0 引 言
我国煤层气储层渗透率低，抽采困难，易于引发瓦斯灾害[1]。仅2013年发生在白杨沟矿、宏兴矿等矿井的瓦斯灾害就造成60多人死亡。为提高低渗煤层瓦斯抽采率，国内外学者开展了大量研究，如高压水冲孔、割缝、压裂和射流技术[2-5]、爆破致裂增透技术[6-7]、采动卸压增透技术[8]、功率超声冲击技术[9]等。近些年，受页岩气开发中液氮冷冲击砂岩技术的启发，液氮致裂增透技术被逐渐提出和发展。任韶然等[10]通过试验研究液氮冷冻下干燥煤样结构损伤。CAI等[11]研究液氮作用砂岩孔隙结构改变。张春会等[12-14]研究饱水度、冻融次数和煤质等因素对煤裂隙扩展和内部结构损伤的影响。李和万等[15-16]研究液氮冻融循环下承载煤样的结构损伤机制。翟成等[17]研究低温流体循环作用下煤孔隙结构演化。文献[18-21]先后研究液氮冷冻煤的渗透率演化。张春会等[22]通过理论推导给出液氮冷冻煤层作用范围。这些已有研究聚焦于液氮作用下煤的破裂损伤和渗透特性演化，初步验证了低渗煤层注液氮致裂增透的可行性。工程实践中，通过对工作面前方煤层钻孔注液氮破裂煤层，然后抽采煤层瓦斯，再开采煤层。然而，煤层遭受液氮冷冻作用后，内部微孔隙和微裂隙结构扩展，煤体损伤，煤的静动力学特性变化，这对采场安全性有很大影响。文献[16]测试了液氮作用对不同围压下干燥煤抗压强度的影响，结果表明煤的抗压强度有所下降。实际工程条件复杂，如地下煤层通常都遭受地下水作用；在工程实践中常多次注入液氮提升冷裂效果；在煤层开采过程中煤层频繁遭受放炮、机械等动荷载作用等。目前国内外研究主要聚焦于液氮作用对煤孔隙结构和渗透特性的影响，对液氮作用前后煤的静动力学特性的改变认识尚不深入。笔者对液氮作用前后煤的静、动力学特性开展了单轴压缩和循环加载试验研究，从而为采矿工程相关灾害预报和防治提供技术支持。
1 试 验
1.1 试样制备
从纳林河二矿3-1煤取大块煤样，按照岩样制备规范在实验室制备高度100 mm、直径50 mm的圆柱煤样。将制备好的煤样在105 ℃下烘干。测量试样波速，挑选质量和波速相近、表观完整煤样作为试验煤样。试验煤样每组6个，共制作5组。第1组煤样不实施液氮作用(下文称对照组)，使用CG标识，“-”后数字为煤样序号，见表1。另4组煤样实施液氮作用，液氮冻融次数分别为1、3、5、7次，使用SG标识，其后数字为液氮冻融次数，“-”后数字标明了煤样的序号。30个干燥煤样的质量、波速以及煤样抽真空吸水饱和后再测的质量和波速结果见表1。统计表1中测量数据，干燥煤样质量和波速平均值分别为192.22 g和1 677 m/s，标准差分别为1.96 g和89 m/s。饱水煤样质量和波速平均值分别为201.04 g和2 213 m/s，标准差分别为1.96 g和43 m/s。
表1 试验煤样质量和波速测量结果
Table 1 Measurement resules of coal samples quality and wave velocity
煤样编号试验类型干燥煤样饱水煤样质量/g波速/(m·s-1)质量/g波速/(m·s-1)CG-1CG-2CG-3单轴193.491609201.942169190.001609198.332230192.871655201.062199CG-4CG-5CG-6循环194.581689203.612231190.221615201.252274192.171682199.322258SG1-1SG1-2SG1-3单轴193.381699201.892233194.651691202.622248190.641667197.922206SG1-4SG1-5SG1-6循环193.651650203.172196191.871631200.652268189.961763199.632163SG3-1SG3-2SG3-3单轴190.721830200.342159196.281926204.072248193.881893202.142135SG3-4SG3-5SG3-6循环194.111759202.182245192.681632201.582261190.351756200.182287SG5-1SG5-2SG5-3单轴192.