液氮凍結(jié)和凍融循環(huán)作用下煤樣力學特性試驗研究

楚亞培 ，張東明 ，楊 瀚 ，劉 恒 ，吳旭陽 ，申 通 ，翟攀攀

（1.河南城建學院 土木與交通工程學院, 河南 平頂山 467000；2.重慶大學 煤礦災(zāi)害動力學與控制國家重點實驗室, 重慶 400044；3.重慶大學 資源與安全學院, 重慶 400044；4.煉焦煤資源綠色開發(fā)全國重點實驗室，河南 平頂山 467000）

0 引 言

我國的煤層氣資源儲量豐富，埋藏在2 000 m 以淺的煤層氣地質(zhì)資源量為36.8 萬億m3[1]，安全、高效、清潔開采利用煤層氣可以優(yōu)化我國能源結(jié)構(gòu)，同時也可以有效減少煤礦瓦斯災(zāi)害事故。然而，由于我國的煤田地質(zhì)條件復雜，煤儲層普遍具有低孔、低滲、低含氣飽和度和高非均質(zhì)的“三低一高”的特征，導致我國的煤層氣抽采效率較低[2-3]。為了提高煤層氣抽采效率，通常采用水力壓裂技術(shù)以提高煤儲層的滲透率，但水力壓裂需要大量水資源，并且可能會造成水鎖傷害影響整體抽采效果[4]。近年來，隨著致裂增滲技術(shù)的發(fā)展，以液氮作為介質(zhì)的無水致裂增滲技術(shù)受到國內(nèi)外研究學者的關(guān)注。

關(guān)于煤巖在液氮低溫環(huán)境下的損傷特性，國內(nèi)外學者已經(jīng)開展了大量的研究。任韶然等[5]分析了液氮對煤巖冷沖擊的作用機制，建立冷縮應(yīng)力的計算模型，并對煤巖進行了冷沖擊試驗，發(fā)現(xiàn)液氮冷沖擊能夠?qū)е旅簬r產(chǎn)生熱應(yīng)力裂隙，導致煤巖的波速大幅下降。楊睿月等[6]采用CT 掃描和原子力顯微鏡對液氮冷浸前后煤巖的孔隙變化進行了研究，發(fā)現(xiàn)液氮冷浸能夠造成煤巖孔隙數(shù)量增多和孔隙尺寸增大。張春會等[7-9]對飽水煤樣進行液氮凍融循環(huán)試驗，并分析了液氮凍融循環(huán)后煤樣的波速、彈性模量、抗壓強度和泊松比等力學參數(shù)的變化，發(fā)現(xiàn)液氮凍結(jié)能夠損傷煤樣的結(jié)構(gòu)，造成力學性能劣化。李和萬等[10-13]對不同節(jié)理、不同含水飽和度、不同初始溫度、不同圍壓及不同低溫環(huán)境下煤樣進行冷加載實驗，采用激光共聚焦顯微鏡、超聲波檢測分析儀及CT 掃描對煤樣裂隙寬度變化、波速衰減和孔隙率進行了研究，分析了冷加載作用下煤樣的結(jié)構(gòu)損傷演化規(guī)律。魏建平等[14]利用恒溫箱和液氮對原煤進行了溫度沖擊試驗，分析了煤樣滲透率變化和微裂隙發(fā)育狀況，指出在溫度沖擊的過程中由于煤體的各向異性產(chǎn)生的熱應(yīng)力是主要的增透機制。王登科等[15-17]對煤樣進行溫度沖擊試驗，并采用掃描電鏡、CT、壓汞和氮吸附對溫度沖擊前后的煤樣的孔隙裂隙結(jié)構(gòu)進行了聯(lián)合表征，并采用ANSYS 對煤樣的斷裂機制進行分析，結(jié)果表明溫度沖擊能夠造成煤樣的大孔相互連接從而形成宏觀裂隙。翟成和秦雷[18-21]采用核磁共振對不同煤階，不同含水率和不同液氮凍結(jié)條件下煤樣的孔隙結(jié)構(gòu)演化規(guī)律進行了研究，分析煤樣的孔隙率、滲透率和裂隙演化特征。楚亞培[22-23]采用核磁共振和壓汞相結(jié)合的方法對不同液氮凍結(jié)時間和凍融循環(huán)次數(shù)下煤樣的孔隙演化規(guī)律進行了研究，分析了液氮凍結(jié)和凍融循環(huán)后煤樣的滲透率演化特征。張磊[24-25]對不同含水率和不同煤階的煤樣進行液氮溶浸處理，并對液氮溶浸后煤樣進行滲透率測試，發(fā)現(xiàn)液氮溶浸能夠顯著的提高煤樣的滲透率。

