近年来在能源开采过程中，例如:煤炭地下气化、煤炭地下液化及煤层气的原位注热开采[1]等的共同特点是地下煤岩体均处在不同高温环境中。煤体是一种孔隙-裂隙双重结构的多孔性有机成沉积岩石，环境温度是影响煤岩体力学性质的重要因素之一。与常温条件相比，高温作用后煤岩体的力学性质和声发射特征都具有温度效应，研究这些实际工程围岩开挖、支护技术以及围岩运行过程的稳定等问题的前期手段之一是数值模拟，而室内高温作用后煤岩体的力学性质的测试是必须的基础性工作。研究高温后煤岩体力学性质及声发射特征随温度的变化规律将有助于上述工程问题的解决，因此，高温后煤样的力学性质及声发射特征研究成为了岩石力学及工程研究的新课题。高温作用后导致煤岩结构变化，致使煤岩体力学性质和声发射特性发生变化。声发射技术作为研究岩石类材料失稳、破裂及演化过程的一个良好工具，已被广泛应用于岩石类材料破裂失稳机制的研究。因此，开展高温后煤岩力学性质和声发射特性研究具有学术与工程应用价值。
有关高温后岩石力学性质与声发射特征方面，学者已进行了大量的试验研究，取得了丰硕的研究成果[2-10];例如:张渊等[2]对温度作用过程中长石细砂岩的声发射现象进行研究，结果认为70～90 ℃是长石细砂岩裂纹发育的门槛值;吴刚等[3]对不同高温后砂岩进行了单轴压缩下的声发射测试，结果认为在400 ℃以内温度对砂岩峰值强度和声发射特征的影响不太明显，超过600 ℃后砂岩内部结构劣化声发射现象较为明显，随着温度升高产生声发射信号的时间有所推迟，声发射信号增长率不断上升;RUDAJEV V等[4]指出，单轴受压岩石破坏的前兆特性是声发射累计事件率的突增。翟松韬等[5-6]对在经历20～800 ℃高温后花岗岩和大理岩单轴压缩下的声发射特征进行试验研究，分析了升温过程中花岗岩振铃计数率随时间的变化规律以及加载过程中花岗岩的声发射特征参量与应力-应变之间的关系，同时从能量角度对高温单轴压缩条件下岩石破坏的过程进行了分析;对大理岩加温过程中大理岩产生了强烈的声发射信号，且随着温度的升高而趋于活跃，经历400～800 ℃高温下大理岩在加载过程中的声发射活动比其对应高温后的更频繁。王德咏等[7]对石灰岩经历100～800 ℃高温后单轴压缩破坏过程中声发射过程进行了研究，结果认为石灰岩峰值强度随着温度升高而不断降低，低于400 ℃时破坏过程声发射振铃累计数均值随着温度的升高而增加，超过400 ℃后随着温度的升高而不断降低，计数阈值大致为400 ℃。张志镇等[8]通过高温后花岗岩的单轴压缩及声发射试验，提出由累积声发射频数来表征损伤变量，依此损伤变量导出温度-应力耦合模型;陈国飞等[9]对高温后大理岩进行单轴压缩变形强度和声发射特征研究，结果认为超过200 ℃高温后大理岩峰值强度、弹性模量和变形模量随着温度的升高而减小，声发射试验得到的振铃计数与应力-时间曲线具有较好地对应关系。JOHNSON 和WANG等[10-11]研究美国 Weaterly 花岗岩的热开裂现象，并同时考察了声发射现象，结果表明:美国 Weaterly 花岗岩在75 ℃左右产生热破裂并伴随有声发射现象，且加热速率越大，声发射计数率越高，但加热速率对声发射的阈值温度没有显著影响。AL-SHAYEA利用声发射考察了加热时岩石的损伤过程，测量了Westerly 花岗岩在20～50 ℃时的断裂韧性[12];JANSEN 等开展了热破裂室内模拟试验，研究了热破裂过程中声发射时空演化规律并研究了试件内的波速场分布，认为温度梯度是裂纹形成的最主要因素[13]。
有关常温煤样力学性质与声发射特征方面，也已取得了丰硕的研究成果。例如:杨永杰和李术才等[14-15]在单轴加载下煤岩煤样声发射特征的响应规律及煤样破坏过程中的损伤演化特征，将煤岩煤样的损伤演化过程划分为初始损伤阶段、损伤稳定发展阶段、损伤加速发展阶段和损伤破坏阶段。王恩元等[16-17]对煤样单轴压缩煤体破裂过程中声发射效应和频谱特征进行了研究，认为煤岩体的声发射效应反映了煤岩体的内部损伤程度，并与其内部缺陷或损伤演化直接相关;苏承东等[18-20]对煤样进行不同应力路径和不同尺度下力学性质和声发射特征试验，结果表明煤样在不同应力路径下加载变形破坏过程中产生的声发射特征有所差异;大煤样变形、强度参数明显低于标准煤样，而声发射事件的强度和数量明显高于标准煤样，标准煤样的声发射特征值作为煤与瓦斯突出及冲击地压等煤岩动力灾害预测、预报偏于保守，采用大煤样的声发射特征值更加合理，而在这一方面，DONG Guowei等[21]研究了在煤岩中不同波导的声发射响应，对煤岩动态灾害的预测具有十分重要的意义。 PERERA等[22]对褐煤和黑煤样品进行了一系列无侧限抗压强度试验。利用先进的声发射系统来识别裂纹扩展行为的变化。 LU Yiyu等[23]对煤矿的应力条件下的横侧水力压裂进行了物理实验，在实验过程中，通过声发射系统对断裂进行了监测，来评估裂缝起始点的位置。
