李和万，王来贵，张春会，李鹏飞，吴晗，陈治宗，陈光华

（1．辽宁工程技术大学力学与工程学院，辽宁阜新123000；

 2．辽宁工程技术大学机械工程学院，辽宁阜新123000；

 3．河北科技大学建筑工程学院，河北石家庄050018）

摘要：为研究煤样强度与冷加载周期、表面裂隙宽度和裂隙体积变化量之间的关系，实验采用液氮作为制冷剂，对水饱和煤样进行1~5周期循环浸泡冷加载，使煤样原生裂隙结构发生损伤，通过拟合多项式揭示周期、表面裂隙宽度和裂隙体积变化量作为损伤因子对裂隙结构的损伤规律，构建损伤判据。结果表明：煤样随着循环冷加载周期的增加，表面裂隙宽度由微观向细观和宏观演化；循环冷加载4个周期为煤样冻裂和抗压的强度极限，2个周期为煤样裂隙饱和水吸附能力极限；冷加载对煤样的原生裂隙结构作用显著，使裂隙在膨胀拉应力作用下发生扩展，同时水结冰体积膨胀，对裂隙结构损伤产生了重要作用。

关键词：液氮；裂隙结构；增透；损伤因子；强度

0  引言

 煤层渗透性差是煤层气开采率低的主要原因，在煤层气开采方面，中国与俄罗斯、美国、加拿大等国家相比差距较大。制造新裂隙或原生裂隙的进一步扩展是增透的主要方法，普遍采用的技术有水力割缝、深孔爆破预裂、水力冲孔和水力压裂等，但都有一定的局限性。

 水对不同变质程度煤粒瓦斯扩散有影响，刘彦伟等发现水分的增加，导致瓦斯扩散系数随时间衰减程度变小。近年来，有学者采用冻融作用对岩石等材料进行实验，如Nichloson等通过冻融循环试验，研究了原生裂隙对岩石损伤的影响；Grundmann等利用液氮冻胀低渗透泥盆纪页岩，与传统的方法相比，其产气效率提高了8%。任韶然等研究液氮对煤样的冷冲击作用机制及试验，发现液氮的超低温作用能使煤样基质收缩，产生热应力裂缝，同时煤样天然裂缝中的水结冰膨胀产生的应力超过煤样的强度，可在煤样内产生局部裂纹。张春会等研究了液氮作用下煤致裂增透的数值计算方法，并开展了液氮溶浸煤试验研究，发现液氮作用引起煤内温度拉应力和应力集中，当应力强度因子超过煤原生裂隙的断裂韧度时，煤样原生微裂隙发生扩展。

 煤样裂隙扩展与某些影响因素密切相关，李广生等引入地质强度因子(GSI)，发现以往划分的原生结构煤一碎裂煤一碎粒煤一糜棱煤之间很难有明显的界限，煤体变形是一个渐变过程，采用CSI可定量表达这一渐变过程。赵建斌等引入了煤岩体综合强度因子TCE，通过计算煤岩体综合强度因子控制压裂规模是控制煤层产水的有效方法。来兴平等推导了爆炸作用下裂纹应力强度因子的表达式，给出了裂纹继续扩展的判断准则和裂隙区、压碎区的判定准则，运用理论分析和数值计算手段揭示了爆破致裂特性。

 在煤样上采用循环冷加载，构建强度与循环周期、表面裂隙宽度，强度与循环周期、裂隙体积变化量之间函数关系的研究相对较少，通过建立以循环周期、表面裂隙宽度和裂隙体积变化量为变量的损伤因子，具有变量容易测量的优点，对于定义煤样循环冷加载的强度条件和后续煤的实验具有借鉴意义。

1  试样制备及实验方案

1.1  试样制备

 将原煤利用岩石切割机制成50 mm×50 mm×50mm表面平整的正方体煤样。利用微型气泵和真空不锈钢罐进行饱和化处理，每0.5 h进行称重，多次称重直至煤样质量不再增加为止，即为水饱和煤样，将煤样按浸泡周期进行分组，A、B、C、D、E和F组分别为0、1、2、3、4和5周期煤样，各组煤样浸泡液氮后进行单轴压缩实验。

1.2  实验装置

利用OLS4000激光共聚焦显微镜观察实验前后煤样表面裂隙形貌，测量裂隙宽度。通过MH - 25实验机进行单轴压缩实验，测定煤样不同循环周期作用后的抗压强度。采用Ocs天平电子秤称量每次饱和后煤样质量，根据公式(1)换算煤样内部裂隙体积变化量：

