液氮溶浸煤致裂的機理研究

張春會 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理，對原煤煤樣開展了液氮溶浸實驗。利用激光顯微鏡觀測液氮溶浸前后煤樣的原生裂隙擴展和新裂隙萌生情況，利用斷裂力學理論分析液氮溶浸下煤樣原生裂隙的擴展機制。研究結果表明：1）液氮作用引起煤內(nèi)溫度拉應力和應力集中，當應力強度因子超過煤原生裂隙的斷裂韌度時，煤樣原生微裂隙擴展；2）溫度拉應力使得原生裂隙周圍強度不大的顆粒團拉破壞、脫落，破壞了煤樣的結構，并引起新的微裂隙萌生；3）液氮作用時間對應力強度因子有很大的影響，隨著作用時間增加，溫度梯度增大，裂隙的應力強度因子增加，煤更易發(fā)生斷裂。

關鍵詞：煤田地質學；液氮作用；原生裂隙；應力強度因子；裂隙擴展

中圖分類號：TU443文獻標志碼：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；責任編輯：馮民

基金項目：國家自然科學基金（51274079，51274110）；河北省自然科學基金（E2013208148）

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

E-mail：zhangchunhui789@126.com

張春會，李偉龍，王錫朝，等.液氮溶浸煤致裂的機理研究[J].河北科技大學學報，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，還引起瓦斯災害，威脅人們的生命財產(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116億m3，相當于1 508萬t標煤。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、砷等有害物質的排放，從而既能提供清潔的能源，又能很好地保護當?shù)丨h(huán)境。再如，由于低滲煤層瓦斯抽采困難，瓦斯災害多發(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)生的瓦斯災害就造成60多人死亡，財產(chǎn)損失巨大。因此，研究低滲儲層的人工致裂增透方法，是煤層氣抽采和瓦斯災害防治中的重要問題。

河北科技大學學報2015年第4期張春會，等：液氮溶浸煤致裂的機理研究 提高低滲透儲層滲透率，國內(nèi)外先后實驗和研究了多種儲層致裂的技術方法，如松動爆破[1-2]、水力割縫[3-5]、復合射孔[6]、采動卸壓致裂[7]、高壓脈沖水射流割縫[8-9]、旋轉水射流沖擴孔[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層致裂增透技術。煤層氣抽采量與中國埋深2 000 m以淺的36萬億m3資源儲量相比，開發(fā)水平還很低，實施了瓦斯抽放的礦井，瓦斯災害也還屢有發(fā)生。

近年來，國內(nèi)外研究者對液氮冷裂砂巖、頁巖和水泥混凝土等開展了一系列實驗和理論研究。任韶然等[16]通過實驗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]通過實驗研究了液氮作用下巖石孔隙微觀結構的變化規(guī)律。張春會等[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)育的介質體，在液氮作用下煤體內(nèi)原生微裂隙擴展和新裂隙萌生可能是其增透的主要原因。目前，國內(nèi)外對液氮作用下煤內(nèi)原生微裂隙結構發(fā)展的實驗研究尚未見報道。

本文取原煤試樣開展了液氮溶浸實驗，利用激光顯微鏡觀測液氮作用下原生裂隙結構的變化，結合斷裂力學分析了液氮作用下煤內(nèi)原生裂隙擴展機制，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溶浸實驗

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，干燥后進行實驗。

實驗的基本過程如下：

1）在煤樣表面選擇平坦、光滑的表面標注直徑為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，可獲取煤樣微觀結構圖片。

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液氮溶浸前微觀結構圖（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構圖（200倍）

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

通過實驗獲得煤樣液氮溶浸前后的微觀結構如圖3和圖4所示。從圖3可以看出，煤是一種天然地質體，在煤樣表面有原生微裂隙結構。液氮溶浸煤樣后，煤樣的微觀結構特別是微裂隙發(fā)生了變化。圖3和圖4中實線是裂隙的外包絡線，利用外包絡線可計算裂隙面積。

對比圖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%。通過微觀觀測結果還可以看出，裂隙內(nèi)局部強度不大的顆粒團在液氮冷卻作用下脫落，煤樣微結構破壞。

液氮冷卻作用下煤樣微結構之所以發(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大；2） 液氮冷卻引起的拉應力，使得原生微裂隙擴展，甚至擴展失穩(wěn)，形成更大的裂隙；3）溫度拉應力使得微裂隙局部強度不大的顆粒團拉破壞、脫落，這進一步破壞了煤樣的結構，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展和煤樣局部破裂。

2液氮冷卻下煤原生裂隙擴展的力學分析

本文利用斷裂力學理論分析液氮作用下煤裂隙的擴展機制。

當煤樣溶浸于液氮內(nèi)時，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為熱傳導系數(shù)；κ為熱擴散率。

