液氮冻融循环对煤裂隙扩展和抗压强度的影响

液氮冻融循环对煤裂隙扩展和抗压强度的影响

0煤初始温度和液氮用量对煤抗菌材料力学性能的影响规律微裂缝和新裂缝的发展直接影响到煤炭的渗透性能和承载能力。以上研究只集中描述了煤的渗透性、孔隙结构参数等宏观变化,而在将液氮作为制冷剂,循环作用对煤裂隙扩展的影响规律及初始温度对液氮作用于煤缺陷结构的影响规律等方面鲜有报道。为此,笔者将用试验方法研究液氮冻融循环作用和煤初始温度对煤裂隙扩展和承载能力的影响。1测试1.1试样煤的选取选取裂隙少、层理清晰的辽宁阜新海州矿煤,将原煤利用岩石切割机制成边长50mm的正方体试样,使表面平整。煤层温度在35.6~194℃,但绝大多数煤层气开采温度不会超过100℃。因此,文中选择35,55和75℃的煤作为试样。对试样进行分组:A组为35℃煤样;B组为55℃煤样;C组为75℃煤样。每组试样再分成3个试验组,分别记为A1.2试样表面裂隙形貌用烘干炉脱水,保证试样在干燥的同时加热达到模拟温度。利用OLS4000激光共聚焦显微镜观察试验前后试样表面裂隙形貌。运用NM-4A非金属超声检测分析仪测量试验前后声波在试样中传播的衰减率,根据孔隙度与衰减率之间的关系换算试样内部裂隙增长量。通过MH-25试验机进行单轴压缩试验,测定试样不同冻融循环次数作用后的抗压强度。1.3试验计划1.3.1不同温度下的单周期浸泡煤炭样区的试验将A1.3.2不同温度下的多周期浸泡煤炭试验对A2试验结果及分析2.1样品裂缝在液氮中的单周期扩展效果A表1中数据表明,试样A因为煤样为固体物质,在温度变化时产生温度应力σ式中:σ式中:ε2.1.2声波传播速度衰减率声波在不同介质中传播速度不同,在固液气体中依次减慢。当声波在通过试样时速度变慢,则证明有裂隙扩展或新裂隙生成。因此,可以通过声波传播速度减慢量来表征裂隙发育量,引入声波传播速度衰减率来表示声波在x,y和z方向的传播速度减慢的程度。式中:δ为声波传播速度衰减率;v表2给出了单次冻融作用前后试样A在液氮浸泡后,煤中原生裂隙产生扩展,内部和表面还会产生次生微裂隙,Wyllie的时间平均方程式中:v式中:v2.1.3单次冻融作用后试样的抗压强度常温下,通过MH-25试验机,以0.2mm/min加载速率进行单轴压缩试验,测量不同温度试样经过单次冻融作用后的抗压强度,图3为A由图3可见,试样A2.2在多次冷冻和环环作用后，样品裂缝的扩展规律2.2.1在5个周期后，冷冻反应后的样品裂缝模型由于部分试样经过6周期冻融发生破裂,为了对比煤样在冻融过程中裂隙的扩展情况,对煤样进行5周期冻融处理。图4为试样A试样A2.2.2空气构成二相电解质,煤质产生温度疲劳表4给出了试样A煤的温度疲劳现象容易发生的因素有:环境的温度梯度及变化频率越大越易产生温度疲劳;煤质颗粒大且不均匀,易出现温度疲劳;煤与裂隙中空气构成二相质点对温度疲劳的产生具有促进作用;煤质的塑性差,容易产生温度疲劳。当试样温度较低,冻融作用时温度梯度较小,单次产生的温度应力造成的裂隙扩展不能完全累积,所以A组试样在单次和5周期冻融试验中,声波衰减率增加较小。B组和C组试样在冻融作用时,温度梯度相对较大,单次产生的温度应力造成的裂隙扩展量能够较多累积,所以声波衰减率比A组试样增加较大。2.2.3应力-应变本构分析通过MH-25试验机进行单轴压缩试验,测定不同温度、周期下试样冷-热交替作用后的承载能力,绘制的应力-应变曲线如图5所示。试样A2.2.4温度对试样残余变形的影响A对比A式中[σ]为试样的破坏极限。温度高的试样每周期裂隙扩展较大,残余变形较多,导致比低温试样更容易超过破坏极限而疲劳破坏,而低温的A3试样本身温度对尺寸的影响通过一系列试验研究,得到如下结论:1)在相同冻融循环周期作用下,试样裂隙的扩展宽度随试样本身温度的升高而增大。2)在试样温度相同的条件下,A3)试样经冻融作用,内部和表面裂隙的扩展或