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题名液态CO_(2)冻融煤体变形损伤特性研究
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作者
白刚
王亚东
苏俊
周忠杰
范超军
陈军典
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机构
辽宁工程技术大学安全科学与工程学院
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
辽宁工程技术大学矿业学院
辽宁省物测勘查院有限责任公司
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出处
《煤炭学报》
北大核心
2025年第2期1003-1016,共14页
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基金
国家自然科学基金资助项目(52104195,52274204)
中国科协青年人才托举工程资助项目(2022QNRC001)。
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文摘
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CO_(2)为压裂介质冻融煤体是改善煤层透气性的方法之一。液态CO_(2)通过对煤体造成变形损伤改变煤层透气性,深入研究液态CO_(2)冻融煤体变形损伤特性,是揭示液态CO_(2)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CO_(2)冻融煤体实验系统,开展液态CO_(2)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CO_(2)冻融对煤体应力、应变的影响规律及罐中CO_(2)相态特征,探究液态CO_(2)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CO_(2)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CO_(2)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CO_(2)相态呈现气态−液态(气−液共存)−气态的变化趋势,液态CO_(2)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10056.636×10^(−6)、11480.186×10^(−6)、7881.893×10^(−6),残余应变分别为270.191×10^(−6)、154.869×10^(−6)、2033.636×10^(−6),胀缩率分别为2.686%、1.349%、25.801%。液态CO_(2)冻融复合应力作用对煤样造成的总变形损伤量为2033.636×10^(−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)、1763.445×10^(−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CO_(2)冻融煤体变形损伤机理,丰富了液态CO_(2)致裂增透煤体强化瓦斯抽采技术体系。
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关键词
煤层气
液态CO_(2)冻融
变形损伤
CO_(2)相态转换
复合应力
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Keywords
coal bed methane
liquid CO_(2)freeze-thaw
deformation damage
phase transition of CO_(2)
combined stress
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分类号
TD712
[矿业工程—矿井通风与安全]
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