上述学者对高温后岩石和常温煤样的力学性质与声发射特征进行了研究，但对于高温后坚硬煤样力学性质与声发射特征的研究相对较少。鉴于此，笔者以赵固二矿二1煤样为对象，经历25～500 ℃高温后煤样进行单轴压缩和声发射试验，分析经历不同高温后煤样单轴压缩变形、强度与声发射特征。研究成果可为煤炭地下气化、煤炭地下液化及煤层气的原位注热开采方案设计提供参考。
1 煤样特征及试验方法
1.1 煤样特征
煤样采自河南煤化集团赵固二矿12022工作面煤壁，编号分别为C1,C2,C3和C4，煤块采用塑料薄膜包裹送至实验室。在室内沿垂直层理钻取煤芯，然后切割、磨削制成直径为50 mm，高100 mm标准煤样，煤样端面平行度满足规程[24]的要求。4块煤共制作30个标准煤样，自然视密度为1 397～1 488 kg/m3，平均值为1 456 kg/m3，离散系数为1.83%，纵波波速分布在1 908～2 327 m/s，平均值为2 154 m/s，离散系数为6.13%，可见煤样具有一定离散性，表明煤样非均质性，如图1所示。
图1 制作标准煤样
Fig.1 Make standard coal samples
1.2 高温处理
将制备煤样采用KSW-5D-12型高温箱式电阻炉进行高温处理，常温25 ℃(C11～C15)，加热温度设置100 ℃(C16～C18，C27，C37),200 ℃(C21～C23，C44，C48),300 ℃(C31～C33,C41，C45),400 ℃(C24～C26，C43，C47)和500 ℃(C34～C37，C42)。分次将煤样放入炉内调整温度控制到设定温度值，开启电源开始升到设置温度后再恒温4 h，在炉内自然冷却至室温，每级温度5个煤样。
在煤样高温加热过程中观察到，在100～200 ℃范围有少量水蒸汽溢出，并有淡淡CO2味，在温度300～500 ℃时排出大量挥发物(煤气和焦油)。在100～200 ℃高温冷却后煤样表观没有明显变化，300～500 ℃煤样宏观颜色由黑色逐渐变浅，高温后煤样保持完整性，图2为高温后部分煤样形态。
图2 高温后部分煤样形态
Fig.2 Coal sample form after high temperature
1.3 试验方法
试验在RMT-150B电液伺服岩石试验系统上进行，如图3所示。轴向荷载采用1 000 kN力传感器测量，载荷精度为1.0×10-3 kN，轴向压缩变形采用5.0 mm位移传感器测量，环向变形采用2个 2.5 mm位移传感器测量，变形精度为1.0×10-3 mm。试验时采用位移方式，加载速率为0.002 mm/s。在煤样加载过程中采用DS-5型8通道的声发射检测与分析系统同步监测声发射信息，声发射传感器布置在煤样中部两侧，传感器与煤样之间采用耦合剂耦合绝缘胶带固定，采样频率设为3 MHz，门槛值设为50，放大倍数40 dB，声发射传感器RS-2 A频率为150 kHz。监测过程中采集系统实时记录声发射的幅值、计数和能量等参数。
图3 RMT-150 B电液伺服岩石试验系统
Fig.3 RMT-150 B electrohydraulic servo rock test system
2 试验结果与分析
2.1 变形特征
表1给出了常温和高温后30个煤样单轴压缩试验结果，表1中:T为温度；Rc,ET和μ分别为煤样单轴抗压强度，弹性模量和泊松比；∑A,∑N和∑E分别为煤样单轴压缩过程中声发射幅值、计数和能量的累计值。
图4给出30个煤样单轴压缩试验全程应力-应变对比曲线。由图4可以看出，在单轴压缩过程中应力-应变曲线具有压密、弹性、屈服和破坏4个阶段，经历不同高温后煤样单轴压缩过程中应力-应变曲线特征有所不同。常温25 ℃时的5个煤样单轴压缩应力-应变曲线峰值前表现出良好线性特征，如图4(a)所示，其压密和屈服阶段不明显，峰值后多数煤样出现应力瞬间跌落，例如C11,C12和C13煤样，个别煤样出现台阶式跌落现象，例如C14和C15，表现出坚硬煤样完整和强脆性特征。
