低温下煤岩脆性的特征

《ACS Omega》：The Characteristics of Coal Rock Brittleness at Low Temperatures

低温下煤岩脆性演变与孔隙结构关系研究。通过机械测试和核磁共振（NMR）分析，发现煤岩脆性指数随温度降低先增大后减小，中等水饱和度（46.9%）时脆性增幅最显著，孔隙结构变化和冻裂效应共同作用导致脆性演化。

　　在特定的工程领域，岩石会经历极端低温环境，这种低温条件对岩石的脆性行为产生了显著影响，进而对岩石工程结构的稳定性构成挑战。因此，研究岩石在低温下的脆性特性对于提高相关工程的安全性和可靠性具有重要意义。本研究通过将不同含水率的煤岩样品暴露于从?175到25 °C的温度范围内，系统地探讨了低温对煤岩脆性的影响。研究采用机械测试方法，提取了应力-应变曲线，并据此构建了一个脆性指数，以量化煤岩在不同温度条件下的脆性变化。实验结果表明，煤岩的脆性在温度降低过程中呈现出非线性变化趋势，其中含水率适中的煤岩表现出最显著的脆性增强。这一发现为进一步揭示低温环境下煤岩脆性的演化机制提供了新的视角。

低温对岩石脆性的影响是一个复杂的过程，涉及岩石内部结构和外部环境条件的相互作用。以往的研究多集中于?30 °C至常温之间的温度范围，但随着工程需求的不断扩展，一些新兴领域开始关注更低的温度条件。例如，地下液化石油气储藏、液氮辅助油气开采以及低温液体喷射破碎煤岩等技术，均涉及煤岩在?196 °C左右的极端低温环境。在这些低温条件下，岩石的物理和机械性能会发生显著变化，影响其在实际工程中的应用效果。已有研究表明，随着温度的降低，岩石的抗压强度、抗拉强度和断裂韧性等参数通常会有所提升，而泊松比、比热容和热膨胀系数则呈现下降趋势。然而，这些研究多集中于岩石的宏观力学行为，较少关注其脆性特性的具体变化，尤其是在不同含水率条件下的表现。

为了更全面地理解煤岩在低温下的脆性演化，本研究不仅关注温度变化对煤岩整体性能的影响，还特别考察了含水率这一关键因素的作用。实验设计中，煤岩样品被分为三种不同的含水率组：0%、46.9%和95.6%。通过将这些样品在?15、?55、?95、?135和?175 °C的温度条件下进行冷却处理，再将其置于轴向加载设备中进行单轴压缩测试，研究者得以获取详细的应力-应变数据。这些数据不仅反映了煤岩在不同温度下的力学响应，还为脆性指数的计算提供了基础。脆性指数的计算基于应力-应变曲线的峰值应变值，即在常温下的峰值应变与低温下的峰值应变之比。结果显示，随着温度的降低，脆性指数呈现出先上升后下降的趋势，尤其是在?100到?135 °C的温度区间内，含水率适中的煤岩表现出最强的脆性增强。

实验中还结合了核磁共振（NMR）技术，对不同含水率的煤岩样品在冷却前后的孔隙结构进行了分析。NMR技术因其非破坏性、高分辨率和快速检测能力，成为研究岩石孔隙结构的重要工具。通过分析NMR测得的T?弛豫时间分布曲线，研究者发现低温环境对煤岩孔隙结构产生了深远影响。具体而言，随着温度的降低，T?分布曲线呈现出明显的向右移动趋势，表明最大弛豫时间增加，这与孔隙结构的扩展有关。此外，T?分布曲线的峰高变化也反映了孔隙数量的增加，尤其是在高含水率的煤岩样品中，孔隙结构的破坏更为显著。这些变化进一步支持了脆性指数随温度降低而变化的实验结果，表明孔隙结构的演变是影响煤岩脆性的重要因素。

