張春會(huì) 李偉龍 王錫朝 王來貴 李和萬

摘要：為分析液氮作用下煤的致裂機(jī)理，對(duì)原煤煤樣開展了液氮溶浸實(shí)驗(yàn)。利用激光顯微鏡觀測液氮溶浸前后煤樣的原生裂隙擴(kuò)展和新裂隙萌生情況，利用斷裂力學(xué)理論分析液氮溶浸下煤樣原生裂隙的擴(kuò)展機(jī)制。研究結(jié)果表明：1）液氮作用引起煤內(nèi)溫度拉應(yīng)力和應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子超過煤原生裂隙的斷裂韌度時(shí)，煤樣原生微裂隙擴(kuò)展；2）溫度拉應(yīng)力使得原生裂隙周圍強(qiáng)度不大的顆粒團(tuán)拉破壞、脫落，破壞了煤樣的結(jié)構(gòu)，并引起新的微裂隙萌生；3）液氮作用時(shí)間對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子有很大的影響，隨著作用時(shí)間增加，溫度梯度增大，裂隙的應(yīng)力強(qiáng)度因子增加，煤更易發(fā)生斷裂。

關(guān)鍵詞：煤田地質(zhì)學(xué)；液氮作用；原生裂隙；應(yīng)力強(qiáng)度因子；裂隙擴(kuò)展

中圖分類號(hào)：TU443文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Research of fracturing mechanism of coal subjected to

liquid nitrogen cooling

ZHANG Chunhui1， LI Weilong1， WANG Xizhao1， WANG Laigui2， LI Hewan2

（1.School of Civil Engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China； 2.School of Mechanics and Science Engineering， Liaoning Technical University， Fuxin， Liaoning 123000， China）

Abstract： In order to research fracturing mechanism of coal subjected to liquid nitrogen cooling， submersion tests of liquid nitrogen for natural coal samples are carried out. A laser microscope is employed to observe the extension of native crack and propagation of cracks of coal samples after thermal shock. Then the fracture mechanics theory is used to analyze the extension mechanism of the crack during thermal shock. The main conclusions include： 1） Liquid nitrogen cooling causes temperature tensile stress and the stress concentration. When the stress intensity factor is more than the fracture toughness of coal native crack， the native crack will extend. 2） The temperature tensile stress makes the particle clusters with low tensile strength around the native crack fail and break off， and the destruction of the structure of the coal sample causes microcrack initiation. 3） There is a great effect of cooling time on the stress intensity factor. With the increasing of the temperature gradient and the cooling time， the stress intensity factor increases， with more susceptibility for coal to rupture.

Keywords：coal geology； liquid nitrogen cooling； native fissures； stress intensity factor； crack extension

收稿日期：2015-03-28；修回日期：2015-04-17；責(zé)任編輯：馮民

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（51274079，51274110）；河北省自然科學(xué)基金（E2013208148）

作者簡介：張春會(huì)（1976—），男，遼寧沈陽人，教授，博士，主要從事破壞巖石力學(xué)方面的研究。

E-mail：zhangchunhui789@126.com

張春會(huì)，李偉龍，王錫朝，等.液氮溶浸煤致裂的機(jī)理研究[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，36（4）：425-430.