与图4(a)相比，经历100 ℃高温后5个煤样单轴压缩过程中的压密和屈服阶段有所显现，除C17煤样峰值后出现应力瞬间跌落外，其余4煤样均出现台阶式跌落现象有所减缓，如图4(b)所示。经历200～300 ℃高温后煤样单轴压缩过程应力-应变曲线特征大致相同，其压密和屈服阶段明显增加，其中C41,C44和C48煤样仍然出现峰值后应力瞬间跌落，其余C21～C23,C32,C33煤样仍出现台阶式跌落现象，C31煤样在峰值附近具有明显屈服平台，而峰值后应力随着压缩变形增加而逐渐降低，如图4(c)，(d)所示。
表1 高温后煤样单轴压缩试验结果
Table 1 Test results of coal sample uniaxial compression after high temperature
T/℃No.Rc/MPaET/GPaμ∑A/106∑N/106∑E/106T/℃No.Rc/MPaET/GPaμ∑A/106∑N/106∑E/106C1148.494.440.431.710.362.06C3123.012.720.289.252.714.53C1257.314.290.401.340.562.29C3217.112.910.255.822.707.0425C1357.084.400.371.310.736.46300C3319.023.700.372.931.794.35C1457.354.250.432.000.930.52C4131.693.260.296.132.025.23C1564.204.470.391.830.987.96C4533.643.980.271.641.153.50均值56.894.370.401.640.713.86均值24.893.310.295.152.074.93C1620.43.400.369.940.91.90C2427.673.110.271.290.681.35C1722.683.540.405.911.715.15C2524.462.760.332.350.681.76100C1823.593.540.373.921.012.80400C2618.872.680.242.840.673.71C2741.423.680.226.551.233.76C4335.973.450.290.940.772.21C3740.143.380.423.311.012.45C4715.602.360.252.842.135.73均值29.653.510.355.931.173.21均值24.512.870.282.050.992.95C2120.573.680.327.172.515.91C345.240.410.254.720.912.87C2226.933.520.341.331.616.06C354.640.560.332.341.852.97200C2326.463.750.332.250.972.56500C361.250.280.340.790.160.46C4439.583.560.296.211.072.46C377.591.320.281.661.425.63C4828.713.020.399.752.527.74C4216.642.360.323.364.6810.68均值28.453.510.335.341.744.95均值7.070.990.302.571.814.52
图4 煤样单轴压缩全程应力-应变曲线
Fig.4 Stress-strain curves of coal-like uniaxial compression
经历400～500 ℃高温后煤样单轴压缩过程中的压密和屈服阶段更加明显，个别煤样仍然出现峰值后应力瞬间和台阶式跌落现象有所减缓，而C47煤样出现峰值平台，如图4(e),(f)所示。上述分析表明，高温后煤样在单轴压缩过程中可分为压密、弹性、屈服和破坏4个阶段，经历不同高温后应力-应变曲线特征有所不同，经历温度越高其压密和屈服阶段更加明显，应力-应变曲线趋于平缓，煤样峰值强度和变形特征差异性变大，峰值后应力跌落速度有所减缓，表现为脆性减弱塑性增强。
