第 1 章 绪论
1.1 研究背景与意义
近年来，我国的经济迅速发展，油气使用需求量加大，常规的油气开采已经无法满足社会日益增长的需求。目前来看，煤层气是国内最为可靠的替代资源，我国2000 m 以浅煤层气资源量达到 36 万亿 m3，煤层气资源储量丰富，但我国煤层气储层很多具有低渗透性特征[1]，使用常规技术开采，瓦斯抽采效率低，这不仅严重阻碍了我国煤层气开发，还可能引起瓦斯灾害、煤矿突水灾害[2]等，威胁人们的生命财产安全。
因此，研究低渗煤层的致裂增透技术，已成为我国煤层气开发和瓦斯灾害防治中的关键科学问题。国内外针对低渗煤层的致裂增透开展了很多研究，先后提出水力冲孔[3]、水力压裂[4]、水力割缝-水力压裂联合[5]、聚能爆破[6]、高压脉冲水射流[7]、超临界 CO2 气爆[8]、卸压增透[9]、超声波扰动[10]等。
以上技术对低渗煤层均具有致裂增透的效果，但同时均具有一定的局限性。目前，水力压裂技术的使用最为普遍，可实现对大规模低渗煤层的致裂增透，但仍存在以下问题；我国面临的水资源问题较为严重，而水力压裂技术的应用需使用大量的水资源，造成对水资源的严重浪费；对煤储层水力压裂的过程中，需要在水中添加压裂液，而生态环境将因压裂液的滤失问题受到破坏；水力压裂技术应用过程中，煤储层中的黏土将受压裂液的影响产生膨胀，从而堵塞渗流通道，导致煤储层渗透率下降。因此，对无水压裂技术的深入研究是目前亟需解决的前沿科学问题。
1.1 研究背景与意义
近年来，我国的经济迅速发展，油气使用需求量加大，常规的油气开采已经无法满足社会日益增长的需求。目前来看，煤层气是国内最为可靠的替代资源，我国2000 m 以浅煤层气资源量达到 36 万亿 m3，煤层气资源储量丰富，但我国煤层气储层很多具有低渗透性特征[1]，使用常规技术开采，瓦斯抽采效率低，这不仅严重阻碍了我国煤层气开发，还可能引起瓦斯灾害、煤矿突水灾害[2]等，威胁人们的生命财产安全。
因此，研究低渗煤层的致裂增透技术，已成为我国煤层气开发和瓦斯灾害防治中的关键科学问题。国内外针对低渗煤层的致裂增透开展了很多研究，先后提出水力冲孔[3]、水力压裂[4]、水力割缝-水力压裂联合[5]、聚能爆破[6]、高压脉冲水射流[7]、超临界 CO2 气爆[8]、卸压增透[9]、超声波扰动[10]等。
以上技术对低渗煤层均具有致裂增透的效果，但同时均具有一定的局限性。目前，水力压裂技术的使用最为普遍，可实现对大规模低渗煤层的致裂增透，但仍存在以下问题；我国面临的水资源问题较为严重，而水力压裂技术的应用需使用大量的水资源，造成对水资源的严重浪费；对煤储层水力压裂的过程中，需要在水中添加压裂液，而生态环境将因压裂液的滤失问题受到破坏；水力压裂技术应用过程中，煤储层中的黏土将受压裂液的影响产生膨胀，从而堵塞渗流通道，导致煤储层渗透率下降。因此，对无水压裂技术的深入研究是目前亟需解决的前沿科学问题。
近些年，一些学者结合液氮冷裂页岩储层实践，提出了低渗煤层注液氮致裂增透技术，并开展了理论和试验研究[11-22]。液氮作为一种超低温流体，其临界气化温度为-195.8oC。将液氮注入岩体后，岩体受巨大温差产生的温度梯度影响，内部产生温度应力，当温度应力高于岩体抗拉强度时，岩体破裂。并且，20oC，1 标准大气压下，液氮气化后体积约可膨胀 694 倍，巨大气压加剧了岩体破裂。同时，以液氮作为压力液是经济可靠的，空气中所含氮气比例高达 78%，直接从空气中提取经济方便，且液氮无毒性，不会爆炸，安全性高。因此，注液氮致裂增透技术对于非常规天然气的开采增产来说优势巨大。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 低温作用后岩石力学特性
目前国内外专家学者对低温作用后岩石的力学特性进行了以下研究： 吴刚等[23]通过对不同饱水度大理石煤样进行冻融循环，总结出冻融前后大理石质量、体积与超声波波速变化规律，并对冻融后的大理石煤样进行常规单轴压缩实验，并归纳总结出弹性模量、抗压强度、抗冻系数等力学参数变化规律。
徐光苗等[24]通过对红砂岩与页岩岩样分别进行冻融循环试验，定义了裂纹与片落两种基本冻融损伤模式。分析总结了岩石冻融破坏的影响因素，包括岩性、孔隙率、饱水度、盐溶液、冻融周期、冻融温度及应力状态等。并对冻融后的岩样进行了单轴压缩试验，得到了弹性模量、岩石单轴抗压强度与冻融次数的拟合关系式。