令無量綱時間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為相對溫度。

取H=100 W/（m2·℃），k=0.8 W/（m2·℃），則h=125。繪制相對溫度T（τ，λ）Δ與無量綱參數(shù)τ和λ的關系如圖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方向的應力，在y和z方向由于溫度改變而引起的應力為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關系曲線

Fig.7Curve of KI（τ）/C and τ于是，液氮冷卻下煤裂隙的應力強度因子可表示為[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關系曲線如圖7所示。

從圖7可以看出，冷卻時間對應力強度因子有很大的影響。隨著冷卻時間增加，溫度梯度增大，裂隙的應力強度因子增加，并向斷裂韌度靠近。液氮冷卻作用下，煤裂隙擴展的機理是：當應力強度因子與斷裂韌度相等時，煤裂隙發(fā)生擴展；若應力強度因子達不到裂隙的斷裂韌度，煤裂隙不擴展。

裂隙寬度對應力強度因子的影響較為復雜，裂隙寬度增加或減小是否有利于裂隙擴展，與斷裂韌度的值有關，具體可參考圖7進行分析。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)過更短的時間就可發(fā)生斷裂。

3結語

本文對原煤樣開展了液氮溶浸實驗，利用激光顯微鏡觀測液氮溶浸前后煤樣的原生裂隙擴展和新裂隙萌生的情況，利用斷裂力學理論分析了液氮冷卻煤樣原生裂隙的擴展機制和煤滲透率的增長機理，通過研究主要得到如下結論。

1）液氮作用引起溫度拉應力和應力集中，當應力強度因子超過煤裂隙的斷裂韌度時，煤樣原生微裂隙擴展。

2）溫度拉應力使得微裂隙局部強度不大的顆粒團拉破壞、脫落，破壞了煤樣的結構，使得新的微裂隙萌生。

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

參考文獻/References：

[1]王佰順， 戴廣龍， 童云飛， 等. 深孔松動爆破提高瓦斯抽放率的應用研究[J]. 煤礦安全， 2002， 33（11）： 5-7.

WANG Baishun， DAI Guanglong， TONG Yunfei， et al. Applied study on deep hole standing shot to improve methane drainage efficiency[J]. Mine Safety， 2002， 33（11）： 5-7.

[2]張立.劉莊煤礦綜采面底板松動爆破試驗與效果評判[J].有色金屬（礦山部分），2012，64（3）：65-67.

ZHANG Li. Test and effect evaluation on loose blasting for fully mechanized coal face floor in Liuzhuang coal mine[J]. Nonferrous Metals（Mining Section）， 2012， 64（3）： 65-67.

[3]馮增朝，趙陽升，楊棟，等.割縫與鉆孔排放煤層氣的大煤樣試驗研究[J].天然氣工業(yè)，2005，25（3）：127-129.

FENG Zengchao， ZHAO Yangshen， YANG Dong， et al. Testing study of outsized coal samples cutting and drilling to discharge coal-bed gas[J].Natural Gas Industry， 2005， 25（3）：127-129.

[4]段康廉，馮增朝，趙陽升，等.低滲透煤層鉆孔與水力割縫瓦斯排放的實驗研究[J].煤炭學報，2002，27（1）：50-53.

DUAN Kanglian，F(xiàn)ENG Zengchao， ZHAO Yangsheng， et al. Testing study of methane drainage by bore and hydraulic-cutting seam from low permeability coal seam[J]. Journal of China Coal Society， 2002，27（1）：50-53.

[5]李曉紅，王曉川，康勇，等.煤層水力割縫系統(tǒng)過渡過程能量特性與耗散[J].煤炭學報，2014，39（8）：1404-1408.

LI Xiaohong， WANG Xiaochun， KANGYong， et al.Energy characteristic and disspation in transient process of hydraulic cutting seams system in coal seam[J].Journal of China Coal Society， 2014，39（8）：1404-1408.

[6]夏紅兵，羅勇.復合射孔技術排放瓦斯的研究[J].防災減災工程學報，2005，25（2）：124-128.

XIA Hongbing， LUO Yong. Study on methane drainage with the compound technique of perforating and fracturing[J]. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering， 2005，25（2）：124-128.

[7]袁亮. 低透高瓦斯煤層群安全開采關鍵技術研究[J].巖石力學與工程學報，2008，27（7）：1370-1379.

YUAN Liang. Key technique of safe mining in low permeability and methane-rich seam group[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2008， 27（7）：1370-1379.

[8]李曉紅，盧義玉，趙瑜，等. 高壓脈沖水射流提高松軟煤層透氣性的研究[J].煤炭學報，2008，33（12）：1386-1390.

