酸蚀和应变率对不同煤级动态力学性能的竞争性影响

《Fuel》：Competitive effects of acid etching and strain rate on dynamic mechanical properties of different coal ranks

煤变质程度与酸蚀-冲击载荷耦合作用下的动态响应研究

　　

胡振华|沈荣喜|王秀蕾|顾周杰

中国矿业大学教育部煤矿瓦斯与火灾控制重点实验室，江苏省徐州市221116

摘要

为了揭示不同变质程度煤在酸性蚀刻环境和动态载荷作用下的耦合响应特性，本研究探讨了具有不同变质程度的煤的动态力学响应和变形特性。通过分离式霍普金森压杆（SHPB）试验，研究了酸性蚀刻后的褐煤、烟煤和无烟煤的动态力学特性和变形行为。酸处理降低了所有样品的动态模量和变形能。无烟煤的刚度下降最大，但其值仍最高。酸性蚀刻后，无烟煤的变形能最高，同时其微裂纹的数量和密度显著增加。扫描电子显微镜（SEM）观察发现，酸性蚀刻后表面粗糙度增加，其中褐煤的分形维数增加最为明显（高达11%）。基于动态弹性模量建立的酸性蚀刻敏感性指数（a）和应变率敏感性指数（b）表明，煤的变质程度越高，酸性蚀刻敏感性指数越小，应变率敏感性指数越大。其中，褐煤表现出对酸性蚀刻的敏感性最强，而烟煤和无烟煤则表现出对应变率的敏感性更强。此外，应力波形显示，高变质程度的煤在3.75至5 m/s的应变率范围内表现出更大的敏感性。相关性分析表明，冲击速度与峰值应力、弹性模量等参数之间存在正相关关系。这些发现阐明了酸性蚀刻煤的动态响应和变形特性，确定了不同变质程度煤在酸性蚀刻作用下的主要影响因素，并为酸性环境下的矿山安全控制提供了理论基础。

引言

尽管可再生能源日益兴起，煤炭仍然是全球能源结构中的关键组成部分，为工业和日常生活提供了稳定的能源供应[1]，[2]。

气体管理一直是采矿工程中的核心问题，随着采矿技术的进步，提高煤和岩石的渗透性已成为改善气体管理和利用效率的关键策略[3]，[4]。然而，不同采矿区域的煤变质程度不同，导致其力学性能存在显著差异。这给矿山安全和气体提取效率带来了更高的要求[5]，[6]，[7]。此外，酸性矿井水和外部动态扰动进一步增加了采矿作业的安全风险，特别是酸性地下水对煤的力学行为影响显著[8]，[9]，[10]，[11]，[12]。

酸性地下水在煤矿区普遍存在，其化学腐蚀作用会显著改变煤的力学性能，从而影响采矿作业的安全性和稳定性[13]，[14]，[15]，[16]。因此，近年来许多研究人员致力于研究酸水和动态扰动对煤力学性能的影响，以更好地理解其机制并优化矿山安全控制策略。

早期研究主要关注煤和岩石在酸性环境中的准静态力学行为。Chang等人研究了酸性和碱性条件对煤裂隙演化的影响，发现OH?浓度的增加促进了小尺度裂隙的发展，而H?浓度的增加则提高了裂隙系统的宏观有序性[17]。Chen等人探讨了水化学腐蚀对煤岩界面力学性能的影响，他们的研究表明，水化学腐蚀加速了煤岩界面的劣化和破坏，煤岩试样的单轴抗压强度从对照组的90.07 MPa降至酸性条件下的35.54 MPa[18]。Huang等人利用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和能量色散光谱（EDS Mapping）研究了硫酸溶液中的干湿循环对砂岩动态力学性能的影响，结果表明，随着酸性溶液pH值的降低，动态峰值应力和动态弹性模量逐渐下降，而峰值应变增加，显示出酸溶液对砂岩的显著腐蚀和软化作用[19]。Gong等人研究了受冲击载荷作用下的加压无烟煤的动态断裂韧性和裂隙分形特性，分析了裂隙流体在不同加载率下的双重影响，并基于裂隙流体的双重特性和线性弹性断裂力学建立了一个微观断裂力学模型[7]。在另一项研究中，Gong等人使用分离式霍普金森压杆（SHPB）测试了不同酸性环境下煤样品的动态抗压和抗拉强度，结果表明，在干湿循环的早期阶段，酸蚀刻的影响尤为明显，导致煤样品的平均力学性能显著恶化。酸性越强，煤样品初始孔隙率的变化越明显[20]。此外，一些研究还探讨了不同变质程度煤的宏观和微观结构的分形特性，结果显示，随着煤级别的提高，总孔隙体积中孔隙和宏观孔隙的比例逐渐减少，而过渡孔隙和微孔的比例增加[21]。现有研究主要集中在常规条件下单一类型酸蚀刻煤或不同煤级别的比较研究上，而对多阶段酸蚀刻煤的动态力学响应和能量耗散的系统研究仍有限。在酸性蚀刻煤的动态研究中，尚未明确动态载荷的应变率效应和酸蚀刻的降解效应，以及不同变质程度煤对这两种效应的敏感性和主导作用。