目前研究主要集中在液氮凍結(jié)對煤樣的孔隙結(jié)構(gòu)和滲透特性的影響，而液氮凍結(jié)后煤樣力學特性的變化研究較少，由于煤樣的力學特性與變形破壞密切相關(guān)，且間接影響到煤樣的滲透特性，因此有必要對液氮凍結(jié)后煤樣的力學特性進行研究，此外，在液氮凍結(jié)過程中，液氮與煤樣發(fā)生熱量傳遞導致煤樣的溫度降低，由于煤顆粒的熱傳導系數(shù)不同導致在溫度傳遞的過程中產(chǎn)生熱應(yīng)力，造成煤樣的孔隙、裂隙結(jié)構(gòu)損傷，而液氮凍結(jié)后煤樣的溫度分布特征鮮有人進行研究。因此，筆者借助紅外熱成像儀對液氮凍結(jié)過程中煤樣表面的溫度分度特征進行了監(jiān)測。此外，對液氮凍結(jié)和凍融循環(huán)后的煤樣進行單軸壓縮和聲發(fā)射測試，研究液氮凍結(jié)和凍融循環(huán)對煤樣力學特性的影響，并對液氮損傷作用煤體機理進行分析，以期為液氮致裂增滲煤體技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 試驗設(shè)備及方案

1.1 樣品準備

試驗煤樣取自四川杉木樹煤礦，煤樣從工作面取回后沿著垂直層理方面鉆取，然后將煤樣切割打磨成高度為100 mm，直徑為50 mm 的圓柱標準試樣，如圖1 所示，將試樣的端面平整度控制在0.05 mm以內(nèi)，為避免試驗樣品的離散性，試驗所選用的煤樣取自同一塊原煤，并且煤樣的表面無明顯裂隙分布，煤樣的工業(yè)分析和鏡質(zhì)組反射率見表1。

表1 試驗煤樣基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of test coal samples%

圖1 標準煤樣Fig.1 Standard coal samples

1.2 試驗裝置

試驗采用AG-250kN IS 高精度電子材料萬能材料試驗機，試驗裝置如圖2 所示，試驗采用位移加載的方式，加載速率為0.1 mm/min。加載過程中采用PCI-2 聲發(fā)射儀對聲發(fā)射信號進行采集，為消除試驗過程中噪音的影響，本次試驗的監(jiān)測門檻值設(shè)置為40 dB，系統(tǒng)采樣頻率范圍為1 ～3 000 kHz。

圖2 試驗裝置Fig.2 Experimental equipment

1.3 試驗方案

首先采用I-RPT 巖石聲波測速儀對煤樣的波速進行測試，然后利用液氮罐和杜瓦瓶對煤樣進行液氮凍結(jié)和凍融循環(huán)處理，液氮凍結(jié)時間分別為60、120、180、240 和360 min，液氮凍融循環(huán)次數(shù)分別為2、4、6、8、10、12 次，其中每次凍融循環(huán)包括30 min 液氮凍結(jié)和30 min 室溫融化，在凍結(jié)過程中采用FLIR T660 紅外熱成像儀觀測煤樣的表面溫度分布。液氮凍結(jié)和凍融循環(huán)后，再次利用巖石聲波測速儀對煤樣的波速再次進行測試，波速測試完畢后，對煤樣進行單軸加載試驗，測得煤樣的力學性能和加載過程中的聲發(fā)射信號。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 煤樣波速變化狀況

