液氮冻融循环作用下饱水煤样力学特性试验研究

张春会^1,2，耿哲¹，徐刚³，赵全胜¹，李和万²

1. 河北科技大学建筑工程学院2. 辽宁工程技术大学力学与工程学院3. 天地科技股份有限公司开采设计事业部

摘 要：液氮注入低渗煤层致裂、增透是提高瓦斯抽采率的新技术。液氮是超低温流体,与煤作用的温度应力引起煤结构损伤和力学特性改变,进而影响煤矿安全开采。为揭示液氮冻融循环作用对煤力学特性的影响,将取自于纳林河矿的原煤,制成饱水煤样,开展液氮冻融循环和力学特性试验。通过波速测试、单轴压缩试验和循环荷载试验测试液氮作用前后煤的波速、弹性模量、单轴抗压强度、泊松比、压密应变、破坏应变和疲劳寿命的变化,分析液氮冷冻和冻融循环次数对煤力学特性的影响规律。结果表明,液氮冷冻和液氮冻融循环次数对煤力学特性有很大影响。液氮冷冻后,煤样结构损伤,力学性能劣化。液氮作用1次,煤样波速、弹性模量、单轴抗压强度、破坏应变、疲劳寿命分别降低了32.9%、0.2%、29.9%、35.9%和22.7%,泊松比和压密应变分别增加了18.2%和2.1%。液氮作用3次煤样波速、弹性模量、单轴抗压强度、破坏应变、疲劳寿命分别降低了44.9%、20.8%、57.8%、44.7%和42.3%,泊松比和压密应变分别增加了59.1%和16.7%。随着液氮冻融循环次数的增加,煤样结构损伤和力学性能劣化加剧。单轴抗压强度、疲劳寿命与液氮冻融循环次数呈负指数函数关系,弹性模量和压密应变与液氮冻融循环次数呈线性关系。

关键词：液氮冻融循环;波速系数;循环荷载;单轴抗压强度;疲劳寿命;