高温煤岩液氮冷却后巴西劈裂破坏及声发射演化特征

TD313; 采用压裂技术提升煤层气储层渗透性是强化煤层气开发的重要途径.对于深部高温煤层气储层,液氮压裂技术通过在煤层中注入低温液氮形成显著热应力,基于冷冲击作用可实现对煤层气储层的致裂增渗.为研究液氮作用对高温煤岩的力学特性及损伤破裂特征的影响机制,对加热至不同温度条件下的煤样进行液氮冷却处理,通过波速测试和巴西劈裂测试,研究液氮对高温煤样波速、强度、声发射和裂纹演化等特征及破裂模式的影响机制.结果表明:高温煤样在液氮冷却作用后,力学性能出现了显著劣化,P波波速降低,超声频率分化严重,主频由51.10 kHz降至40.88 kHz.煤样逐渐由脆性破坏向延性破坏转变,巴西劈裂模量和脆性指数降...

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Published in工程科学与技术 Vol. 57; no. 1; pp. 177 - 188
Main Authors 薛熠, 张家辉, 刘嘉, 时旭阳, 蔡承政, 张志镇, 高峰, 张云
Format Journal Article
LanguageChinese
Published 西安理工大学 西北旱区生态水利国家重点实验室,陕西 西安 710048%中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏 徐州 221116 2025
Subjects
液氮
巴西劈裂
damage
热应力
liquid nitrogen
损伤
coal
煤岩
thermal stress
Brazilian splitting
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ISSN2096-3246
DOI10.12454/j.jsuese.202300356

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Summary:TD313; 采用压裂技术提升煤层气储层渗透性是强化煤层气开发的重要途径.对于深部高温煤层气储层,液氮压裂技术通过在煤层中注入低温液氮形成显著热应力,基于冷冲击作用可实现对煤层气储层的致裂增渗.为研究液氮作用对高温煤岩的力学特性及损伤破裂特征的影响机制,对加热至不同温度条件下的煤样进行液氮冷却处理,通过波速测试和巴西劈裂测试,研究液氮对高温煤样波速、强度、声发射和裂纹演化等特征及破裂模式的影响机制.结果表明:高温煤样在液氮冷却作用后,力学性能出现了显著劣化,P波波速降低,超声频率分化严重,主频由51.10 kHz降至40.88 kHz.煤样逐渐由脆性破坏向延性破坏转变,巴西劈裂模量和脆性指数降幅最高分别为67%和75%.在巴西劈裂荷载下,煤样内部声发射信号均表现为低RA值、高AF值;煤样内部破坏形式主要为拉伸破坏,其次为剪切破坏.随着煤样初始温度的增加,煤样断裂面上形成多个起伏区域,3维形貌扫描的最大波峰与最大波谷高度差最高可达37.60 mm.液氮冷却诱导的微裂隙交叉扩展形成复杂的裂纹网络,进而导致局部失效区域的形成和煤样断裂面复杂化.表观裂纹分形维数在初始加热温度为100℃时达到最大值,由初始20℃时的0.50增加到1.83.研究结果可为深部高温煤层液氮压裂设计提供理论参考.
ISSN:2096-3246
DOI:10.12454/j.jsuese.202300356