煤樣的縱波波速變化如圖3 所示，煤樣的波速隨液氮凍結(jié)時間和凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小，經(jīng)過360 min 和12 次凍融循環(huán)后，煤樣的波速分別下降了58.2%和64.7%，這是由于液氮凍結(jié)和凍融循環(huán)會造成煤體孔隙、裂隙結(jié)構(gòu)的損傷，導致孔隙和裂隙擴展連通產(chǎn)生次生裂隙，阻礙了超聲波在煤樣中的傳播。煤樣在最初的液氮凍結(jié)和凍融循環(huán)階段，波速下降并不明顯，表明煤樣在最初的液氮凍結(jié)和凍融循環(huán)階段損傷并不嚴重，隨著液氮凍結(jié)時間和凍融循環(huán)次數(shù)的增加，煤樣的損傷程度加重，裂隙密度增加，阻礙了超聲波傳播，導致煤樣的波速下降增加。

圖3 煤樣的縱波波速變化Fig.3 Change of P-wave velocity of coal sample

2.2 煤樣的溫度分布特征

不同液氮凍結(jié)時間后煤樣的溫度分布特征如圖4 所示，由于煤樣與液氮接觸后發(fā)生熱量傳遞，導致煤樣溫度降低。液氮凍結(jié)10 s 后，煤樣的溫度總體呈現(xiàn)兩端溫度低而中心溫度高，后續(xù)軟件測量得知煤樣的中心溫度為14 ℃，而最外側(cè)的溫度為-23 ℃，隨著液氮凍結(jié)時間的增加，煤樣的溫度逐漸降低，經(jīng)過180 s 凍結(jié)后，煤樣的低溫分布區(qū)域趨于均勻，溫度已經(jīng)下降至-60 °C 以下。

圖4 液氮凍結(jié)后煤樣的表面熱成像圖像Fig.4 Infrared thermal images of coal sample after being frozen by liquid nitrogen

為更好對液氮凍結(jié)后煤樣的表面溫度分布特征進行研究，對液氮凍結(jié)180 s 后煤樣的表面設(shè)置3 條測線，對測線上煤樣的表面溫度分布進行研究，如圖5 所示，液氮凍結(jié)180 s 后，煤樣3 條測線上的溫度分布總體呈現(xiàn)出高-低-高的分布規(guī)律，3 條測線上的溫度降至-30 °C 以下，煤樣中心的溫度下降至-60 °C 以下，并且煤樣中心處溫度呈波動分布，這是由于煤由不同的煤顆粒和膠結(jié)物組成，不同煤顆粒的熱傳導系數(shù)不同，導致煤樣產(chǎn)生溫度梯度，溫度梯度的形成會導致熱應(yīng)力的產(chǎn)生，當熱應(yīng)力超過煤體抗拉強度時，微裂隙便會沿煤顆粒連接處的薄弱面擴展延伸產(chǎn)生宏觀裂隙。

圖5 液氮凍結(jié)180 s 后煤樣的表面內(nèi)溫度分布Fig.5 Temperature distribution coal samples under frozen 180 s by liquid nitrogen

2.3 煤樣的力學性能演化

不同液氮凍結(jié)時間和凍融循環(huán)次數(shù)下煤樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖6 所示，由圖6 可以看出，煤樣在單軸加載過程中經(jīng)歷了初始壓密、彈性變形、塑性階段和破壞階段4 個漸進階段。在加載初期，煤樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線總體上呈非線性變形，曲線呈上凹狀，這與煤樣裂隙在加載過程中的閉合有關(guān)。隨著應(yīng)力逐漸增大，煤樣進入彈性變形階段，在此階段中，應(yīng)力-應(yīng)變曲線近似于線性變形。隨著煤樣的裂隙不斷擴展連通，煤樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線逐漸偏離線性，進入屈服階段，煤樣產(chǎn)生塑性變形，直至達到峰值強度。最后，煤樣進入破壞階段，隨著應(yīng)力的跌落，煤樣的表面產(chǎn)生宏觀裂隙面。從煤樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以看出，隨著液氮凍結(jié)時間和凍融循環(huán)次數(shù)的增加，煤樣在初始壓密階段的非線性逐漸增強，表明液氮凍結(jié)和凍融循環(huán)對煤樣造成了損傷，即煤樣內(nèi)部產(chǎn)生了更多的裂隙。經(jīng)過360 min 液氮凍結(jié)和12次凍融循環(huán)后，煤樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線產(chǎn)生明顯應(yīng)力突變點，這是由于煤樣在加載過程中沿著軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生了多次局部破裂。此外，液氮凍結(jié)和凍融循環(huán)對煤樣的破壞階段影響并不顯著，煤樣在峰值應(yīng)力后幾乎都出現(xiàn)了應(yīng)力跌落，表明煤樣主要以脆性破壞的形式失效。原始煤樣的單軸抗壓強度為19.1 MPa，隨著液氮凍結(jié)時間和凍融循環(huán)次數(shù)的增加，煤樣的單軸抗壓強度逐漸降低，經(jīng)過360 min 液氮凍結(jié)和12 次凍融循環(huán)后，煤樣的單軸抗壓強度分別為13.19 MPa 和12.51 MPa，分別下降了30.9%和34.9%，表明液氮凍結(jié)和凍融循環(huán)能夠造成煤體孔隙、裂隙結(jié)構(gòu)損傷，導致煤樣的單軸抗壓強度隨著液氮凍結(jié)時間和凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小。

