深部煤岩体高温高压下的力学性质理论研究

深部煤岩体高温高压下的力学性质理论研究
国内近年来随着埋藏在中、浅部煤炭资源的不断减少，以及机械化水平的提高，人们逐渐把目光转移到深部煤炭资源。

我国东部和中西部的一些大型国有矿井相继进入深部开采阶段，如大同、平顶山、阳泉等煤矿，未来几年内将不断有更多的˚大型煤矿进入800m以上的深部开采。

在深部开采中，煤岩体的力学性质发生了很大的改变，破坏机理也随之改变，最常见的是煤岩体流变和热损伤问题。

因此碰到了许多与浅部开采不同的工程问题。

随着采深的增加，矿山压力与温度都随之不断增加。

在深部条件下，地温常达到30˚C～50˚C,围压达到很大，工人作业条件差，巷道维护困难，发生冲击矿压的次数与强度将显著增加，但对采场顶板压力大小的影响并不突出。

岩石圈及岩石流变已成为大陆岩石圈研究的前沿和热点之一，受到国内外的科学家的重视。

1、高围压对岩石力学性质的影响
在三向压缩条件下，随着围压的增大，岩石的屈服极限强度、强度峰值和残余强度都随之增大。

大部分岩石在一定的临界围压下出现屈服平台呈现塑性流动现象。

因此随着采深的增加，围压变大，煤岩体的极限强度变大，承载能力变强，岩石的韧性加强，使一些在浅部表现为比较坚硬的岩石在深部表现出软岩的大变形、大地压、难维护特征。

深部开采中，在自重应力和构造应力作用下，围压相比浅部高出很多，岩石承载能力和参与强度变大，脆性向延性转化，流变现象明显，破坏机理与浅部有较大区别。

王绳祖等对岩石的脆——韧性及塑性流动网络进行了深入的理论和实验研究。

他指出，随着矿物组成、粒度、流变、压力、应变速率、液体介质因素的变化，岩石有脆性—>半脆性——>半延性——>延性转化,这种变化过程涉及力学行为、宏观结构和微观物理机制，尤其是岩石共轭剪断网络和塑性流动网络的实验成果不仅深化了脆-韧性转化认识，同时为岩层多层模和塑性流动网络关系提供了实验依据。

对辉绿岩、辉长岩和石灰岩的脆-韧性转化，高温高压实验结果与上述结论是一致的。

左键平教授等对现有岩石的众多实验资料和现象进行了总结，对压力作用下的变形破坏机理作了深入讨论，得出随着围压的升高，岩石破坏时的水平应力会有所增高，峰值应力出现在更大的变形处，当围压高于某一临界值时，岩石能在较大的应变范围内不失去承载能力，岩石表现出延性性质。

孟召平教授等对结合塔里木塔河油田石炭系和三叠系砂岩所处的不同环境，剖析了不同压力对砂岩力学性质的影响，得到砂岩的力学性质与所受的地应力密切相关，刚度和强度随围压的增大而增大，但破坏机理具有在不同压力下具有较大的差异性。

王子潮等通过高围压三轴试验对几种岩石的半脆性进行蠕变研究，通过岩石的蠕变曲线，蠕变类型，蠕变的时间和速度，蠕变应变的关系，稳态蠕变速度—流动应力和蠕变破坏特征的观测分析，阐述了围压所起的作用，并且给出了围压-流动应力坐标系中的岩石的半脆性蠕变区。

2、高温对岩石力学性质的影响
温度每变化1˚C可以产生0.4MPa～0.5MPa的地应力变化，因此随着温度的升高，岩石的力学性能变化很大，刚度和强度都会有所降低、同时温度对岩石矿物有热激活作用，加之温度梯度的影响，使岩石脆性降低，延性增强，流变性更加明显。

同济大学的朱何华教授等通过单轴压缩实验，对不同高温后熔结凝灰岩、
花岗岩及流纹状凝灰角砾岩的力学性质进行研究，分析比较3种岩石的峰值应力、峰值应变及弹性模量随温度的变化规律，并研究了峰值应力与纵波波速、峰值应变与纵波波速的关系。

得到：3种岩石的峰值轻度均随经历温度的升高而降低，且温度越高，降幅越大；熔结凝灰岩、花岗岩的峰值应变随经历温度的升高而明显增加，流纹状凝灰角砾岩高温后峰值应变有一定幅度的降低；3种岩石的弹性模量均随受火温度的升高而降低，且经历的温度越高，降幅越大。

谢和平院士等对3种常用的流变元件、弹性元件、粘性元件和塑性元件进行了组合得到改进的西原模型用于研究深部岩体的流变过程，得到在温度和压力的耦合作用下深部岩石流变模型的本构方程。

嵁伦建等通过采用偏光显微镜、扫描电镜及岩石力学试验仪等设备研究了煤层顶板砂岩在常温到1200˚C范围内的力学性质和破坏机理。

结果表明：导致煤层顶板砂岩加热过程中强度急剧降低的温度与导致岩石内部裂隙形成和晶体变化的温度一致，说明了岩石微观结构在高温下的变化对力学性质有显著影响。

随着温度的增加，岩石热损伤现象越来越严重。

刘泉声教授通过温度作用下的脆性岩石的损伤试验得出：在达到热裂化温度前，随着温度的提高，矿物颗粒的受热膨胀造成岩石原生裂隙逐渐闭合，导致岩石的弹性模量逐渐增大；在达到热裂化温度后，随着温度的增高，矿物颗粒或者颗粒内的应力进一步增大，产生微小裂纹或者致使原生微小裂纹扩展和加宽，导致岩石的弹性模量逐渐减小。