ZHANG Chunhui， LI Weilong， WANG Xizhao，et al.Research of fracturing mechanism of coal subjected to liquid nitrogen cooling[J].Journal of Hebei University of Science and Technology，2015，36（4）：425-430.中國煤層滲透率一般在0.1×10-5～0.1×10-3 μm2，屬于低滲煤層，使用常規(guī)技術(shù)抽采低滲煤層，游離瓦斯不易快速排出，瓦斯抽采效率低，這不僅嚴(yán)重阻礙了中國煤層氣開發(fā)，增加環(huán)境污染，還引起瓦斯災(zāi)害，威脅人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。例如，山西省每年因無法有效抽采而排掉的煤層瓦斯達(dá)116億m3，相當(dāng)于1 508萬t標(biāo)煤。如能全部抽采回收利用，將少排4.7萬t的SO2，1.58萬t的NOx，少生成215萬t的灰渣，消除成百噸的汞、砷等有害物質(zhì)的排放，從而既能提供清潔的能源，又能很好地保護(hù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境。再如，由于低滲煤層瓦斯抽采困難，瓦斯災(zāi)害多發(fā)，僅2013年在貴州宏興礦、新疆白楊溝礦、江西合興礦和曲江礦等發(fā)生的瓦斯災(zāi)害就造成60多人死亡，財(cái)產(chǎn)損失巨大。因此，研究低滲儲(chǔ)層的人工致裂增透方法，是煤層氣抽采和瓦斯災(zāi)害防治中的重要問題。

河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)2015年第4期張春會(huì)，等：液氮溶浸煤致裂的機(jī)理研究 提高低滲透儲(chǔ)層滲透率，國內(nèi)外先后實(shí)驗(yàn)和研究了多種儲(chǔ)層致裂的技術(shù)方法，如松動(dòng)爆破[1-2]、水力割縫[3-5]、復(fù)合射孔[6]、采動(dòng)卸壓致裂[7]、高壓脈沖水射流割縫[8-9]、旋轉(zhuǎn)水射流沖擴(kuò)孔[10]、水力壓裂[11-14]、高壓磨料射流割縫[15]等，這些方法在一定條件下已被用于低滲煤層的致裂增透中，促進(jìn)了中國煤層氣開發(fā)，2012年中國煤層氣抽采量已增至115億m3。但目前總體上還尚未形成有效的低滲煤儲(chǔ)層致裂增透技術(shù)。煤層氣抽采量與中國埋深2 000 m以淺的36萬億m3資源儲(chǔ)量相比，開發(fā)水平還很低，實(shí)施了瓦斯抽放的礦井，瓦斯災(zāi)害也還屢有發(fā)生。

近年來，國內(nèi)外研究者對(duì)液氮冷裂砂巖、頁巖和水泥混凝土等開展了一系列實(shí)驗(yàn)和理論研究。任韶然等[16]通過實(shí)驗(yàn)研究了液氮冷沖擊前后煤巖的波速變化規(guī)律。蔡承政等[17-18]通過實(shí)驗(yàn)研究了液氮作用下巖石孔隙微觀結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律。張春會(huì)等[19]利用數(shù)值方法模擬了液氮注入鉆孔煤引起的煤壁破裂及煤壁滲透率的變化。與砂巖、頁巖等致密巖石不同，煤是一種微孔隙、微裂隙和割理都很發(fā)育的介質(zhì)體，在液氮作用下煤體內(nèi)原生微裂隙擴(kuò)展和新裂隙萌生可能是其增透的主要原因。目前，國內(nèi)外對(duì)液氮作用下煤內(nèi)原生微裂隙結(jié)構(gòu)發(fā)展的實(shí)驗(yàn)研究尚未見報(bào)道。

本文取原煤試樣開展了液氮溶浸實(shí)驗(yàn)，利用激光顯微鏡觀測液氮作用下原生裂隙結(jié)構(gòu)的變化，結(jié)合斷裂力學(xué)分析了液氮作用下煤內(nèi)原生裂隙擴(kuò)展機(jī)制，從而為液氮注入低滲煤層致裂增透方法提供理論依據(jù)。

1溶浸實(shí)驗(yàn)

從遼寧阜新王營子礦取大塊煤樣，按40 mm×40 mm×40 mm尺寸切制試件，干燥后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)的基本過程如下：

1）在煤樣表面選擇平坦、光滑的表面標(biāo)注直徑為1.5 mm的觀測位置，并注明觀測方向。

2）如圖1所示，將煤樣置于激光共聚焦顯微鏡OLYMPUS OLS4000下，調(diào)整放大倍數(shù)和焦距，可獲取煤樣微觀結(jié)構(gòu)圖片。