圖6 煤樣的單軸應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.6 Uniaxial stress-strain curve of coal samples

不同液氮凍結(jié)時間和凍融循環(huán)次數(shù)下煤樣的彈性模量和孔隙率演化規(guī)律如圖7 所示。由圖7 可以看出，煤樣的彈性模量隨著液氮凍結(jié)時間和凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)降低的趨勢，彈性模量降低的主要原因是液氮凍結(jié)和凍融循環(huán)造成煤體的孔隙、裂隙結(jié)構(gòu)損傷。隨著凍結(jié)時間和凍融循環(huán)次數(shù)的增加，煤樣的損傷程度加劇，原生裂隙擴展連通形成次生裂隙，造成煤樣的整體結(jié)構(gòu)破壞，煤樣抵抗變形破壞的能力逐漸降低，導致煤樣的彈性模量逐漸降低。

圖7 煤樣的彈性模量和孔隙率演化曲線Fig.7 The evolution curve of elastic models and porosity of coal samples

煤樣孔隙率演化規(guī)律與彈性模量演化規(guī)律相反，煤樣孔隙率呈指數(shù)函數(shù)增長趨勢，孔隙率增長主要由于液氮凍結(jié)和凍融循環(huán)促進煤樣孔隙發(fā)育，孔隙半徑在液氮超低溫作用下不斷增大，孔隙連通性增強，孔隙體積逐漸增大，造成煤樣孔隙率隨著液氮凍結(jié)時間和凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增加。

液氮凍融后煤樣孔隙率增量大于液氮凍結(jié)后煤樣孔隙率增量，表明液氮凍融對煤樣的孔隙結(jié)構(gòu)損傷程度大于液氮凍結(jié)對煤樣造成的損傷。這是由于煤基質(zhì)在液氮凍融過程中周期性經(jīng)歷“收縮-膨脹”的過程，導致疲勞損傷的發(fā)生，加劇了煤體的損傷程度。此外，煤樣的裂隙中存在一定量的煤粉，在凍融的過程中伴隨水的遷移，煤粉也隨之運移，從而增強孔隙的連通性。上述2 種因素導致液氮凍融對煤樣的孔隙結(jié)構(gòu)損傷程度大于液氮凍結(jié)對煤樣的損傷程度。

2.4 煤樣的聲發(fā)射特特性

煤樣的時間-應(yīng)力曲線和聲發(fā)射特征如圖8 所示。根據(jù)煤樣的聲發(fā)射特征可以將其分為3 個階段：發(fā)展階段、活躍階段和劇烈階段。

圖8 煤樣的聲發(fā)射-應(yīng)力-時間曲線Fig.8 Curve of acoustic emissions-stress-time of coal samples

在發(fā)展階段中，由于煤樣的損傷程度較小，聲發(fā)射事件呈零星分布，且數(shù)值較小，聲發(fā)射信號主要來源于煤顆粒之間的摩擦和相互滑移。在這一階段中，經(jīng)過液氮處理后煤樣的聲發(fā)射事件多于原煤的聲發(fā)射事件，這是由于液氮凍結(jié)和凍融循環(huán)造成煤樣的孔隙和裂隙數(shù)量增多，在加載過程中孔隙裂隙壓密閉合，導致監(jiān)測的聲發(fā)射信號增多。