李云鹏等[25]基于非线性热弹性理论，建立了岩石冰胀效应下的变物性本构方程，得到了干燥低温和饱和冻结状态下单轴抗压强度、变形模量、泊松比等力学参数和随温度变化的关系，并进行了单轴压缩试验进行对比验证。得到的主要结论有，饱和冻结状态下的单轴抗压强度大于干燥低温状态下的抗压强度，两种状态下变形模量、热应力、冻胀力均随温度的降低而增大，但增大的幅度呈下降趋势。
1.2.1 低温作用后岩石力学特性
目前国内外专家学者对低温作用后岩石的力学特性进行了以下研究： 吴刚等[23]通过对不同饱水度大理石煤样进行冻融循环，总结出冻融前后大理石质量、体积与超声波波速变化规律，并对冻融后的大理石煤样进行常规单轴压缩实验，并归纳总结出弹性模量、抗压强度、抗冻系数等力学参数变化规律。
徐光苗等[24]通过对红砂岩与页岩岩样分别进行冻融循环试验，定义了裂纹与片落两种基本冻融损伤模式。分析总结了岩石冻融破坏的影响因素，包括岩性、孔隙率、饱水度、盐溶液、冻融周期、冻融温度及应力状态等。并对冻融后的岩样进行了单轴压缩试验，得到了弹性模量、岩石单轴抗压强度与冻融次数的拟合关系式。
李云鹏等[25]基于非线性热弹性理论，建立了岩石冰胀效应下的变物性本构方程，得到了干燥低温和饱和冻结状态下单轴抗压强度、变形模量、泊松比等力学参数和随温度变化的关系，并进行了单轴压缩试验进行对比验证。得到的主要结论有，饱和冻结状态下的单轴抗压强度大于干燥低温状态下的抗压强度，两种状态下变形模量、热应力、冻胀力均随温度的降低而增大，但增大的幅度呈下降趋势。
康永永等[26]使用应变片法测试了饱和与干燥岩样低温环境下的冻胀变形特征，并归纳了岩石冻胀变形规律。试验结果表明，一个冻融周期中，干燥岩样表现为线弹性变形，而饱和水岩样会经历多个变形阶段，包括冷缩、冻胀、融缩、热胀等，且存在残余变形。结合寒区隧道工程实例，采用模拟的方式，得到了岩体的未冻区、正冻区、已冻区的分布情况。
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第 2 章 液氮作用煤损伤研究
2.1 液氮冷冻煤试验
2.1.1 制备煤样
从纳林河矿 3-1 工作面取大块煤样，在实验室切割成 50 mm× 50 mm× 50 mm 正方体煤样，煤样各面平整，端面与轴线垂直，偏差不超过 0.2 mm，得到的原始煤样见图 2-1。
将制备好的原始煤样放入电热鼓风干燥箱内，在 105 oC 条件下烘 48 h，之后每隔 1 h 测一次煤样质量，待煤样质量变化不超过 0.2 %时,煤样干燥完成，记录煤样干质量。使用 NM-4B 非金属超声检测仪测试烘干煤样三个方向波速，取平均值作为煤样波速。煤受长期地质构造作用，其各向异性与非均质均较强，其空隙缺陷结构具有有不规则性和复杂性，从而使得制备的煤样离散性较大。为消除煤样离散性对试验的影响，挑选干质量和波速相近，表观无明显破损的煤样作为试验煤样，并依据不同液氮作用条件分组。
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第 2 章 液氮作用煤损伤研究
2.1 液氮冷冻煤试验
2.1.1 制备煤样
从纳林河矿 3-1 工作面取大块煤样，在实验室切割成 50 mm× 50 mm× 50 mm 正方体煤样，煤样各面平整，端面与轴线垂直，偏差不超过 0.2 mm，得到的原始煤样见图 2-1。
将制备好的原始煤样放入电热鼓风干燥箱内，在 105 oC 条件下烘 48 h，之后每隔 1 h 测一次煤样质量，待煤样质量变化不超过 0.2 %时,煤样干燥完成，记录煤样干质量。使用 NM-4B 非金属超声检测仪测试烘干煤样三个方向波速，取平均值作为煤样波速。煤受长期地质构造作用，其各向异性与非均质均较强，其空隙缺陷结构具有有不规则性和复杂性，从而使得制备的煤样离散性较大。为消除煤样离散性对试验的影响，挑选干质量和波速相近，表观无明显破损的煤样作为试验煤样，并依据不同液氮作用条件分组。
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2.2 液氮冷冻煤试验结果
2.2.1 液氮冷冻前后煤表观损伤
2.2.1 液氮冷冻前后煤表观损伤
煤样经液氮作用后，内部细小煤颗粒可能脱落，并沿裂隙脱离煤样，导致煤样质量变化。
液氮冻融前后煤样的质量变化情况如表 2-6 所示.从表 2-6 可以看出，液氮冻融循环后未破坏煤样的质量都略有减小，且减小量随冻融循环次数的增加不断增加，但减小幅度很小，以液氮冻融循环次数 3 次的 SG3 组煤样为例，液氮作用前该组煤样平均质量为 202.18 g，液氮冻融循环作用 3 次后，该组煤样的平均质量为 201.56 g，煤样质量损失率 Δm 为 0.3 %。