3）將煤樣小心置于雙層真空保溫盒內(nèi)，緩慢注入液氮，浸沒煤樣后封蓋，浸泡40 min，如圖2所示。

4）揭開封蓋，取出煤樣，再次置于激光共聚焦顯微鏡下觀測。

圖1激光共聚焦顯微鏡觀測

Fig.1Observation by laser confocal microscope （LCM）

圖2煤樣液氮溶浸

Fig.2Coal samples cooled by liquid nitrogen

圖3液氮溶浸前微觀結(jié)構(gòu)圖（200倍）

Fig.3Coal sample structure scanned by LCM in its initial state （200 magnification）

圖4液氮溶浸后煤樣微觀結(jié)構(gòu)圖（200倍）

Fig.4Coal sample structure scanned by LCM after being cooled in liquid nitrogen （200 magnification）

通過實(shí)驗(yàn)獲得煤樣液氮溶浸前后的微觀結(jié)構(gòu)如圖3和圖4所示。從圖3可以看出，煤是一種天然地質(zhì)體，在煤樣表面有原生微裂隙結(jié)構(gòu)。液氮溶浸煤樣后，煤樣的微觀結(jié)構(gòu)特別是微裂隙發(fā)生了變化。圖3和圖4中實(shí)線是裂隙的外包絡(luò)線，利用外包絡(luò)線可計(jì)算裂隙面積。

對(duì)比圖3和圖4可以看出，液氮作用后煤樣微裂隙發(fā)生了擴(kuò)展，裂隙面積增加，A煤樣裂隙面積增加了67%，B煤樣裂隙面積增加了182%。通過微觀觀測結(jié)果還可以看出，裂隙內(nèi)局部強(qiáng)度不大的顆粒團(tuán)在液氮冷卻作用下脫落，煤樣微結(jié)構(gòu)破壞。

液氮冷卻作用下煤樣微結(jié)構(gòu)之所以發(fā)生這樣的變化，主要是由于：1）液氮冷卻使得固體顆粒收縮，煤樣孔隙或微裂隙的空間擴(kuò)大；2） 液氮冷卻引起的拉應(yīng)力，使得原生微裂隙擴(kuò)展，甚至擴(kuò)展失穩(wěn)，形成更大的裂隙；3）溫度拉應(yīng)力使得微裂隙局部強(qiáng)度不大的顆粒團(tuán)拉破壞、脫落，這進(jìn)一步破壞了煤樣的結(jié)構(gòu)，使得新的微裂隙萌生。

綜上可見，液氮作用使得煤樣的原生裂隙擴(kuò)展和煤樣局部破裂。

2液氮冷卻下煤原生裂隙擴(kuò)展的力學(xué)分析

本文利用斷裂力學(xué)理論分析液氮作用下煤裂隙的擴(kuò)展機(jī)制。

當(dāng)煤樣溶浸于液氮內(nèi)時(shí)，煤樣表面首先與液氮接觸，并先發(fā)生溫度變化，而后煤樣內(nèi)的溫度也逐漸發(fā)生變化。

假設(shè)在煤表面有一原生微裂隙，長度為2b，寬度為a，如圖5所示。假設(shè)微裂隙尺寸與煤相比很小，可視作半無限空間上的微裂隙。在煤表面遭受液氮冷卻，則煤內(nèi)任一點(diǎn)的溫度降T（x，t）可表示為[20]T（x，t）Δerfx2κt+exp（hx+h2κt）×erfcx2κt+hκt，（1）式中：Δ為煤表面溫度降；h=H/k，其中H為表面換熱系數(shù)，k為熱傳導(dǎo)系數(shù)；κ為熱擴(kuò)散率。