081645199.982193187.031661194.642222193.601718200.332230SG5-4SG5-5SG5-6循环191.381608201.362184189.331627199.362231191.321632202.352159SG7-1SG7-2SG7-3单轴192.881571201.242244192.221527201.632231192.581569200.252126SG7-4SG7-5SG7-6循环193.661699203.462198190.161635200.542147194.851654204.312236
煤样质量和波速变异性小，可将这些煤样视作无差别煤样。笔者对各组饱水煤样开展单轴压缩和循环加载2种试验。
1.2 试验装置
单轴压缩试验在YAD-2000电液伺服试验机上进行。在试验煤样对称侧面按半桥法粘贴应变片，采用DH5922D动态信号测试分析系统采集应变数据。试验加载速率为0.002 mm/s，试验开始控制试验机，使得试验机压头缓慢接触试样，当试验机压力达到2 kN后，开始记录试样变形和压力，加载直至试样破坏。
循环荷载试验在PA-100微控电液伺服疲劳试验机上进行，试验机主要由加载系统、水冷却系统、液压控制系统和数据采集和控制系统组成，如图1所示。试验机最大动态荷载为±100 kN，作动器行程为±100 mm，试验波形可以编程控制。
图1 PA-100电液伺服疲劳试验机
Fig.1 Electro-hydraulic-servo fatigue tester of PA-100
所有试验均在室温下进行，煤样循环荷载试验频率1 Hz，应力上下幅值分别为静载抗压强度的75%和25%，煤样破坏后试验终止。
1.3 试验过程
1)从表1可以看出，干燥煤样抽真空吸水饱和后，平均波速从1 677 m/s提高到了2 216 m/s，平均波速上升了32.1%。在这一过程中，煤样孔隙空间由于抽真空饱和为水替代，水中波速为1 500 m/s，空气中波速为340 m/s，这使得饱水煤样波速上升。
2)对于SG组煤样，将煤样置于保温桶内，启动液氮泵，向保温桶内缓慢注入液氮，当液氮液面没过煤样5 cm，关闭液氮泵。参考以往试验[12-16]，试样液氮浸泡的时间为4 h，然后小心轻轻取出煤样，在室温下融化24 h，完成一次液氮冻融循环。这种试验条件可以保证试样冷冻且融化均匀。重复上述步骤，按照预定方案完成试验。
3)液氮冻融循环作用下煤样的波速测试。
4)按照预定力学试验方案，开展煤样单轴压缩试验和循环荷载试验。
2 试验结果及分析
2.1 波速测试及分析
SG7组 6个煤样不同液氮冻融循环次数与平均波速的关系如图2所示。从图2可以看出，煤样第1次经过液氮冻融作用后，平均波速从2 197 m/s降低至1 474 m/s，降低幅度达到32.9%。随着液氮冻融次数增加，煤样的波速继续降低，但降低速率快速趋缓。液氮作用3次后波速降低了44.9%，这也是一个拐点，在此之后液氮作用次数对波速变化的影响显著减小，液氮作用5次，波速降低47.3%。液氮冻融作用后，饱水煤样波速之所以降低，主要是由于液氮冻融作用下液态水相变为固态冰引起煤样内孔隙和裂隙空间增大所致。
图2 液氮冻融循环次数对波速的影响
Fig.2 Effects of liquid nitrogen freezing and thawing cycles on wave velocity
定义液氮冻融作用下波速系数ηV为
(1)
式中：Vi为液氮冻融循环作用第i次的波速；V0为未遭受液氮作用的煤样波速。
液氮冻融循环作用次数与液氮冻融作用下波速系数的关系如图3所示。随着液氮冻融循环作用次数的增加，煤样波速降低速率趋缓，这与文献[12]的结论一致，其主要原因是：液氮作用下饱水煤样内液态水相变为固态冰，体积膨胀，冻胀压力使得煤内孔隙和裂隙结构损伤，孔隙裂隙空间增大，煤样体积膨胀，波速下降。当液氮再次作用时，由于煤的体积已经膨胀，空隙空间较大，水相变冻胀压力减小，煤样结构损伤趋缓，波速降低速率也随之趋缓。
图3 液氮冻融循环作用次数对液氮作用波速系数的影响
