液态CO2冻融煤体变形损伤特性研究
白刚1
王亚东2
苏俊2
周忠杰2
范超军3
陈军典4
1.辽宁工程技术大学安全科学与工程学院,辽宁葫芦岛 125105;辽宁工程技术大学矿山热力灾害与防治教育部重点实验室,辽宁葫芦岛 1251052.辽宁工程技术大学安全科学与工程学院,辽宁葫芦岛 1251053.辽宁工程技术大学矿业学院,辽宁阜新 1230004.辽宁省物测勘查院有限责任公司,辽宁沈阳 110031
摘要：改善煤层透气性是提高煤层瓦斯高效抽采的常用方法,利用液态CO2为压裂介质冻融煤体是改善煤层透气性的方法之一.液态CO2通过对煤体造成变形损伤改变煤层透气性,深入研究液态CO2冻融煤体变形损伤特性,是揭示液态CO2致裂增透煤体强化瓦斯抽采机制的基础.采用物理实验方法,基于自主研发的液态CO2冻融煤体实验系统,开展液态CO2冻融条件下煤体变形损伤特性实验,监测冻融过程中煤样表面温度、应力、应变及罐体压力参数,分析液态CO2冻融对煤体应力、应变的影响规律及罐中CO2相态特征,探究液态CO2冻融过程中热应力、水-冰相变冻胀力及汽化膨胀力对煤体造成的变形损伤贡献程度,揭示液态CO2冻融的三重复合应力对煤体造成变形损伤的机制.研究结果表明:液态CO2冻融煤样体积应变呈现先下降后上升的"U"字型变化趋势,低温冻结阶段煤基质发生收缩变形,融化阶段煤基质收缩变形逐渐恢复,最终形成了不可恢复的变形,总体表现为煤基质收缩变形与应变恢复2个阶段.实验过程中CO2相态呈现气态-液态(气-液共存)-气态的变化趋势,液态Co2冻融过程包括进液、冻结、缓慢卸压及室温融化4个阶段,对应煤样变形特征表现为冻缩变形、冻缩+冻胀+吸附膨胀变形、变形恢复及受热膨胀变形.非密封干燥煤样、密封干燥煤样及非密封饱水煤样的最小应变值绝对值分别为10 056.636 × 10-6、11480.186×10-6、7 881.893×10-6,残余应变分别为 270.191×10-6、154.869×10-6、2 033.636× 10-6,胀缩率分别为2.686％、1.349％、25.801％.液态CO2冻融复合应力作用对煤样造成的总变形损伤量为2 033.636×10-6,热应力、汽化膨胀力及水-冰相变冻胀力分别造成的变形损伤量为154.869×10-6、115.322×10-6、1 763.445×10-6,分别占总变形损伤量的 7.615％、5.671％与 86.714％,水-冰相变冻胀力占据主导地位.随着煤样含水率增加,煤体最小应变值绝对值降低,残余应变增加,水冰相变冻胀力占比增加.研究结果从煤样变形的角度阐明了液态CO2冻融煤体变形损伤机理,丰富了液态CO2致裂增透煤体强化瓦斯抽采技术体系.
关键词：煤层气液态CO2冻融变形损伤CO2相态转换复合应力
分类号：TD712(矿山安全与劳动保护)
资助基金：国家自然科学基金(52104195)国家自然科学基金(52274204)中国科协青年人才托举工程资助项目(2022QNRC001)
论文发表日期：2025-02-28
在线出版日期：2025-08-15（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：14( 1003-1016 )
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