高温后煤样单轴压缩变形参数与温度的关系，如图5所示。由图5可以看出，经历温度在25～500 ℃弹性模量、变形模量随温度升高呈非线性降低。在100 ℃和500 ℃高温对煤样弹性模量、变形模量的影响较大，其值降低较多，在100～300 ℃高温对弹性模量和变形模量的影响作用不大，超过400 ℃以后影响明显增大。而温度对泊松比的影响与上述规律有所不同，在25～300 ℃高温，泊松比随着温度升高大致呈线性降低，在300～400 ℃高温范围内泊松比大致相当，超过400 ℃高温后泊松比有所增加，泊松比与温度可以用2次多项式表示。与常态25 ℃煤样变形参数比较，经历100,200,300,400和500 ℃高温后，弹性模量的平均降幅分别为19.7%,19.8%,24.2%,34.3%和77.4%;变形模量的平均降幅分别为34.1%,37.4%,42.4%,59.5%和86.3%;平均泊松比的降幅分别为12.4%,17.3%,27.7%,31.7%和24.8%。可见高温作用对变形模量影响大于弹性模量，对泊松比的影响相对较小。
2.2 强度特征
高温后煤样单轴抗压强度与温度的关系，如图6所示。由图6中可以看出，经历25～500 ℃高温后煤样单轴抗压强度随温度升高呈非线性降低。在100 ℃和500 ℃高温后对煤样抗压强度的影响尤为明显，其值降低较多，在100～400 ℃高温，高温对煤样抗压强度的影响作用相差不大。与常温25 ℃抗压强度的平均值相比，经历100,200,300,400和500 ℃高温后煤样抗压强度平均降幅依次为47.88%，49.99%，56.24%，56.91%和87.57%，如图6(b)所示。
图5 高温后煤样单轴压缩变形参数与温度的关系
Fig.5 Relationship between the deformation parameters and temperature of coal sample after high temperature
图6 高温后煤样抗压强度与温度的关系
Fig.6 Relationship between compressive strength and temperature of coal sample after high temperature
2.3 声发射特征
煤样在受载变形和破坏过程中会产生声发射信息，而反映煤岩加载变形破坏过程中声发射特征有多项参数，本文采用声发射幅值(A，∑A)、计数(N，∑N)、能量(E，∑E)来分析经历高温后煤样在单轴压缩过程变形破坏过程中的声发射特征。声发射幅值(A，∑A)为煤样受载损伤事件释放电压信号最大幅值，计数(N，∑N)反映了声发射事件发生的频度;能量(E，∑E)为声发射事件释放能量相对值。声发射幅值、计数和能量共同反映了煤样变形和破坏过程中的声发射事件的强弱与频度。
图7～13分别给出了经历不同高温后煤样单轴压缩变形破坏过程中的声发射特征参数(幅值、计数和能量)检测结果，限于篇幅，每个温度给出一个典型煤样发射特征检测结果。
图7 煤样C13单轴压缩试验声发射检测结果(25 ℃)
Fig.7 Coal samples C13 under uniaxial compression test acoustic emission test results (25 ℃)
图8 煤样C16单轴压缩声发射检测结果(100 ℃)
Fig.8 Coal sample C16 acoustic emission test results of uniaxial compression (100 ℃)
由图7可以看出:常温25 ℃时C13煤样单轴压缩过程中的声发射特征，在加载初期压密和弹性阶段出现能量较低的声发射事件，声发射信号幅值、计数和能量较少。可以理解为完整性较好的坚硬煤样在较低的应力作用下不足以形成新微裂纹，只是内部某些原始微裂纹闭合，闭合过程及闭合裂纹之间发生滑移，粗糙面咬合破坏都会产生能量较低声发射事件，此阶段的声发射信号幅值、计数和能量的累计值与时间大致呈线性关系，曲线斜率相对较缓。