LI Xiaohong， LU Yiyu， ZHAO Yu， et al. Study on improving the permeability of soft coal seam with high pressure pulsed water jet[J]. Journal of China Coal Society， 2008， 33（12）：1386-1390.

[9]劉勇，盧義玉，李曉紅，等.高壓脈沖水射流頂?shù)装邈@孔提高煤層瓦斯抽采率的應用研究[J].煤炭學報，2010，35（7）：1115-1119.

LIU Yong， LU Yiyu， LI Xiaohong， et al.Application of drilling in roof or floor with high pulse pressure water jet to improve gas drainage[J]. Journal of China Coal Society， 2010，35（7）：1115-1119.

[10]姜文忠.低滲透煤層高壓旋轉水射流割縫增透技術及應用研究[D].北京：中國礦業(yè)大學，2009.

JIANG Wenzhong.Research on Theory of Slotting and Enhancing Permeability by High Pressure Rotational Jetting in Low Permeability Coal Seam and Its Application[D].Beijing：China University of Mining & Technology，2009.

[11]HUANG J， GRIFFITHS D V， WONG S W. Initiation pressure， location and orientation of hydraulic fracture[J]. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences， 2012， 49： 59-67.

[12]藺海曉， 杜春志. 煤巖擬三軸水力壓裂實驗研究[J]. 煤炭學報， 2011， 36（11）： 1801-1805.

LIN Haixiao， DU Chunzhi. Experimental research on the quasi three-axis hydraulic fracturing of coal[J]. Journal of China Coal Society， 2011， 36（11）： 1801-1805.

[13]葛兆龍， 梅緒東， 盧義玉， 等. 煤礦井下水力壓裂鉆孔封孔力學模型及試驗研究[J]. 巖土力學， 2014， 35（7）：1097-1103.

GE Zhaolong， MEI Xudong， LU Yiyu， et al. Mechanical model and test study of sealed drilling for hydraulic fracturing in underground coal mines[J]. Rock and Soil Mechanics， 2014， 35（7）： 1097-1103.

[14]程亮，盧義玉，葛兆龍，等.傾斜煤層水力壓裂起裂壓力計算模型及判斷準則[J].巖土力學，2015，36（2）：444-450.

CHENG Liang， LU Yiyu， GE Zhaolong， et al. Initiation pressure calculation model and judgment criterion for hydraulic fracturing of inclined coal seam[J].Rock and Soil Mechanics， 2015，36（2）：444-450.

[15]林柏泉，呂有廠，李寶玉，等.高壓磨料射流割縫技術及其在防突工程中的應用[J].煤炭學報，2007，32（9）：959-963.

LIN Baiquan， LYU Youchang， LI Baoyu， et al. High-pressure abrasive hydraulic cutting seam technology and its application in outbursts prevention[J].Journal of China Coal Society， 2007，32（9）：959-963.

[16]任韶然，范志坤，張亮，等.液氮對煤巖的冷沖擊作用機制及試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2013，32（sup2）：3790-3794.

REN Shaoran， FAN Zhikun， ZHANG Liang， et al. Mechanisms and experimental study of thermal-shock effect on coal-rock using liquid nitrogen[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2013， 32（sup2）： 3790-3794.

[17]CAI Chengzheng， LI Gensheng， HUANG Zhongwei， et al. Experimental study of the effect of liquid nitrogen cooling on rock pore structure[J]. Journal of Natural Gas Science and Engineering， 2014，21：507-517.

[18]蔡承政，李根生，黃中偉，等.液氮凍結條件下巖石孔隙結構損傷試驗研究[J].巖土力學，2014，35（4）：965-971.

CAI Chengzheng， LI Gensheng， HUANG Zhongwei， et al. Experiment study of rock porous structure damage under cryogenic nitrogen freezing[J].Rock and Soil Mechanics， 2014，35（4）：965-971.

[19]張春會，王來貴， 趙全勝，等. 液氮冷卻煤變形-破壞-滲透率演化模型及數(shù)值分析[J]. 河北科技大學學報，2015， 36（1）：90-99.

ZHANG Chunhui， WANG Laigui， ZHAO Quansheng， et al. Permeability evolution model and numerical analysis of coupled coal deformation， failure and liquid nitrogen cooling[J].Journal of Hebei University of Science and Technology， 2015， 36（1）：90-99.

[20]FINNIE I， COOPER G A， BERLIE J. Fracture propagation in rock by transient cooling[J].Int J Rock Mech Min Sci & Geomech Abstr， 1979， 16（1）：11-21.第36卷第4期河北科技大學學報Vol.36，No.4