 式中：k为煤样内部裂隙体积变化量，m3；M，+．为水饱和后煤样的质量，g；M，为煤样前一次饱和质量，g；p。为水的密度，g/m3；r取0~5的整数。

1.3  实验方案

 实验采用液氮作为冷加载试剂，将煤样放入2.5 L钢胆保温桶进行液氮浸泡，浸泡4h，室温放置20 h，作为一个冷加载周期。根据前期研究发现，煤样经过5周期冷加载后，彻底破碎，因此该实验进行5周期冷加载。每个周期冷加载后，都需要对煤样重新进行水饱和处理，使新产生的裂隙充满水。

2  实验结果及分析

2.1  循环冷加载煤样表面裂隙扩展情况

采用镜像观测煤样经过5周期冷加载，表面裂隙扩展演化过程如图1，对裂隙指定区域进行测量，具体宽度见表1。

 图1中(a)和(b)为煤样表面200倍放大镜像，经过1周期冷加载，测量裂隙扩展了17.41 ht,m，扩展率为17. 68%（图1）。(c)~(f)为煤样2—5周期冷加载后裂隙由微观向细观和宏观演化，在观测区内裂隙宽度扩展的演化过程可以直接观察到，直至彻底破碎。煤样延伸率达到-1.97%。煤作为一个连续的整体，在温度变化过程中符合热胀冷缩特性。当煤样与液氮接触时，温度急剧下降，由于煤样的导热系数较低，造成煤样内部结构形变不均匀。因此，煤样内部将会产生束缚煤样随温度变化自由收缩的应力，这种应力即为冷冲击应力。同时煤样裂隙中的饱和水结冰膨胀，对煤样产生两方面的影响：一是裂隙中的水结冰膨胀使煤样的原生裂缝宽度增大，冰融化后并不能复原到原始的状态，多周期后裂隙宽度发生累积，从而导致裂隙的渗透率增加；二是煤样裂隙饱和水结冰产生膨胀力对煤基质造成挤压作用，当膨胀力超过煤岩的强度极限，导致煤样裂隙结构累积损伤，并发生破坏。对于表面没有原生裂隙部位，则较难产生新裂隙。

2.2循环冷加载煤样内部裂隙扩展情况

表2为循环冷加载煤样裂隙体积变化量。

 3个周期循环冷加载后，裂隙体积增长量出现了负值，是因为每周期冷加载后，煤样表面有组织脱落，或者裂隙扩展尺寸过大，不能使水吸附在裂隙里，所以在换算过程中裂隙体积变化量变小。

2.3  循环冷加载煤样承载能力

煤样在进行第5周期冷加载后彻底碎裂，没有承载能力。将0~4周期冷加载煤样通过试验机进行单轴压缩实验。在常温条件下，加载速率为0.1 mm/min，不同周期冷加载煤样应力一应变曲线如图2。

由图2可见，随着冷加载周期的增加，煤样的抗压强度降低。由公式(2)最大伸长线应变理论可知，各周期冷加载致煤样裂隙结构型变的累积超过煤样的强度极限，则发生疲劳破坏，即裂隙扩展。当损伤超过定值，则使煤样失去承载能力。

 式中：[σ]为煤样许用应力，MPa；p为泊松比；σ，为煤样裂隙承载最大正应力，MPa；σ：为煤样裂隙承载次大正应力，MPa；σ，为煤样裂隙承载最小正应力，MPa。

3损伤判据的构建

3.1  周期和表面裂隙宽度构建损伤判据

将损伤因子确定为周期r和表面裂隙宽度d，即损伤因子n。为公式(3)：

对煤样的抗压强度以及损伤因子n。进行曲线拟合，拟合多项式见公式(4)，拟合曲线见图3。

 由图3和公式(4)可知，随着循环冷加载周期的增加，煤样的抗压强度下降，当r超过4周期，煤样表面裂隙宽度超过985 ym，煤样的抗压强度达到0 MPa，煤样失去承载能力。

3.2周期和煤样裂隙体积变化量构建损伤判据

将损伤因子确定为周期T和煤样裂隙体积变化量%，即损伤因子叼。为公式(5)：

对煤样的抗压强度以及损伤因子叼。进行曲线拟合，拟合多项式见公式(6)，拟合曲线见图4。

对周期和裂隙体积变化量进行求偏导，对变量影响因子通过公式(7)进行计算：

 发现循环冷加载在2~3周期之间，可吸附水的煤样裂隙体积最大。当超过3周期，裂隙体积超过0. 64×10-6m3煤样的裂隙结构发生破坏，煤样不具备承载能力。

4结论

 1)水饱和煤样在液氮冷加载作用下，随着循环浸泡周期的增加，表面裂隙宽度由微观向细观和宏观演化，抗压强度呈劣化趋势，直至破坏。

 2)煤样在循环冷加载实验中，4周期为煤样抗压的强度极限，2周期为煤样裂隙水饱和吸附能力极限。

 3)冷加载对煤样的原生裂隙结构作用明显，较易于使裂隙在膨胀力作用下发生扩展，煤样中水冻结成冰，体积扩大，对裂隙扩展起到重要作用。