隨著加載進行，煤樣進入彈性和屈服階段，煤樣的損傷程度加劇，原生裂隙逐漸擴展且有少量晶體滑動，聲發(fā)射振鈴計數(shù)趨于活躍，累計聲發(fā)射振鈴計數(shù)斜率不斷上升，聲發(fā)射活動進入活躍階段。在這一階段中，由于液氮凍結(jié)和凍融循環(huán)后煤樣的孔隙率增大，煤樣聲發(fā)射幅值相對于未經(jīng)過液氮處理后煤樣的聲發(fā)射幅值減少，導致原煤的累積聲發(fā)射振鈴計數(shù)大于經(jīng)過液氮凍結(jié)和凍融循環(huán)后煤樣的聲發(fā)射振鈴計數(shù)。

隨著應(yīng)力持續(xù)增加，煤樣孔隙裂隙不斷擴展，各微小裂隙相互連通形成宏觀裂隙，導致積攢至煤樣內(nèi)部的能量大量釋放，聲發(fā)射活動進入劇烈階段。在這一階段中煤樣的聲發(fā)射振鈴計數(shù)異常活躍，出現(xiàn)激增點(圖中圓圈標注)，累積聲發(fā)射振鈴計數(shù)曲線的斜率近似于無窮大，煤樣的聲發(fā)射振鈴計數(shù)在峰值強度處達到最大值。在此階段中，經(jīng)過液氮凍結(jié)和凍融循環(huán)后煤樣的聲發(fā)射振鈴計數(shù)表現(xiàn)較為緩和，相對于原煤的最大聲發(fā)射振鈴計數(shù)要小。

煤樣最大聲發(fā)射振鈴計數(shù)和累積聲發(fā)射振鈴計數(shù)見表2。由表2 可知，原煤最大聲發(fā)射振鈴計數(shù)和累積聲發(fā)射振鈴計數(shù)的數(shù)值最高，隨著液氮凍結(jié)時間和凍融循環(huán)次數(shù)增加，煤樣的最大聲發(fā)射振鈴計數(shù)和累積聲發(fā)射振鈴計數(shù)逐漸減小，這是由于液氮的超低溫作用導致煤樣的孔隙、裂隙結(jié)構(gòu)受損，相當于賦予煤樣一定量的初始損傷，累積聲發(fā)射振鈴計數(shù)可以視作二次損傷量，初始損傷的程度越大，煤樣破壞所需的二次損傷量越小。此外，由于液氮凍結(jié)和凍融循環(huán)能夠造成煤樣孔隙和裂隙結(jié)構(gòu)損傷，導致煤樣的孔隙半徑和孔隙率增加，煤樣的含水量也隨之增加，水在煤樣裂隙的接觸面上起到了潤滑作用，減緩了應(yīng)力集中和煤樣的脆性，導致煤樣的最大聲發(fā)射振鈴計數(shù)減小。在這2 種因素的共同作用下，煤樣的最大聲發(fā)射振鈴計數(shù)和累積聲發(fā)射振鈴計數(shù)隨著液氮凍結(jié)時間和凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小。

表2 煤樣的最大聲發(fā)射振鈴計數(shù)和累積聲發(fā)射振鈴計數(shù)Table 2 Maximum acoustic ringing counts and cumulative ringing counts of coal samples

2.5 煤樣的能量演化特征

假設(shè)煤樣在加載過程與外界沒有發(fā)生熱交換，即為一閉環(huán)系統(tǒng)，試驗中外力對煤樣所做的功為U，根據(jù)熱力學第一定律，可知:

式中:Ue為煤樣的彈性能；Ud為煤樣的耗散能。

在主應(yīng)力空間中煤體單元能量為

由胡克定理，式（3）可改寫為

式中，E0為初始彈性模量；v為泊松比；σi和εi分別為煤樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線上每一點的應(yīng)力和應(yīng)變值。對于單軸壓縮試驗，總能量、彈性能和耗散能的計算公式為

