PDF《液氮溶浸煤致裂的机理》

2015 年河北科技大学学报第36 卷 收稿日期:2015-03-28;

修回日期:2015-04-17;

责任编辑:冯民基金项目:国家自然科学基金面上项目(51274079,51274110) ;

河北省自然科学基金项目(E2013208148) 作者简介:张春会(1976―) ,男,辽宁沈阳人,教授,博士后,主要从事破坏岩石力学方面的研究 E-mail: zhangchunhui789@126.

com 液氮溶浸煤致裂的机理 张春会

1 ,李伟龙

1 ,王锡朝

1 ,王来贵

2 ,李和万

2 (1.河北科技大学建筑工程学院,河北石家庄 050018;

2.辽宁工程技术大学力学与工程学院,辽宁阜新 123000) 摘要:为分析液氮作用下煤的致裂机理,对原煤煤样开展了液氮溶浸实验.利用激光显微镜观测液氮溶浸前后煤样的原生 裂隙扩展和新裂隙萌生情况,利用断裂力学理论分析液氮溶浸下煤样原生裂隙的扩展机制.研究结果表明:1)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,煤样原生微裂隙扩展;

2)温度拉应力使得 原生裂隙周围强度不大的颗粒团拉破坏、脱落,破坏了煤样的结构,并引起新的微裂隙萌生;

3)液氮作用时间对应力强度 因子有很大影响,随着作用时间增加,温度梯度增大,裂隙的应力强度因子增加,更易发生断裂. 关键词:煤田地质学;

液氮作用;

原生裂隙;

应力强度因子;

裂隙扩展 中图分类号:TU

443 文献标识码:A Fracturing mechanism of coal subjected to liquid nitrogen cooling ZHANG Chunhui1 , LI Weilong1 ,WANG Xizhao

1 , 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. Our 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 stresses make the particle cluster, 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 increasing the temperature gradient and the cooling time, the stress intensity factor increases, more susceptible to rupture. Keywords: coal geology;

liquid nitrogen cooling;

initial fissures;

stress intensity factor;

crack extension 中国煤层渗透率一般在0.1* 10-5 ~0.1* 10-3 μm2 , 属于低渗煤层,使用常规技术抽采低渗煤层,游离 瓦斯不易快速排出,瓦斯抽采效率低,这不仅严重 阻碍了中国煤层气开发,增加环境污染,还引起瓦 斯灾害,威胁人们的生命财产安全.例如,山西省 每年因无法有效抽采而排掉的煤层瓦斯达116亿m

3 , 相当于1 508万t标煤.如能全部抽采回收利用,将 少排4.7万t的SO2,1.58万t的NOx,少生成215万t 的灰渣,消除成百吨的汞、砷等有害物质的排放, 从而既能提供清洁的能源,又能很好地保护当地环 境.再如,由于低渗煤层瓦斯抽采困难,瓦斯灾害 多发,仅2013年在贵州宏兴矿、新疆白杨沟矿、江 西合兴矿和曲江矿等发生的瓦斯灾害就造成60多人 死亡,财产损失巨大.因此,研究低渗储层的人工 致裂增透方法,是煤层气抽采和瓦斯灾害防治中的 重要问题. 提高低渗透储层渗透率,国内外先后试验和研 究了多种储层致裂的技术方法,如松动爆破 [1-2] 、水 力割缝 [3-5] 、复合射孔 [6] 、采动卸压致裂 [7] 、高压脉 冲水射流割缝 [8-9] 、旋转水射流冲扩孔 [10] 、水力压裂 [11-14] 、高压磨料射流割缝 [15] 等,这些方法在一定条 件下已被用于低渗煤层的致裂增透中,促进了中国 煤层气开发,2012年中国煤层气抽采量已增至115 亿m