警提供理论依据，对煤矿安全开采具有重要的理论意义和应用价值。国内外专家学者对煤岩失稳变形破坏过程红外辐射温度变化方面，已经取得了有价值的研究成果。耿乃光等2发现辐射温度随应力的增加而增加，临破裂前辐射温度变化加快。邓明德等12通过单轴加载实验，发现岩石临破裂前出现不同的前兆信息。L.Wu 等13研究了花岗闪长岩和大理岩破裂前红外热像的时空演化特征。L.Ma 等14研究了煤岩破坏过程中红外温度突变的前兆信息。Y.Zhao 和 Y.Jiang15研究了煤体在单轴压缩条件和循环加载条件下煤样破裂的前兆信息。刘善军等16依据红外前兆信息，提出 0.79c附近可以作为矿压及灾害监测的“应力警戒区”。马立强等17监测了含孔煤岩体破裂过程中热辐射温度变化特征。李 鑫等18研究了复合煤体内部及表面的红外辐射特征。皇甫润等19研究了片麻岩单轴加载情况下热辐射变化规律。唐一举等20研究了潮湿煤体受载过程中红外辐射特性，认为水分影响了红外辐射波动性的变化。Z.Li 等21研究了瓦斯压