不同等级的饱水煤在液氮冷冻和解冻处理下的损伤及声学特性

《Geoscience Frontiers》：Damage and acoustic characteristics of water-saturated coals with different ranks under liquid nitrogen freezing and thawing treatments

液氮冻融处理下不同煤阶的机械与声学损伤演化规律及累积效应分析。通过超声、单轴压缩和声发射技术，揭示了单次与多次冻融对低阶褐煤、中阶烟煤和高阶无烟煤的孔隙结构、裂隙发展和力学性能的影响机制，发现高阶煤抗冻融损伤能力更强，且多次冻融的累积损伤效应显著。

　　在深部煤矿和煤层气资源开发过程中，煤层的地质特性差异显著，这对液氮（LN?）压裂技术的应用效果产生重要影响。煤层的变质程度不同，导致其物理性质存在显著差异，从而影响压裂后的渗透性和气体产出效率。因此，深入研究不同煤阶在液氮冻结-融化过程中的力学与声学响应机制，对于优化液氮压裂技术、提高煤层气开采效率具有重要意义。

本研究选取了三种具有代表性的煤阶——褐煤、烟煤和无烟煤，分别进行单次液氮冻结融化（LNSFT）和多次冻结融化（LNCFT）实验。实验采用了超声波测量、单轴压缩测试和声发射（AE）监测等手段，全面评估了液氮处理对煤层物理性质的改变。研究发现，在冻结初期，煤层内部的孔隙水会因低温而发生固结，这种固结作用不仅提升了煤的强度，还增强了其声学特性。然而，随着冻结过程的持续，冻胀、热应力和液氮膨胀等因素开始引发裂纹的萌生与扩展，从而逐渐削弱煤的物理性能。这种增强与削弱的平衡状态主要由煤的孔隙结构、裂隙分布以及含水率等关键因素所决定。

在加载过程中，声发射信号呈现出明显的稳定期、激活期和衰减期特征。这表明在冻结和融化阶段，煤内部的裂纹发展方向具有一定的规律性，主要表现为剪切裂纹的扩展。这一现象对于理解煤在低温环境下的损伤机制至关重要。此外，研究还通过计算超声波P波速度（v）、峰值强度（σ）和弹性模量（E）等参数，得出损伤指数（D）的定量评估结果。数据显示，煤阶越高，其在冻结融化过程中的损伤程度越低，即高阶煤表现出更强的结构稳定性和抗冻融能力。这一结论为实际应用中选择适合的煤阶进行液氮压裂提供了理论依据。

进一步分析表明，在相同的累计冻结时间下，多次冻结融化（LNCFT）造成的损伤程度显著高于单次冻结融化（LNSFT）。这表明液氮压裂过程中存在累积损伤效应，即随着冻融循环次数的增加，煤层的物理性能会逐渐恶化。因此，在实际操作中，需要合理控制冻融循环的次数，以避免过度损伤煤层结构，影响气体的流动路径。同时，研究还发现，冻结和融化阶段对煤层的损伤具有不同的影响机制，其中冻结阶段能够暂时提升煤的强度和弹性模量，而融化阶段则会带来明显的性能下降。

从工程实践的角度来看，优化液氮压裂策略需要充分考虑煤阶的差异性。例如，在高阶煤中，由于其结构更加紧密、裂隙较少，液氮处理可能更有利于形成稳定的裂缝网络，从而提高煤层气的回收率。而在低阶煤中，由于其孔隙结构更为复杂，冻融过程可能更容易引发裂纹扩展，进而影响煤层的渗透性。因此，在实际应用中，应根据煤层的具体地质条件，制定相应的压裂方案，以实现最佳的气体产出效果。

研究还揭示了液氮压裂过程中煤层的微观变化。在冻结阶段，液氮的低温作用会使煤层内部的水分发生固结，从而改变其物理状态。这一过程不仅能够提升煤的强度，还能通过固结作用封闭部分孔隙，增强煤层的整体结构稳定性。然而，当煤层进入融化阶段后，固结的水分会重新释放，形成膨胀应力，进而引发裂纹扩展和结构破坏。这种由固结和膨胀引起的损伤过程，是液氮压裂技术中需要重点考虑的机制之一。

此外，液氮压裂的环境影响也值得关注。与传统的水力压裂技术相比，液氮压裂具有非污染、低能耗等优点，是一种更加环保的增产手段。然而，其在实际应用中仍面临诸多挑战，如如何有效控制液氮的注入速率和温度，以避免对煤层造成过度损伤；如何在复杂地质条件下实现最佳的压裂效果，提高气体的流动效率；以及如何评估液氮压裂对煤层长期稳定性的影响等。这些问题的解决，需要结合实验研究与数值模拟，进一步优化液氮压裂的技术参数。

本研究通过系统实验，揭示了不同煤阶在液氮冻结融化过程中的响应机制。在单次冻结融化条件下，褐煤、烟煤和无烟煤的P波速度、峰值强度和弹性模量均表现出一定的增强效应，但随着冻融循环次数的增加，这些参数逐渐下降，表明煤层在多次冻融作用下会受到更严重的损伤。这一发现对于指导液氮压裂的实际操作具有重要意义，特别是在深部煤层气开发中，如何平衡冻融循环的次数与煤层的物理性能变化，是提高压裂效果的关键。

从技术角度来看，液氮压裂的实施需要依赖于一系列配套设备和技术流程。例如，在煤矿巷道中，首先需要使用钻探设备钻入煤层，然后通过液氮储罐和高压输送泵将液氮送入钻孔，以实现煤层的压裂。这一过程涉及多个技术环节，包括液氮的制备、输送、注入以及后续的融化控制等。在实际操作中，液氮的注入速度和温度需要根据煤层的具体情况进行调整，以确保压裂效果的最大化。

研究还强调了液氮压裂在提高煤层渗透性方面的潜力。通过冻结和融化过程，煤层内部的裂纹网络可以得到扩展和连接，从而改善气体的流动路径。这种改善不仅能够提高煤层气的采收率，还能够降低开采过程中的安全风险，如瓦斯突出和煤与瓦斯突出事故的发生概率。因此，液氮压裂技术在深部煤层气开发中具有广阔的应用前景。

然而，液氮压裂技术的推广和应用仍需克服一些技术难题。例如，如何在不同地质条件下实现液氮的高效注入和均匀分布，以确保压裂效果的均匀性；如何通过实时监测技术，及时掌握煤层的损伤状态，从而调整压裂策略；以及如何在压裂后对煤层进行有效的维护，以延长其生产周期等。这些问题的解决，需要结合先进的监测技术、数据分析方法和工程实践，进一步推动液氮压裂技术的发展。

综上所述，液氮压裂作为一种绿色、环保的增产技术，具有显著的应用价值。然而，其在实际应用中仍需充分考虑煤层的地质特性、冻融循环的影响以及技术参数的优化。通过系统研究不同煤阶在液氮处理过程中的响应机制，可以为液氮压裂技术的推广和应用提供科学依据，从而提高深部煤层气的开采效率和安全性。