Fig.3 Effects of liquid nitrogen freezing-thawing cycles on wave velocity coefficient
液氮冻融作用下波速系数与液氮冻融循环作用次数之间近似服从负指数函数关系，其拟合关系式为
ηV=(1-ηVr)e-ai+ηVr
(2)
式中：ηVr为残余波速系数；a为拟合系数。
利用式(2)对试验数据拟合可得，ηVr=0.504 8，a=1.061。
2.2 单轴压缩试验
CG组、SG1组、SG3组、SG5组、SG7组，每组3个煤样按照表1计划开展液氮冻融和单轴压缩试验。当试验机达到2 kN时，试验机自动启动，实时记录轴向位移和轴向力，获得试样轴向位移-轴向力-时间试验数据，对每一煤样试验数据按时间加权平均和换算，获得每组煤样单轴压缩试验的应力-应变曲线，如图4所示。
图4 液氮冻融作用下煤轴向应力-应变曲线
Fig.4 Stress-strain curves of coal subjected to liquid nitrogen cooling
从图4可以看出，液氮冻融作用下煤样单轴压缩应力-应变曲线(以液氮作用1次为例)包括压密(AB)、弹性(BC)、塑性硬化(CD)和峰后应变软化(DE)4个阶段，这与未实施液氮作用煤样的变形特征相同[16]。定义压密结束时的应变为压密应变，记为εB，应力-应变曲线峰值强度点(D)对应的应变与εB之差为破坏应变εs。由图4试验数据，获得不同液氮冻融循环下煤样单轴抗压强度σ、弹性模量E、泊松比ν、压密应变εB和破坏应变εs，结果见表2。
表2 液氮冻融作用下煤样的力学参数
Table 2 Mechanical parameters of coal sample subjected to liquid nitrogen freezing-thawing
冻融次数σ/MPaE/MPaνεB/10-2εs/10-2020.9115220.220.481.59114.6515240.260.491.0238.8312060.350.560.8856.417990.460.640.8276.427090.720.760.87
定义单轴抗压强度系数ησ为
(3)
式中：σi为液氮冻融循环作用第i次的单轴抗压强度；σ0为未遭受液氮作用的单轴抗压强度。
弹性模量系数ηE为
(4)
式中：Ei为液氮冻融循环作用第i次的弹性模量；E0为未遭受液氮作用的弹性模量。
由表2中试验数据，获得煤样单轴抗压强度系数与液氮冻融循环作用次数的关系如图5所示。煤样单轴抗压强度随液氮冻融循环作用次数增加而降低，液氮作用1次和3次后，单轴抗压强度分别降低了29.9%和57.8%。单轴抗压强度系数与液氮冻融循环作用次数之间近似符合负指数函数关系，其拟合关系式为
图5 液氮冻融循环作用次数对单轴抗压强度系数的影响
Fig.5 Effects of liquid nitrogen freezing and thawing cycles on the coefficient of uniaxial compression strength
ησ=(1-ησr)e-bi+ησr
(5)
式中：ησr为残余单轴抗压强度系数；b为拟合系数。
利用式(5)对试验数据拟合可得，ησr=0.277 4，b=0.543。
弹性模量系数ηE和泊松比ν与液氮冻融循环作用次数i的关系如图6所示。压密应变εB和破坏应变εS与液氮冻融循环作用次数i的关系如图7所示。弹性模量和弹性模量系数随液氮冻融循环次数近似线性降低，泊松比和压密应变随液氮冻融循环作用次数近似线性增加，破坏应变则有减小趋势。液氮作用1次后，煤样弹性模量和破坏应变分别降低了0.2%和35.9%，泊松比和压密应变分别增加了18.2%和2.1%；液氮作用3次后，煤样弹性模量和破坏应变分别降低了20.8%和44.7%，泊松比和压密应变分别增加了59.1%和16.7%。
图6 弹性模量系数和泊松比与液氮冻融循环次数的关系
Fig.6 Relationship between the coefficient of elastic modulus, poisson ratio and liquid nitrogen freezing and thawing cycles