随着温度的升高，岩石的损伤量释放率逐渐增大。

在深部条件下，在巷道局部温度较高部分，岩石由于热损伤在围压作用下挤出现象严重。

在深部采矿中，岩石受到一个变化温度场的作用，温度场对岩石材料的物理性质和力学性质都有影响。

通常随着温度的升高，岩石的力学性能劣化，岩石的刚度和强度都有所降低，但同时温度对岩石中的矿物有热激活作用，加之温度梯度的影响，最终使岩石由脆性向延性转化。

3.煤在高温高压下的性质
有关煤在高温高压下的试验无论是国外还是国内都是比较少的。

国外Bustin等做有关实验，国内周建勋选择了镜质组最大放射率分别为0.67%，3.41%和4.90%的3种煤级的样品进行高温（300˚C~500˚C）高压变形实验。

这些研究取得了一定的成果，发现温度、压力和煤岩内部的产气情况对于煤的力学属性有很大的影响。

姜波等对河南、山西等地包括气煤到无烟煤5组煤岩样品进行了相同温度和压力下的高温（200˚C~700˚C）高压煤变形实验。

结果表明，煤的变形受多种因素的影响，并且在不同温度压力条件产生脆性变形和韧性变形构造。

Liu 等对沁水盆地5组煤岩样品进行同步升温和升压条件下的高温高压煤岩实验，结果表明：在不同温度压力下，煤岩的强度有显著的变化；温度对煤岩的影响要高于压力的效应，在不同的温度压力条件下产生不同的脆性变形和韧性变形构造。

煤是多孔介质，煤中水和大量吸附气的存在，也可大大降低煤岩组分韧性变形所需的温度条件，使之在较低的温度（<200˚C)下就可以发生变形.应力作用和低应变速率不仅降低煤岩变形所需的温度条件，而且对煤岩的超微尺度变形产生重要影响。

煤岩作为一种有机岩石，对温度压力等环境条件十分敏感。

当煤层围岩仍保持原生沉积特征时，煤层也可呈现强烈流变韧性变形现象，煤脆韧性变转化的温度远低于大多数围岩。

煤岩的这一属性导致周边的其他岩石仍处于脆性变形域时便发生流变，构成软弱层。

在高温高压下煤的渗透性发生很大改变。

赵阳升，万志军等教授利用自主研制的600˚C 200MN伺服控制高温高压三轴试验机系统，分别研究晋城无烟煤和兴隆庄气煤试样在恒定500m原岩应力条件下不
同温度时，渗透特性的演化规律。

结果表明：（1）在室温~300˚C 中低温段，煤体渗透率随温度的变化存在一个阀值温度。

当温度达到阀值温度时，渗透率降至最低。

（2)在300˚C~600˚C高温段，煤体渗透率随温度的变化存在一个峰值温度，峰值温度处渗透率为该温度段内的最大值。

（3）煤体渗透率随温度的变化呈现阶段性：室温至阀值温度为第一阶段，渗透率随温度的增加而降低；阀值温度至峰值温度为第二阶段，渗透率随温度的升高而增加；高于峰值温度后，渗透率随温度的增加而降低。

（4）渗透率随温度变化的阀值温度和峰值温度与煤阶有关。

无烟煤的阀值温度是150˚C~200˚C，峰值温度为450˚C~500˚C,而气煤渗透率的温度为200˚C~250˚C。

综上所诉，处于深部高温高压下的煤岩体：刚度和强度增加，岩石的屈服
极限强度、强度峰值和残余强度都随之增大。

弹性模量变小，韧性变强，弹性向粘塑性转变，脆性—>半脆性——>半延性——>延性转化，逐渐失稳向突发失稳
转变，具有明显的流变性，热损伤现象严重，岩石往往出现很大的位移和变形，难维护，矿井动压现象严重。

对于煤温度对其力学性质的影响要高于压力对其的影响，温度对煤的渗透性、脆性变形和韧性变形构造影响很大。

参考文献：
①郭文兵，李小双，深部煤岩体高温高压下力学性质的研究与展望
②冯子军，万志军，赵阳升，李根威，，张源，王冲，朱南京，高温三轴应力下无烟煤、气煤煤体渗透特性的试验研究
③朱合华，阎治国等，3种岩石高温后力学性质的试验研究
④王绳组。

高温高压岩石力学——历史、现状、展望[J],地球物理学进展，1995
⑤琚宜文，谭静强，侯泉林，谭永杰，武煜东，煤层流变研究现状及发展趋
势
⑥Busin R M，Ross J V，Rouzaud J N.Mechanisms of graphite formation from kerogen: experimental evidence [J].Jnt J of Coal Geol,1995,28 （1)：1—36
⑦Liu J，Yang G,Ma R.Macro - and microscopic mechanical behaviour of flow of coal samples experimentally deformed at high temperatures and pressure[J].Chinese Science Bullentin,2005,50（Supp)
⑧刘泉生，许锡昌。

温度作用下脆性岩石的损伤分析[J].岩石力学与工程学报，2000,19 （4）：408-411
⑨姜波，秦勇.变形煤的结构演化机理及其他地质意义[M].江苏徐州：中国
矿业出版社，1998.1- 100.
⑩左建平，谢和平，周宏伟.温度压力耦合作用下的岩石屈服破坏研究[J].
岩石力学与工程学报，2005,24（16）：2917-2921。