液氮凍融循環(huán)對煤裂隙擴展和抗壓強度的影響

液氮凍融循環(huán)對煤裂隙擴展和抗壓強度的影響

0煤初始溫度和液氮用量對煤抗菌材料力學(xué)性能的影響規(guī)律微裂縫和新裂縫的發(fā)展直接影響到煤炭的滲透性能和承載能力。以上研究只集中描述了煤的滲透性、孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)等宏觀變化,而在將液氮作為制冷劑,循環(huán)作用對煤裂隙擴展的影響規(guī)律及初始溫度對液氮作用于煤缺陷結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律等方面鮮有報道。為此,筆者將用試驗方法研究液氮凍融循環(huán)作用和煤初始溫度對煤裂隙擴展和承載能力的影響。1測試1.1試樣煤的選取選取裂隙少、層理清晰的遼寧阜新海州礦煤,將原煤利用巖石切割機制成邊長50mm的正方體試樣,使表面平整。煤層溫度在35.6~194℃,但絕大多數(shù)煤層氣開采溫度不會超過100℃。因此,文中選擇35,55和75℃的煤作為試樣。對試樣進(jìn)行分組:A組為35℃煤樣;B組為55℃煤樣;C組為75℃煤樣。每組試樣再分成3個試驗組,分別記為A1.2試樣表面裂隙形貌用烘干爐脫水,保證試樣在干燥的同時加熱達(dá)到模擬溫度。利用OLS4000激光共聚焦顯微鏡觀察試驗前后試樣表面裂隙形貌。運用NM-4A非金屬超聲檢測分析儀測量試驗前后聲波在試樣中傳播的衰減率,根據(jù)孔隙度與衰減率之間的關(guān)系換算試樣內(nèi)部裂隙增長量。通過MH-25試驗機進(jìn)行單軸壓縮試驗,測定試樣不同凍融循環(huán)次數(shù)作用后的抗壓強度。1.3試驗計劃1.3.1不同溫度下的單周期浸泡煤炭樣區(qū)的試驗將A1.3.2不同溫度下的多周期浸泡煤炭試驗對A2試驗結(jié)果及分析2.1樣品裂縫在液氮中的單周期擴展效果A表1中數(shù)據(jù)表明,試樣A因為煤樣為固體物質(zhì),在溫度變化時產(chǎn)生溫度應(yīng)力σ式中:σ式中:ε2.1.2聲波傳播速度衰減率聲波在不同介質(zhì)中傳播速度不同,在固液氣體中依次減慢。當(dāng)聲波在通過試樣時速度變慢,則證明有裂隙擴展或新裂隙生成。因此,可以通過聲波傳播速度減慢量來表征裂隙發(fā)育量,引入聲波傳播速度衰減率來表示聲波在x,y和z方向的傳播速度減慢的程度。式中:δ為聲波傳播速度衰減率;v表2給出了單次凍融作用前后試樣A在液氮浸泡后,煤中原生裂隙產(chǎn)生擴展,內(nèi)部和表面還會產(chǎn)生次生微裂隙,Wyllie的時間平均方程式中:v式中:v2.1.3單次凍融作用后試樣的抗壓強度常溫下,通過MH-25試驗機,以0.2mm/min加載速率進(jìn)行單軸壓縮試驗,測量不同溫度試樣經(jīng)過單次凍融作用后的抗壓強度,圖3為A由圖3可見,試樣A2.2在多次冷凍和環(huán)環(huán)作用后，樣品裂縫的擴展規(guī)律2.2.1在5個周期后，冷凍反應(yīng)后的樣品裂縫模型由于部分試樣經(jīng)過6周期凍融發(fā)生破裂,為了對比煤樣在凍融過程中裂隙的擴展情況,對煤樣進(jìn)行5周期凍融處理。圖4為試樣A試樣A2.2.2空氣構(gòu)成二相電解質(zhì),煤質(zhì)產(chǎn)生溫度疲勞表4給出了試樣A煤的溫度疲勞現(xiàn)象容易發(fā)生的因素有:環(huán)境的溫度梯度及變化頻率越大越易產(chǎn)生溫度疲勞;煤質(zhì)顆粒大且不均勻,易出現(xiàn)溫度疲勞;煤與裂隙中空氣構(gòu)成二相質(zhì)點對溫度疲勞的產(chǎn)生具有促進(jìn)作用;煤質(zhì)的塑性差,容易產(chǎn)生溫度疲勞。當(dāng)試樣溫度較低,凍融作用時溫度梯度較小,單次產(chǎn)生的溫度應(yīng)力造成的裂隙擴展不能完全累積,所以A組試樣在單次和5周期凍融試驗中,聲波衰減率增加較小。B組和C組試樣在凍融作用時,溫度梯度相對較大,單次產(chǎn)生的溫度應(yīng)力造成的裂隙擴展量能夠較多累積,所以聲波衰減率比A組試樣增加較大。2.2.3應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)分析通過MH-25試驗機進(jìn)行單軸壓縮試驗,測定不同溫度、周期下試樣冷-熱交替作用后的承載能力,繪制的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示。試樣A2.2.4溫度對試樣殘余變形的影響A對比A式中[σ]為試樣的破壞極限。溫度高的試樣每周期裂隙擴展較大,殘余變形較多,導(dǎo)致比低溫試樣更容易超過破壞極限而疲勞破壞,而低溫的A3試樣本身溫度對尺寸的影響通過一系列試驗研究,得到如下結(jié)論:1)在相同凍融循環(huán)周期作用下,試樣裂隙的擴展寬度隨試樣本身溫度的升高而增大。2)在試樣溫度相同的條件下,A3)試樣經(jīng)凍融作用,內(nèi)部和表面裂隙的擴展或