继续增加应力进入屈服阶段，表现出煤样内部初步损伤发展过程，煤样内部微裂纹逐渐产生，此阶段发射事件开始趋于活跃，声发射的幅值、计数和能量明显增加，其中瞬时幅值达到7.55×104 mV，可以作为判定煤样破坏的前兆。当继续施加应力接近煤样峰值强度进入破阶段，煤样内部新生微裂纹发生聚合、贯通，导致了宏观破裂面的形成承载结构逐渐破坏。此阶段的声发射活动异常活跃，破坏时声发射的瞬时幅值、计数和能量均达到最大值，分别达到7.35×103 mV，8.8×103次/s和86.31×103 mV·ms。而后煤样内部沿某破裂面产生宏观滑移，在滑移过程中由于摩擦作用产生环向拉应力导致张拉破裂，随着变形增加张拉片状分次折断导致应力台阶跌落，在每次应力跌落前仍然会产生能量较大的声发射事件，声发射的幅值、计数和能量与峰值时大致相当。此阶段的声发射幅值、计数和能量的累计值与时间曲线发生转折，累计曲线斜率相对陡峭，台阶跌落期间还会出现跳跃式上升。
由图8中可以看出:经历100 ℃高温后煤样C16单轴压缩过程中的声发射特征。在加载初期压密出现能量较低的声发射事件，声发射信号幅值、计数和能量较少。继续施加应力进入弹性阶段闭合裂纹之间发生滑移，粗糙面咬合破坏也会产生能量较低声发射事件，此压密和弹性阶段声发射的信号幅值、计数和能量累计值与时间大致呈线性关系，曲线斜率相对较缓。
当继续增加应力进入屈服阶段煤样内部初步损伤发展过程，煤样内部微裂纹逐渐产生，此阶段的声发射事件开始趋于活跃，声发射幅值、计数和能量明显增加，其值分别达到8.31×103 mV，5.83×103次/s和12.82×103 mV·ms。声发射的幅值、计数和能量累计值与时间曲线发生转折，转折点大约在峰值强度80%处，曲线斜率相对陡峭。峰值后3次应力台阶跌落期间也会产生能量较大的声发射事件，声发射瞬时幅值、计数与峰值前大致相当，而声发射瞬时能量达到34.33×103 mV·ms，超过峰值前的2.67倍，声发射的幅值、计数和能量的累计值与时间曲线出现跳跃式上升，同时发现声发射的幅值、计数和能量最大值并非同时发生。
图9 煤样C22单轴压缩声发射检测结果(200 ℃)
Fig.9 Coal sample C22 acoustic emission test results of uniaxial compression (200 ℃)
图10 煤样C33单轴压缩声发射检测结果(300 ℃)
Fig.10 Coal samples C33 under uniaxial compression acoustic emission test results (300 ℃)
图11 煤样C24单轴压缩声发射检测结果(400 ℃)
Fig.11 Coal sample C24 acoustic emission test results of uniaxial compression (400 ℃)
由图9～11可以看出:经历200～400 ℃高温后煤样单轴压缩过程中的声发射特征。在加载初期压密和弹性阶段煤样C22,C33和C24单轴压缩过程中的声发射特征大致相同，表现出的声发射信号幅值、计数和能量相对较少。
当继续增加应力进入屈服阶段煤样内部初步损伤发展过程，煤样内部微裂纹逐渐产生，此阶段的声发射事件开始非常活跃，声发射幅值、计数和能量大幅度增加，幅值尤为明显，这点从声发射幅值的累计值与时间曲线大致到峰值强度的70%开始转折，曲线斜率逐渐增加，而声发射计数和能量的累计值转折大致在峰值应力的95%左右出现，如图9所示，在峰值点前声发射幅值、计数和能量快速增加。其中，经历200 ℃高温后煤样C22声发射瞬时幅值、计数和能量分别达到8.62×103 mV，9.6×104次/s和52.70×104 mV·ms;经历300 ℃高温后煤样C33声发射幅值、计数和能量分别达到8.77×103 mV，21.65×103次/s和10.45×104 mV·ms;经历400 ℃高温后煤样C24声发射瞬时幅值、计数和能量分别达到7.63×103 mV，10.28×104次/s和6.49×105 mV·ms。
当继续施加应力至煤样峰值强度进入破坏阶段，煤样内部宏观破裂面的形成承载结构逐渐破坏。此阶段的声发射活动异常活跃，破坏瞬时声发射计数和能量均达到最大值，尤其是经历200 ℃高温后煤样C22声发射瞬时计数和能量分别达到12.25×104次/s和75.80×104 mV·ms;经历300 ℃高温后煤样C33声发射瞬时计数和能量分别达到81.35×103次/s和31.09×104 mV·ms;峰值后的声发射的信号幅值、计数和能量的累计值与时间曲线发生突变，曲线斜率非常陡峭，如图9～11所示。