煤岩的脆性不仅受到温度的影响，还与其中的水分含量密切相关。在低温环境下，水分的相变过程（即从液态水转变为冰）会对孔隙结构产生复杂的作用。对于低含水率的煤岩，水分在孔隙中的存在量不足以在低温下产生显著的体积膨胀效应，因此其脆性变化主要由温度引起的分子活动减弱和结构变形能力降低所主导。然而，对于高含水率的煤岩，水分在孔隙中的冻结会导致体积膨胀，从而对孔隙壁施加压力，引起孔隙结构的破坏。这种破坏会进一步降低煤岩的抗变形能力，使其表现出更弱的脆性。因此，水分含量的高低在低温条件下对煤岩脆性的影响呈现出显著的差异性。

值得注意的是，实验中还观察到，在?15 °C以下，水分冻结对煤岩孔隙结构的影响逐渐显现。对于含水率46.9%的煤岩，随着温度的降低，水分逐渐冻结，孔隙结构受到一定压缩，从而增强了煤岩的抗压能力。然而，对于含水率95.6%的煤岩，由于水分含量过高，冻结过程导致了更严重的孔隙破坏，使得煤岩在低温下的脆性表现更加复杂。此外，实验结果还表明，即使在?15 °C以下，煤岩的脆性指数并未出现急剧下降，这可能与冰在孔隙中的支撑作用有关。冰的形成虽然会破坏部分孔隙结构，但其支撑特性也可能在一定程度上抵消了这种破坏的影响，从而维持了煤岩的力学性能。

在低温条件下，煤岩的脆性演化过程不仅受到水分含量的影响，还与孔隙结构的动态变化密切相关。当温度降低时，孔隙壁受到冰的支撑作用，这有助于维持结构的完整性，从而增强煤岩的抗变形能力。然而，当温度进一步下降，冰的体积膨胀可能导致孔隙结构的破裂，从而削弱煤岩的力学性能。因此，低温环境下的脆性演化是一个由多个因素共同作用的过程，既包括温度对分子活动和结构变形能力的影响，也包括水分冻结对孔隙结构的破坏和支撑作用的综合效应。

研究还指出，低温环境下煤岩的脆性变化具有明显的非线性特征。在温度从25 °C下降至?15 °C的过程中，煤岩的脆性指数呈现出先上升后下降的趋势。这种变化可能与孔隙结构的动态调整有关。在较低温度下，孔隙结构的扩展和冻结导致的体积变化共同作用，使得煤岩的脆性表现更加复杂。因此，理解煤岩在不同温度和水分条件下的脆性演化，不仅有助于揭示其物理和机械行为的内在机制，也为低温环境下的岩石工程设计和材料选择提供了科学依据。

从实验结果来看，煤岩在低温下的脆性变化并非简单地由温度或水分单独决定，而是两者的共同作用结果。例如，在?15 °C以下，水分冻结对孔隙结构的影响逐渐增强，但同时也可能在一定程度上支撑了煤岩的结构，从而缓解了脆性增强的趋势。因此，煤岩的脆性表现是多种因素综合作用的结果，需要从更全面的角度进行分析。这种复杂性提示我们，在实际工程应用中，应充分考虑温度和水分含量的综合影响，以确保结构的安全性和稳定性。

此外，研究还发现，煤岩在低温下的脆性变化具有一定的可逆性。在冷却过程中，孔隙结构的变化可能随着温度的回升而部分恢复，但这种恢复过程并非完全可逆，尤其是在高含水率的煤岩样品中，孔隙结构的破坏程度较大，导致其脆性表现更加不稳定。因此，在低温工程设计中，除了关注温度变化对材料性能的影响外，还应充分考虑材料在不同温度条件下的可恢复性，以评估其长期稳定性。

综上所述，本研究通过系统地分析不同含水率煤岩在低温下的脆性行为，揭示了温度和水分含量对煤岩脆性演化的重要影响。研究结果表明，煤岩的脆性指数在低温条件下呈现出非线性变化趋势，其中含水率适中的煤岩表现出最强的脆性增强，而高含水率的煤岩则表现出更复杂的脆性变化。这些发现不仅为低温环境下岩石工程的设计和施工提供了理论支持，也为进一步研究低温对岩石材料的影响奠定了基础。未来的研究可以进一步探讨不同温度区间内水分冻结对孔隙结构的具体作用机制，以及如何通过调控水分含量来优化煤岩在低温条件下的性能表现。