令無量綱時(shí)間τ=hκt，無量綱距離λ=hx，則：T（τ，λ）Δerfλ2τ+exp（λ+τ2）×erfcλ2τ+τ。（2）式中T（τ，λ）Δ為相對(duì)溫度。

取H=100 W/（m2·℃），k=0.8 W/（m2·℃），則h=125。繪制相對(duì)溫度T（τ，λ）Δ與無量綱參數(shù)τ和λ的關(guān)系如圖6所示。

圖5液氮冷卻煤裂隙分析示意圖

Fig.5Analysis sketch of fractured coal subjected

to liquid nitrogen cooling

圖6T（τ，λ）Δ與無量綱參數(shù)τ和λ的關(guān)系

Fig.6Relationship between T（τ，λ）Δ and τ and λ

從圖6可以看出，隨著無量綱時(shí)間τ增加或與表面的距離λ減小，T（τ，λ）Δ或溫度降逐漸增加。

若忽略x方向的應(yīng)力，在y和z方向由于溫度改變而引起的應(yīng)力為σ=αE（Δ-T）（1-ν）， （3）式中：α為熱膨脹系數(shù)；E為彈性模量；ν為泊松比。

圖7KI（τ）/C與τ關(guān)系曲線

Fig.7Curve of KI（τ）/C and τ于是，液氮冷卻下煤裂隙的應(yīng)力強(qiáng)度因子可表示為[9]KI（t）=2.24πa∫a0σ（x，t）（a2-x2）0.5dx。 （4）定義無量綱裂隙寬度β=ah和θ=T/Δ，式（4）可寫為KI（τ）=Cβ∫β01-θ（τ，λ）（β2-λ2）0.5dλ， （5）式中C=2.24EαΔπh（1-ν）。

令煤樣初始溫度為20 ℃，E=2 600 MPa，ν=0.2，α=10-5，h=125，Δ=176 ℃，利用式（5）繪制不同裂隙寬度下KI（τ）/C與τ關(guān)系曲線如圖7所示。

從圖7可以看出，冷卻時(shí)間對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子有很大的影響。隨著冷卻時(shí)間增加，溫度梯度增大，裂隙的應(yīng)力強(qiáng)度因子增加，并向斷裂韌度靠近。液氮冷卻作用下，煤裂隙擴(kuò)展的機(jī)理是：當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子與斷裂韌度相等時(shí)，煤裂隙發(fā)生擴(kuò)展；若應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)不到裂隙的斷裂韌度，煤裂隙不擴(kuò)展。

裂隙寬度對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響較為復(fù)雜，裂隙寬度增加或減小是否有利于裂隙擴(kuò)展，與斷裂韌度的值有關(guān)，具體可參考圖7進(jìn)行分析。例如，按圖7中所示的斷裂韌度線可以看出，相比于a=1.0 mm的裂隙，a=0.1 mm的裂隙經(jīng)過更短的時(shí)間就可發(fā)生斷裂。

3結(jié)語

本文對(duì)原煤樣開展了液氮溶浸實(shí)驗(yàn)，利用激光顯微鏡觀測液氮溶浸前后煤樣的原生裂隙擴(kuò)展和新裂隙萌生的情況，利用斷裂力學(xué)理論分析了液氮冷卻煤樣原生裂隙的擴(kuò)展機(jī)制和煤滲透率的增長機(jī)理，通過研究主要得到如下結(jié)論。

1）液氮作用引起溫度拉應(yīng)力和應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子超過煤裂隙的斷裂韌度時(shí)，煤樣原生微裂隙擴(kuò)展。

2）溫度拉應(yīng)力使得微裂隙局部強(qiáng)度不大的顆粒團(tuán)拉破壞、脫落，破壞了煤樣的結(jié)構(gòu)，使得新的微裂隙萌生。

3）冷卻時(shí)間對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子有很大的影響。隨著冷卻時(shí)間增加，溫度梯度增大，裂隙的應(yīng)力強(qiáng)度因子增加，煤更易發(fā)生斷裂。

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