由图12经历500 ℃煤样C37单轴压缩过程中声发射特征。与经历400 ℃以内其他煤样相比，经历500 ℃煤样C37在加载峰值前始终能量较低的声发射事件，声发射信号幅值、计数和能量值明显偏低。只有当继续施加应力至煤样峰值强度进入破坏阶段，煤样内部宏观破裂面的形成承载结构逐渐破坏，此阶段的声发射活动才异常活跃，破坏瞬时声发射计数和能量达到最大值，煤样C37峰值后的声发射瞬时幅值、计数和能量分别达到8.15×103 mV，20.79×104次/s和16.42×105 mV·ms，峰值后的声发射计数和能量的累计值与时间曲线发生突变，过峰值后曲线又趋于平缓，而声发射幅值累计值与时间曲线持续走高。
由图7～12分析不难发现，经历不同高温后煤样单轴压缩变形破坏过程中始终伴随着声发射信息，声发射幅值、计数、能量和应力-时间曲线具有较好地对应关系，不同高温后煤样单轴压缩变形破坏过程中声发射特征存在差异，声发射的幅值、计数和能量最大值并非同时发生。声发射累计幅值与时间曲线转折点早于累计计数和能量曲线转折点，且随着温度增加累计幅值与时间曲线转折点提前，而累计计数和能量曲线转折点推迟现象。
图13为经历25～500 ℃高温后所有煤样单轴压缩过程中声发射幅值、计数和能量的累计平均值与温度的关系。由于煤样自身非均与各向异性明显，使得试验结果存在一定离散性，由图13和表1中仍然可以看出:高温后煤样在单轴压缩加载整个过程中声发射幅值、计数和能量的累计值与温度具有一定统计规律，不过声发射各参数之间存在差异，声发射参数与温度具有分段特征。
图12 C37煤样单轴压缩声发射检测结果(500 ℃)
Fig.12 Coal sample C37 acoustic emission test results of uniaxial compression (500 ℃)
由图13(a)可以看出:经历25～500 ℃高温后煤样单轴压缩过程中声发射累计幅值随温度升高先增加后降低，经历100 ℃高温后温度对煤样的声发射累计幅值影响较大，在100～300 ℃以内温度对声发射累计幅值影响差别不大，超过300 ℃以后累计幅值呈现降低趋势。与常温相比，经历100,200,300,400和500 ℃高温后煤样声发射累计幅值的平均增幅分别为188%,226%,214%,25%和45%。
由图13(b)可以看出:在经历300 ℃以内煤样累计平均计数随温度升高而增加，两者大致呈线性关系。从300 ℃升温到400 ℃温度时声发射的平均累计计数迅速降低，从400 ℃升温到500 ℃温度时对声发射累计平均计数影响差别不大。与常温相比，经历100,200,300,400和500 ℃高温后煤样声发射累计计数的平均增幅分别为65%,144%,191%,38%和53%。
由图13(c)可以看出:煤样声发射累计平均能量随温度变化较为复杂，两者具有波动性，与常温相比，与经历200～300 ℃高温后煤样累计能量稍有增加，其累计能量平均增幅在3%以内;而经历100,400和500 ℃高温后煤样累计能量有所降低，其平均累计能量降幅分别为33%，39%和38%。
图14中给出了经历高温后煤样单轴抗压强度与声发射累计幅值、计数和能量的关系。由表1和图6中可以看出:经历100,200,300,400和500 ℃高温后煤样抗压强度随温度升高呈非线性降低。而由图14(a)可以看出:常温状态下C15煤样与经历300 ℃高温后C31煤样相比，其抗压强度分别为64.2和9.06 MPa，抗压强度相差约7倍，而声发射累计幅值分别为1.83×106和9.25×106 mV，后者却是前者的5倍。
图13 高温后煤样单轴压缩声发射参数与温度的关系
Fig.13 Relationship between the parameters and temperature of the single axial compression acoustic emission
图14 高温后煤样单轴抗压强度与声发射累计幅值、 计数和能量的关系
Fig.14 Relationship between the compressive strength and acoustic emission accumulative amplitude,count and energy
