煤岩热损伤破坏机制及煤田火区演化规律数值模拟研究

摘要

煤田火灾能烧毁大量煤炭资源、产生有毒害气体、破坏土壤植被、地下水，引起地表沉陷等，对人的生命健康和环境都产生极大破坏。我国是煤田火灾最严重的国家之一，涉及新疆、内蒙等中西部七个省（自治区）。煤火燃烧烘烤火区覆岩，改变其力学特性，促使覆岩原生裂隙的发育和扩展，为煤火燃烧提供漏风供氧通道，这是煤田火灾能自主燃烧和不断蔓延的最主要因素之一。为此，本文以煤岩热损伤为切入点，通过理论分析、实验室实验及数值模拟等手段，深入研究了煤岩热损伤后孔隙结构、力学特性、渗流特性的演化规律，探讨了煤岩热损伤的破坏机制和渗流特性的影响机制，建立了煤田火区热-固耦合数学模型，通过数值模拟分析了温度场、应力场、位移场的变化规律，结合煤岩破坏的判别准则，得出了烧空区塑性变形区域的影响范围。主要研究成果如下： （1）利用扫描电镜、核磁共振研究了煤体热损伤后孔隙结构特征及演化规律，采用分形理论对热损伤煤体的孔隙结构进行了定量表征。结果表明，高温热处理对煤体有开孔、疏孔效应，孔隙间的连通性随热处理温度的升高而增强，并伴随裂隙的发育和扩展，300℃高温处理后煤体裂隙数量、深度以及长度均有明显增加。煤样孔隙随热处理温度的升高不断发育，煤中小孔和中孔逐渐减少，大孔逐渐增多，孔隙率增大，且在200℃~300℃温度范围内煤样孔隙结构变化较大。孔隙分形维数DmNMR、DMNMR及DNMR随热处理温度的升高呈现不同程度的下降，微小孔隙分形维数DmNMR变化幅度大于大中孔隙分形维数DMNMR，说明高温作用对微小孔隙的影响程度大于大中孔隙。 （2）实验研究了热损伤煤体宏观结构的发育特征及其典型煤岩试样力学特性和力学参数随温度的变化规律，理论分析了热损伤对煤体破坏特性的影响机制。结果表明，高温热处理引起煤体颗粒热膨胀，致使煤体产生致裂效应，裂纹大多以相互垂直的形式分布和贯通，裂隙发育沿层理方向比垂直层理方向的扩展速度快，沿层理方向扩展的裂纹与周边裂纹衔接连通，形成煤体裂隙发育的主裂隙。高温处理后煤岩试样的单轴抗压强度随温度的升高先缓慢下降后急剧下降，抗拉强度随热处理温度的升高呈下降趋势。高温处理后煤体全应力-应变曲线整体可以分为压密阶段、线弹性阶段、裂纹演化阶段和破坏阶段，300℃高温处理后，煤体强度急剧降低，峰值应力下降明显；砂岩试样的应力-应变曲线可分为压密、弹性变形、稳定破裂发展及非稳定破坏4个阶段，400℃~500℃之间存在明显温度阈值，力学性质急剧降低。煤岩试样的弹性模量均随温度的升高呈下降趋势，煤的泊松比呈先平缓上升后缓慢下降，而砂岩的泊松比随温度的升高呈下降趋势。 （3）采用三轴渗流实验装置，开展了热损伤煤体在不同孔隙压力、围压和轴压条件下的渗流实验，分析了热损伤煤体渗流特性随气体压力、围压、轴压的变化规律，探讨了热损伤对煤体渗流特性的影响机制。结果表明，相同应力条件下，不同温度处理后煤样的渗透率均随气体压力的升高呈减小的趋势，气体压力小于0.6MPa时，渗透率减小趋势显著，气体压力大于0.6MPa时，渗透率减小趋势平缓；轴压和孔隙压力恒定条件下，不同温度处理后煤样的渗透率均随围压的增大而减小，且在围压初始加载阶段，渗透率降低幅度较大；围压和孔隙压力恒定条件下，不同温度处理后煤样的渗透率均随轴压的增加而减少；高温热处理对煤体的渗透率有较大的影响，渗透率的大小与煤体受热损伤的程度呈正相关的关系，XG煤样和DL煤样的渗透率均随热处理温度的升高呈上升趋势；从煤体的脱水、氧化热解和热应力效应，阐释了热损伤对煤体渗流特性的影响机制。 （4）建立了煤田火区条件下围岩热-固耦合数学模型，采用COMSOL数值模拟软件分析了火区围岩热-固耦合作用下温度场、应力场、位移场的分布特征及动态变化规律，结合煤岩破坏准则得出了煤火烧空区塑性变形区域。结果表明，升温阶段（0~60d）燃烧面的800K以上高温区域主要集中在煤层靠近燃烧面的圆弧形区域以及直接顶和直接底靠近燃烧面约0.25m的区域，此时燃烧面附近区域向下的垂直应力逐渐升高，最大水平应力增加了约1.5e6Pa，直接顶、老顶内垂直位移先增大后减小，直接顶内水平位移主要在火区边界煤壁附近，位移移动方向为正；燃烧阶段（61d~240d）800K以上高温区域范围基本不变，燃烧面附近区域垂直应力变化不大，燃烧面与直接底接触点水平应力达到2.1e6Pa以上，燃烧面上最大水平位移可达3.8mm；降温阶段（241d以后）原燃烧面温度10d内由1273.15K下降至900K以下，燃烧结束6个月后，温度中心转移至直接底，且温度下降到480K以下，此时燃烧面附近区域垂直应力出现小幅度减小，燃烧面与直接底接触点水平应力达到2.6e6Pa以上，最大水平位移点转移至直接顶断裂处，燃烧面从上至下，水平位移逐渐降低且在下部出现负值。煤火烧空区顶板岩层塑性区主要分布在煤层顶板范围内，并随着煤火燃烧时间的增加，塑性区范围逐渐增大。燃烧360d左右，纵截面上塑性区呈半圆形，且范围达到最大，横截面上塑性区出现在整个燃空区的上部，塑性区中间部分可达老顶，出现了整个过程的最大塑性区范围。

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