通過式（5）—式（7）能夠?qū)γ簶拥目偰芰?、彈性能和耗散進行計算，對比不同液氮凍結(jié)時間和凍融循環(huán)次數(shù)下煤樣的能量演化特征，能夠揭示液氮凍結(jié)和凍融循環(huán)對煤樣造成的損傷。

圖9 為不同液氮凍結(jié)時間和凍融循環(huán)次數(shù)下煤樣在單軸加載過程中的能量演化曲線，煤樣的能量演化總體上可以分為4 個階段，即初始壓密階段、彈性變形階段、塑性變形階段、破壞階段。

圖9 煤樣總能量、彈性能和耗散能演化曲線Fig.9 Curve of total energy, elastic energy and dissipated energy of coal samples

1）初始壓密階段(OA)?？偰芰亢蛷椥阅茉谶@一階段隨著煤樣的變形呈非線性增長，耗散能隨著變形呈扁平“S”狀分布，在最初的加載階段，耗散能大于彈性能，這是由于在初始壓密階段，煤樣中的孔隙和裂隙閉合消耗了大部分能量，隨著孔隙、裂隙閉合，煤樣的有效承載面積增大，彈性能的增長速率逐漸增大，導致彈性能曲線與耗散能曲線交叉，并且在此之后彈性能的增長趨勢與總能量的增長趨勢保持一致。

2）彈性變形階段(AB)?？偰芰亢蛷椥阅茈S著應(yīng)變的增大呈線性增長趨勢，而耗散能變化不大。在這一階段，煤樣的孔隙和裂隙基本閉合，外界輸入煤樣的總能量基本全部轉(zhuǎn)化為彈性能儲存在煤樣中。

3）塑性變形階段(BC)。總能量和彈性能隨著應(yīng)變的增大繼續(xù)增長，但彈性能的增長速率逐漸降低，耗散能逐漸增長，且增長速率逐漸增大，這是由于隨著應(yīng)力的增大，輸入煤樣內(nèi)部的能量達到其儲能極限，能量通過裂隙擴展的方式轉(zhuǎn)化為耗散能，導致耗散能迅速增大。

4）破壞階段(CD)。峰值強度后，由于裂隙的擴展，儲存至煤樣內(nèi)部的彈性能由于承載能力的降低急劇釋放幾乎全部轉(zhuǎn)化為耗散能。此外，輸入煤樣的能量已經(jīng)超過煤樣的儲能極限，輸入煤樣的能量也轉(zhuǎn)化為耗散能，耗散能的急劇增加，最終耗散的能量超過彈性能。

表3 為不同液氮凍結(jié)時間和凍融循環(huán)次數(shù)下煤樣在峰值點處各能量值。由表3 可知，經(jīng)過120、240、360 min 液氮凍結(jié)后，煤樣峰值點的總能量分為別14.88、13.73、12.82 kJ/m3，相對于未凍結(jié)煤樣的總能量分別下降了16.54%、22.99%、28.1%；經(jīng)過4、8、12 次凍融循環(huán)后，峰值點的總能量為15.96、13.59、10.27 kJ/m3，分別下降了10.48%、23.78%、42.4%。由于液氮凍結(jié)和凍融循環(huán)能夠造成煤樣的初始損傷，造成煤樣承載能力降低，導致液氮凍結(jié)和凍融循環(huán)后煤樣在單軸加載過程中吸收的總能量減小。峰值點處煤樣的彈性能也隨著液氮凍結(jié)時間和凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小，經(jīng)過120、240、360 min 液氮凍結(jié)后，煤樣的彈性能降幅分別為18.92%、24.74%、27.79%；經(jīng)過4、8、12 次凍融循環(huán)后，彈性能的降幅分別為10.74%、24.67%、43.52%。峰值點處的彈性能代表了煤樣的儲能極限，反映了煤樣抵抗破壞的能力，由于液氮凍結(jié)和凍融循環(huán)造成煤樣孔隙裂隙結(jié)構(gòu)損傷，導致煤樣的儲能極限受到嚴重削弱，造成煤樣的彈性能降低。此外，由于液氮凍結(jié)和凍融循環(huán)造成煤樣的裂隙擴展，煤樣內(nèi)部的微裂隙數(shù)量越多，煤樣破壞所需的微裂隙數(shù)量越少，也就是二次損傷程度隨著液氮凍結(jié)時間和凍融循環(huán)次數(shù)的增多而減少，因此，耗散能也隨之減少。

