高温作用下煤炭地下气化覆岩表面变形及破裂特性
辛林1
王欣2
王若男2
杨敏2
李华龙2
徐伟豪2
尚振杰2
刁垌彤2
牛茂斐2
1.山东科技大学安全与环境工程学院,山东青岛 266590;山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地,山东青岛 2665902.山东科技大学安全与环境工程学院,山东青岛 266590
摘要：煤炭地下气化(Underground Coal Gasification,UCG)过程中,原位煤层经高温热解和气化作用不断被消耗转化为煤气并形成燃空区.燃空区顶板覆岩承受高温及开采引起的应力集中作用,热-力耦合效应显著加剧了围岩失稳风险,影响UCG进程的稳定性.以鄂尔多斯市上海庙矿区煤层顶板砂岩为研究对象,对高温热处理后的标准砂岩试样进行单轴压缩试验,结合声发射(AE)技术和数字图像相关(DIC)技术,探究试样内部AE信号和表面变形特征,揭示砂岩热-力耦合作用下的破裂机理.结果表明:①砂岩的力学特性呈现显著的温度依赖性,弹性模量在温度达到200 ℃以后呈递减趋势,单轴抗压强度在温度为600 ℃时达到最大值54.51 MPa,对比常温状态下单轴抗压强度增加了 57.8％,二者呈现弹性模量峰值先于抗压强度峰值的非同步响应.②通过DIC技术观测发现,高温下应变场局部化现象加剧,温度为600 ℃时主控裂纹由试样内部向边界迁移,破坏范围扩大.③砂岩试样加热温度为200～1 000 ℃时,压密阶段到屈服阶段以拉伸裂纹为主,峰后破坏阶段以剪切裂纹为主,温度为600℃时剪切裂纹活跃度最高.④峰后阶段声发射b值呈现快速波动下降,以中、小尺度破裂为主,b值快速下降阶段早于砂岩试样最终破坏阶段.将AE和DIC技术相结合,形成宏、微观互补优势,当b值连续下降至该类岩石临界阈值且表面应变集中时,触发预警信号,通过调整气化参数等措施以防塌陷,研究可为UCG围岩稳定性控制、破坏预警以及温度场调控提供科学依据.
关键词：煤炭地下气化砂岩声发射数字图像相关热损伤
分类号：TD355(矿山压力与支护)
资助基金：国家自然科学基金(52374211)国家自然科学基金(52304190)山东博士后科学基金资助项目(SDCX-ZG-202302024)
论文发表日期：2025-08-31
在线出版日期：2025-09-29（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：11( 3731-3741 )
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