【摘 要】
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我国煤层“三高一低“的特点制约了煤层气开采,必须对煤层进行人工增透处理来增强煤层的渗透性能。液氮致裂技术作为一种无水力致裂技术,能高效地增强煤层的渗透性能。本文以液氮致裂技术为基础,开展不同循环周期、含水饱和度和初始温度煤样液氮冷浸实验,利用OLS4000激光共聚焦显微镜观测冷浸前后煤样表面裂隙,采用MATLAB图像处理和Fraclab维数计算,利用NM-4B非金属超声检测仪测量冷浸前后声波在煤样
【基金项目】
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国家自然科学基金青年基金资助项目（51704142）； 辽宁省博士科研启动基金计划项目（2019-BS-115）；
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我国煤层“三高一低“的特点制约了煤层气开采,必须对煤层进行人工增透处理来增强煤层的渗透性能。液氮致裂技术作为一种无水力致裂技术,能高效地增强煤层的渗透性能。本文以液氮致裂技术为基础,开展不同循环周期、含水饱和度和初始温度煤样液氮冷浸实验,利用OLS4000激光共聚焦显微镜观测冷浸前后煤样表面裂隙,采用MATLAB图像处理和Fraclab维数计算,利用NM-4B非金属超声检测仪测量冷浸前后声波在煤样中传播速度,计算作为孔隙率和完整性指标;利用MH-25试验机对冷浸后的煤样进行单轴压缩实验,测得冷浸后煤样的峰值强度和残余强度,计算脆性指标。分析了温度应力和冰楔膨胀应力对煤样致裂的作用机理,建立了耦合作用下液氮冷浸煤样力学模型和以纵波波速表征煤岩损伤程度的损伤变量,分析液氮液氮作用下煤样裂隙扩展规律。研究结果如下:（1）在不同循环周期条件下煤样液氮冷浸实验中,煤样表面维数、维数差值、孔隙率随循环周期增加而增加,煤样完整性指标、峰值强度、脆性指标随循环周期增加而降低,9周期液氮冷浸作用后达到极限。（2）在不同含水饱和度条件下煤样液氮冷浸实验中,煤样表面维数、维数差值、孔隙率随饱和度增加而增加,煤样完整性指标、峰值强度、脆性指标随饱和度增加而降低,在设计的实验中100%饱和度时最明显。（3）在不同初始温度条件下煤样液氮冷浸实验中,煤样表面维数、维数差值、孔隙率随初始温度上升而增大,煤样完整性指标、峰值强度、脆性指标随初始温度上升而降低,在设计的实验中80℃时最明显。（4）液氮冷浸致煤样的物理结构发生改变,力学强度发生劣化,造成这种改性的主要因素是温度突变引起的温度应力和水冰相变产生的冰楔膨胀应力,当二者耦合作用时,冰楔膨胀应力起到了决定性作用。这将为冷浸煤岩开采煤层气提供理论和实验基础。
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