本研究将三种不同变质程度的煤样品浸泡在盐酸中24小时，然后在2.5、3.75和5 m/s的冲击速度下进行单轴冲击试验，分析了酸蚀刻和动态载荷对不同变质程度煤的影响，包括动力学特性、变形能特征和破坏模式。利用扫描电子显微镜结合灰度图像处理技术计算了分形维数，以定量分析表面粗糙度的变化。基于动态弹性模量的存储建立了应变率和酸蚀刻敏感性指数。皮尔逊相关性分析进一步阐明了各参数之间的关系。

本研究揭示了不同变质程度煤层在酸性蚀刻和冲击载荷作用下的退化模式和变形能特性，定量确定了它们对酸蚀刻和动态扰动的敏感性，填补了多阶段酸蚀刻煤研究领域的空白，加深了对其在酸性环境中动态行为的理解，为预防动态煤矿灾害提供了理论基础，并根据实验结果提出了相应的措施和建议。

实验样品制备

实验中使用的煤样品应制备成直径25毫米、长度25毫米的圆柱形。研磨后，两端面的不平行度应小于0.05毫米，且两端面应垂直于样品轴线，以确保端面平行度和垂直度的误差在0.02毫米以内。为保证加工精度，样品两端面的不平行度控制在0.05毫米以内。

应力-应变曲线

如图3所示，不同变质程度的煤表现出典型的动态应力-应变行为，理论上分为四个阶段：快速压实、线性弹性、屈服和后峰软化。由于动态载荷的加载特性，快速压实阶段在应力-应变曲线中不明显。这一点标志着样品进入弹性阶段OA。B点标记了屈服点。超过这一点后，材料进入屈服阶段

不同变质程度煤在酸和冲击载荷共同作用下的断裂行为变化特性

高速摄像机用于记录褐煤、烟煤和无烟煤的断裂过程。如图9、图11、图13所示，在未腐蚀的样品中观察到明显的裂隙扩展行为：褐煤的断裂主要沿冲击方向，主要是拉伸破坏；而随着变质程度的增加，烟煤和无烟煤表现出混合的拉伸-剪切破坏。如图10、图12、图14所示，经过酸蚀刻后，裂隙

结论

• 1)
  酸腐蚀降低了所有类型煤的动态刚度，其中褐煤的刚度下降最大（65.16%），而无烟煤的刚度下降最小（14.19%）。此外，酸腐蚀增加了煤的分形维数，酸处理后褐煤的表面粗糙度更加明显。断裂形态从层状裂隙（未腐蚀）发展为密集的交叉网络（酸蚀刻）。

作者贡献

所有作者均参与了研究的构思和设计。材料制备、数据收集与分析工作由胡振华、王秀蕾、沈荣喜和顾周杰完成。胡振华撰写了初稿，所有作者对草稿的各个版本进行了评论。所有作者均阅读并批准了最终稿件。

作者贡献声明

胡振华：撰写——原始稿件，软件使用，正式分析，数据管理。沈荣喜：正式分析，数据管理。王秀蕾：数据管理。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（编号2022YFC3004702）和国家自然科学基金（编号52074276）的资助。作者感谢审稿人和编辑提供的富有洞察力和建设性的反馈，这些反馈有助于改进本文的质量。