图14(b)常温状态下C15煤样与经历500 ℃高温后C42煤样相比，其抗压强度分别为64.2和16.42 MPa，抗压强度相差约3.9倍，而声发射累计计数分别为0.98×106和4.68×106次/s，累计计数前者却是后者约4.8倍。再如图14(c)所示常温状态下C15煤样与经历500 ℃高温后C36煤样相比，其抗压强度分别为64.42和1.25 MPa，抗压强度相差约51倍，而声发射累计能量分别为7.96×106和0.46×106 mV·ms，前者却是后者的17.3倍。上述分析可见高温后煤样单轴压缩过程中抗压强度与声发射累计幅值、计数和能量没有确定关系，抗压强度和声发射参数是煤样破坏不同属性反映。
3 讨 论
为了进一步探讨经历高温作用对煤样的力学性质和声发射特征的影响机制。利用试验后的碎煤块采用JSM-6390 LV电镜对煤样进行了微观结构扫描，扫描结果如图15所示，图中照片在放大1 500倍的情况下扫描显示。
图15 高温后煤样微观结构特征
Fig.15 Microstructure characteristics of coal samples after high temperature
由图15(a)可以看出，常态25 ℃时煤样完整较好，表面光滑平整，未发现明显节理和裂隙，局部断裂破口处清晰。这与图4(a)中压密阶段(和图7中)声发射特征不明显，煤样抗压强度高、弹性模量大以及强脆性特征相吻合。
由图15(b)显示出经历高温100 ℃后显示煤样破口表面相对粗糙，显示有颗粒状，局部出现微观裂隙，裂隙间贯通性较差，由图15(c)显示出经历高温200 ℃时煤样完整性较差，破口表面凸凹不平相对粗糙，空隙和裂隙较发育，局部有空洞出现，裂隙数量增多，裂隙宽度和长度加大，贯通性增加，密实程度有所增加，反映出高温后压密阶段明显，主体承载骨架的承载能力变差。由图15(d)显示出经历高温300 ℃后可以观察煤样破口出现不同程度非规则孔洞，微裂隙明显产生，且数量增多，裂隙宽度和长度加大，贯通性增加。由图15(e)显示出经历高温400 ℃后可以观察煤样破口完整性较差，局部出现针状和片状结构，微观裂隙数量进一步增多，裂隙数量增多，裂隙加宽、长度加长，贯通性增大。由图15(f)显示出经历高温500 ℃后可以观察煤样破口裂隙纵横交错，将煤样分割不同颗粒状，完整性极差。上述分析表明随着温度的升高煤样内部的微裂隙增多、裂隙宽度和长度加大贯通性增加、完整性变差。
可见煤样经历100～500 ℃高温作用后煤样结构发生了变化，煤样内部裂隙数目和尺度随温度增加而增加，使其煤样的承载和抗变形能力进一步降低，加载破坏过程中煤样内部的微裂隙闭合、滑移和扩展产生的声发射特征有所不同。高温作用后煤样内部结构变化是导致煤样力学性质劣化的原因。
4 结 论
(1)煤样在单轴压缩过程中可分为压密、弹性、屈服和破坏4个阶段，经历不同高温后应力-应变曲线特征有所不同，经历温度越高压密和屈服阶段更加明显，应力-应变曲线趋于平缓，煤样峰值强度和变形特征差异性变大，峰值后应力跌落速度有所减缓。
(2)煤样单轴压缩弹性模量、抗压强度随温度升高呈非线性降低。在100和500 ℃高温后对煤样弹性模量、抗压强度影响较大，在100～400 ℃高温，高温对煤样弹性模量、抗压强度的影响作用相差不大。温度对煤样泊松比的影响与上述规律有所不同，在25～400 ℃高温，随着温度升高煤样泊松比大致呈线性降低，在500 ℃高温后煤样的泊松比有所增加。
(3)煤样单轴压缩变形破坏过程中始终伴随着声发射信息，声发射幅值、计数、能量和应力-时间曲线具有较好地对应关系，不同高温后煤样单轴压缩变形破坏过程中声发射特征存在差异，声发射的幅值、计数和能量最大值并非同时发生，声发射累计幅值与时间曲线转折点早于累计计数和能量曲线转折点，且随着温度增加累计幅值与时间曲线转折点提前，而累计计数和能量曲线转折点推迟现象。
(4)煤样在单轴压缩加载整个过程中声发射累计幅值、计数和能量与温度具有一定统计规律，不过声发射各参数之间存在差异，声发射参数与温度具有分段特征。累计幅值和计数随温度升高先增加后降低，累计能量随温度变化具有波动性。
(5)煤样抗压强度与声发射累计幅值、计数和能量之间没有确定关系，声发射参数和抗压强度是煤样破坏不同属性反映。经历100～500 ℃高温作用后煤样内部结构变化是导致煤样力学性质劣化的缘故。
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