液氮辅助水射流冲击破碎煤岩的特性与机理研究：低温致裂协同高压冲蚀的增效机制

为解决深部煤层低渗透率导致的瓦斯抽采难题，中国研究人员创新性提出液氮辅助水射流(LNAWJ)破碎技术。该研究通过液氮冷冲击与高压水射流协同作用，使煤体破碎坑深度提升44.44%、面积增加125.98%，显著改善煤岩孔隙裂隙结构，为深部煤层气高效开采提供新方案。

　　

深部煤炭资源开采面临高瓦斯压力、高地应力和低渗透率的"三高"难题，传统水力割缝等技术难以有效打破应力平衡。更棘手的是，常规水射流作用时间短，钻孔瓦斯抽采时效性差，而单纯液氮冷冲击也存在作用效果有限的问题。如何突破这些技术瓶颈，成为提高煤层气开采效率的关键。山西某研究团队独辟蹊径，将-196℃液氮的低温脆化效应与高压水射流的机械冲蚀作用相结合，在《Powder Technology》发表了一项突破性研究。

研究团队采用自主研发的水射流冲击实验系统，对陕西榆林河畔煤矿的标准圆柱煤样(?50×100mm和?50×50mm)进行系列实验。关键技术包括：液氮冷冲击时间梯度控制(0-60min)、室温热冲击时间调节、水射流压力调控(8-16MPa)，结合三维形貌扫描和表面应变分析，系统评估了煤样单轴抗压强度、裂隙面积、孔隙率等参数变化规律。

实验煤样制备
选取均质煤样制备标准圆柱试件，确保两组实验样本来自同一煤块，消除材质差异干扰。

液氮冷冲击煤体劣化规律
研究发现液氮致裂过程分为冷冲击(液态氮接触阶段)和室温热冲击(复温阶段)两阶段。当冷冲击时间达60分钟时，煤样单轴抗压强度显著降低，裂隙总长度和孔隙率分别增加83.7%和2.3倍，电镜观测显示原生裂隙扩展并新生微裂纹网络。

液氮冷冲击时间对煤体破坏的影响
对比单一水射流形成的规则椭圆冲击坑，LNAWJ作用后煤体呈现不规则破碎形态。在10MPa射流压力下，60分钟冷冲击使破碎坑深度达9.1mm(提升44.44%)，面积84.3mm²(增加63.59%)，坑壁出现放射状主断裂面并伴随二次裂纹发育。

水射流压力的影响机制
射流压力从8MPa提升至16MPa时，破碎坑深度和面积分别激增65.21%和360.80%。高压水流沿液氮预裂的微裂隙产生"楔入效应"，加速裂纹扩展。

破坏过程五阶段模型
研究首次提出LNAWJ破坏煤岩的五阶段机理：液氮冷冲击起裂→诱导裂纹微生成→室温热冲击→水射流冲击→煤体破碎。其中液氮预裂形成的微裂隙为水射流提供渗透通道，使裂纹路径总长度增加2.1倍。

该研究证实LNAWJ技术通过物理场协同效应实现"1+1>2"的破碎效果：液氮使煤基质收缩产生热应力(约18.7MPa)，水射流(16MPa时冲击速度达190m/s)则强化裂纹扩展。相比传统方法，该技术可使煤层透气性系数提高3-5倍，瓦斯抽采周期缩短40%，为深部煤层安全高效开采提供了创新解决方案。研究团队特别指出，下一步将优化液氮-水射流时序配合参数，推动该技术向工业化应用迈进。