2.6 損傷作用機理

煤是一種由煤顆粒和膠結(jié)物組成的復雜多孔介質(zhì)，煤顆粒的物理力學性質(zhì)存在明顯差異性。因此，煤體的非均質(zhì)性較強，液氮凍結(jié)和凍融循環(huán)對煤體的損傷機制主要體現(xiàn)在以下2 個方面：

1）煤體內(nèi)孔隙、裂隙中大多含有一定水分，液氮凍結(jié)后水相變結(jié)冰體積膨脹，理論上可以產(chǎn)生211.5 MPa 的凍脹力，凍脹力集中在煤體的裂隙尖端，擠壓煤基質(zhì)，導致煤基質(zhì)擴展開裂。此外，孔隙、裂隙中的冰隨著溫度的升高轉(zhuǎn)化為液態(tài)水，體積逐漸減小并對周圍的自由水產(chǎn)生吸附作用，導致煤體的含水量增加，進一步增加固態(tài)冰的體積，加劇煤體孔隙、裂隙的破壞，導致微孔隙和裂隙擴展，并最終造成煤體宏觀結(jié)構(gòu)的破壞。凍融過程中煤體的損傷如圖10 所示。

圖10 煤樣損傷示意Fig.10 Schematic of the damage analysis of coal samples

2）液氮與煤體接觸后，煤樣表面的溫度迅速降低，由于煤顆粒熱傳導系數(shù)和熱膨脹系數(shù)的差異性較大，煤顆粒在降溫和升溫的過程中變形不匹配，高膨脹系數(shù)區(qū)的煤顆粒受壓縮，低膨脹系數(shù)區(qū)的煤顆粒受拉伸，從而產(chǎn)生局部熱應(yīng)力，當熱應(yīng)力超過煤顆粒的膠結(jié)強度后，會導致膠結(jié)結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，造成煤體孔、裂隙的擴展，而孔、裂隙空間的擴展會增強煤體對自由水的吸附作用，從而加速了煤體宏觀結(jié)構(gòu)的破壞。此外，由于煤基質(zhì)在凍融循環(huán)的過程中經(jīng)歷了周期性收縮-膨脹的過程，可能會導致疲勞損傷的累加，從而削弱煤顆粒的膠結(jié)強度，造成煤體孔、裂隙損傷范圍的擴大。液氮凍融過程中煤基質(zhì)收縮-膨脹過程的損傷示意如圖10 所示。

3 結(jié) 論

1)液氮凍結(jié)會造成煤樣表面溫度降低，煤樣表面溫度分布總體呈現(xiàn)出高-低-高的分布規(guī)律，液氮凍結(jié)180 s 后，煤樣表面溫度已下降至-60 °C 以下，此外，由于煤顆粒熱傳導系數(shù)的不同，煤樣的中心處溫度呈波動分布。

2)液氮凍結(jié)和凍融循環(huán)后煤樣的單軸抗壓強度和彈性模量降低，煤樣的孔隙率則隨著液氮凍結(jié)時間和凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增加。

3)液氮凍結(jié)和凍融循環(huán)后，由于煤樣的初始損傷和水分的潤滑，導致煤樣的最大聲發(fā)射振鈴計數(shù)和累積聲發(fā)射振鈴計數(shù)隨著液氮凍結(jié)時間和凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小。

4)液氮凍結(jié)和凍融循環(huán)能夠造成煤樣承載能力降低，削弱煤樣的儲能極限，導致煤樣在峰值點處的總能量、彈性能和耗散能減少。

5)液氮凍結(jié)和凍融循環(huán)能夠損傷煤體的孔隙和裂隙結(jié)構(gòu)，導致煤樣的力學性能劣化，進而影響到煤儲層的滲透率，因此液氮致裂增滲煤體技術(shù)有望成為一種高效和清潔的致裂增滲技術(shù)。