液氮冻融前后煤样的质量变化情况如表 2-6 所示.从表 2-6 可以看出，液氮冻融循环后未破坏煤样的质量都略有减小，且减小量随冻融循环次数的增加不断增加，但减小幅度很小，以液氮冻融循环次数 3 次的 SG3 组煤样为例，液氮作用前该组煤样平均质量为 202.18 g，液氮冻融循环作用 3 次后，该组煤样的平均质量为 201.56 g，煤样质量损失率 Δm 为 0.3 %。
不同冷冻温度煤样的质量变化情况如表 2-7 所示。从表 2-7 可以看出，煤样经不同冷冻温度作用后质量都略有减小，但减小幅度均很小。-15 oC 冷冻组煤样，冷冻前该组煤样平均质量为 201.46 g，冷冻后，该组煤样的平均质量为 201.20 g，煤样质量损失率 Δm 为 0.13 %；液氮作用组煤样，冷冻前煤样平均质量为 200.81 g，冷冻后，该组煤样的平均质量为 200.35 g，煤样质量损失率 Δm 为 0.23 %，略高于-15 oC 冷冻组煤样。
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第 3 章 液氮冷冻前后煤的单轴压缩试验 ·························· 25
3.1 单轴压缩试验 ···························· 25
3.1.1 试验设备 ························· 25
3.1.2 试验过程 ·························· 25
第 4 章 液氮冷冻前后煤的循环荷载试验 ···································· 35
4.1 循环荷载试验 ··························· 35
4.1.1 试验设备 ························ 35
4.1.2 试验过程 ····················· 36
第 4 章 液氮冷冻前后煤的循环荷载试验
4.1 循环荷载试验
4.1.1 试验设备
本文循环荷载试验均是是在 PA-100 微控电液伺服疲劳试验机上完成的，设备见图 4-1。此试验机为长春科新试验仪器有限公司所生产。可使用应力、应变控制等试验控制方式，试验波形可选正弦波、三角波、方波等。试验机部分主要参数为:
最大动态荷载(KN)——±100
试验频率(Hz)——0.1~20
作动器行程(mm)——±100
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结论
本文依托国家自然基金项目(Nos.51574139)，以制备的鄂尔多斯纳林河矿煤样为研究对象，通过进行液氮冷冻试验与力学试验，研究煤经不同冻融循环次数液氮冷冻后、不同冷冻温度冷冻后、不同煤样饱水度液氮冷冻后力学特性的变化，具体研究内容包括以下三方面：研究液氮作用对裂隙宽度、纵波波速、煤样质量的影响规律；结合单轴压缩试验结果，研究液氮作用对煤样单轴抗压强度、弹性模量、泊松比破坏应变、脆性模量等静力学参数的影响规律；结合循环荷载试验结果，研究液氮作用对煤样轴向变形演化过程、轴向应变总量、疲劳寿命等疲劳特性的影响。主要得出了以下结论：
（1）对于经冻融循环的煤样，煤样表观微裂隙随着液氮冻融循环作用次数增加逐渐扩展，且煤样可能破碎，而-15 oC 条件与干燥条件下煤样表观裂隙扩展量均较小。若煤样未破碎，液氮作用对煤样质量影响不大。
（2）干燥煤样经饱水处理后，波速大幅提高。对于液氮冻融循环试验，随着液氮冻融循环次数增加，煤样的波速先快速下降，而后逐渐趋缓，当液氮冻融循环次数达到 5 次后，再增加液氮冻融循环次数，煤样的波速基本不变。-15 oC 环境温度下冷冻煤样，煤样波速变化率小于液氮作用后煤样。干燥煤样与饱水煤样经液氮作用后，干燥煤样的波速变化率小于饱水煤样。
（3）煤样单轴压缩试验结果表明，煤样单轴压缩的破坏过程均可分为四个阶段：压密阶段、弹性阶段、硬化阶段和峰后应变软化阶段。
（4）对于经液氮冻融循环作用的煤样，随着冻融循环次数增加，内部结构损伤不断累积，力学性质降低，并由脆性向塑性转变。由对煤样各力学参数的拟合结果可知为：随着冻融循环次数增加，煤样的单轴抗压强度、破坏应变、脆性模量等力学参数呈指数降低，弹性模量线性降低，其中脆性模量的大幅降低说明液氮作用有助于降低煤层的冲击和岩爆风险，当液氮冻融循环 5 次后再增加冻融循环作用次数，
以上力学参数仍然降低，但降低速率趋缓；随着冻融循环次数增加，煤样的泊松比和 εA 等力学参数近似呈线性增加。
参考文献(略)
参考文献(略)