图7 压密应变和破坏应变与冻融循环次数的关系
Fig.7 Relationship between compaction and failure strain and liquid nitrogen freezing and thawing cycles
饱水煤样在液氮冻融作用下其内部液态水相变为固态冰，冻胀力使得煤内损伤加剧，空隙空间增加。液氮多次冻融循环作用下，煤样内损伤积聚，使得煤样单轴抗压强度和弹性模量随之持续降低。煤样内结构损伤和空隙空间增大使得煤样泊松比和压密应变增大。煤样破坏应变减小，表明液氮作用使得煤样脆性增强。从试验结果来看，煤样单轴抗压强度呈负指数衰减、弹性模量呈直线衰减、泊松比和压密应变呈线性增加。目前国内外学者对于液氮冻融循环作用下煤力学特性试验研究成果尚少，这些结论还需要进一步的试验验证。
2.3 循环荷载试验
1)应力-应变曲线特征。图8为未遭受液氮作用、液氮作用1次和液氮作用5次煤的应力-应变滞回曲线。这3种情况的轴向应力-应变滞回曲线形态相似，都包括3个阶段。第1阶段是煤样在循环荷载作用下的压密，滞回环间距较疏，数量较少，弹性模量也相对较小。第2阶段是主要阶段，滞回环密集，数量多，单一滞回环面积小，煤样动态弹性模量大。第3阶段煤样已临近破坏，回滞环面积和间距都快速变大，煤样动态弹性模量减小，性能劣化。
Ⅰ—静载试验曲线；Ⅱ—循环荷载试验曲线
图8 液氮冻融循环作用下煤样应力应变滞回曲线
Fig.8 Stress-strain hysteresis curve of coal sample subjected to liquid nitrogen freezing-thawing cycles
图9为不同液氮冻融循环作用煤样的轴向应变和循环加载次数之间的关系。液氮冻融循环作用次数对煤样的寿命和轴向破坏应变都有很大影响。遭受1次液氮作用煤样动载破坏时的轴向应变和疲劳寿命分别为0.44%和553次；遭受7次液氮作用煤样动载破坏时的轴向应变和疲劳寿命分别为0.37%和281次，分别降低了15.9%和49.2%。
图9 循环加载次数与轴向应变的关系
Fig.9 Relationship between cyclic loading and axial strain
液氮冻融循环作用次数与煤样疲劳寿命的关系如图10所示。随着液氮冻融循环作用次数增加，煤样疲劳寿命随之降低，液氮作用1次、3次和5次，煤样疲劳寿命分别降低了22.7%、42.3%和58.6%。这主要是由于随着液氮冻融循环作用次数增加，煤样损伤加剧，煤样内微裂隙、微孔隙发育，煤样承载能力降低所致。另外，液氮冻融循环作用次数增加，煤样疲劳寿命降低速率也逐渐趋缓。在荷载条件确定时液氮冻融循环作用次数i与疲劳寿命F之间近似服从负指数函数关系，可以使用如下方程拟合：
图10 液氮冻融循环作用次数与疲劳寿命的关系
Fig.10 Relationship between fatigue life and liquid nitrogen freezing and thawing cycles
F=F0[(1-a)e-bi+a]
(6)
式中：F0为未遭受液氮作用煤的疲劳寿命；a和b为拟合系数。
利用式(6)对试验数据拟合得F0=714次，a=0.1726,b=0.2762。
3 结 论
1)液氮冻融作用1次后，煤样波速、弹性模量、单轴抗压强度、破坏应变和疲劳寿命分别降低了32.9%、0.2%、29.9%、35.9%和22.7%，液氮作用3次后分别降低了44.9%、20.8%、57.8%、44.7%和42.3%，随着液氮冻融循环次数的增加，煤样波速、弹性模量、单轴抗压强度、破坏应变和疲劳寿命降低。
2)液氮冻融作用1次后，煤样泊松比和压密应变分别增加了18.2%和2.1%，液氮冻融作用3次后，分别增加了59.1%和16.7%，随着液氮冻融循环次数增加，泊松比和压密应变增大。
3)液氮冻融循环作用次数与波速系数、单轴抗压强度系数、疲劳寿命之间近似服从负指数函数关系。
4)循环荷载作用下，液氮冻融循环作用下煤的应力-应变滞回曲线呈稀疏-稠密-稀疏3阶段演化。
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