不同冷热交替周期影响煤岩损伤规律研究_李和万.pdf

不同冷热交替周期影响煤岩损伤规律研究李和万，孙思洋，王来贵，刘戬，张子恒（辽宁工程技术大学力学与工程学院,辽宁阜新123000）摘要：温度是影响煤岩物理性质的重要因素，而煤岩作为固体介质存在着热胀冷缩的性质，冷热交替会使煤岩因形变发生不可逆损伤，最终导致煤岩原生裂隙结构损伤破坏。为了研究不同冷热交替周期对煤岩损伤的影响规律,选用辽宁省阜新地区长焰煤制成尺寸为 100mm100mm100mm 的正方体试件，采用在低温保存箱(15)和室温(20)内往复切换施加温度载荷的研究方法,测定试验前后煤样各力学参数和煤样表面维度，进而揭示煤样裂隙结构随冷热交替周期循环的扩展规律以及损伤机理。研究结果表明：冷热交替作用下煤样裂隙膨胀扩展，且煤样表面裂隙扩展量、扩展率均随冷热交替周期的循环逐渐增大。煤样在多周期温度载荷作用下力学性能减弱,损伤破坏严重，且煤样抗压强度随冷热交替周期的循环逐渐减小。利用 ABAQUS 软件建立煤样结构损伤力学模型,模拟计算结果与试验结果吻合度较高。煤样整体结构损伤程度加剧，表明冷热交替作用是煤样结构损伤的重要因素。关键词：煤岩；冷热交替；裂隙；表面维度；力学模型中图分类号：TD315文献标志码：A文章编号：02532336（2023）06008110Study on the damage law of coal rock affected by differentalternating periods of cold and heatLIHewan,SUNSiyang,WANGLaigui,LIUJian,ZHANGZiheng（Department of Mechanics and Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China）Abstract:Temperatureisanimportantfactoraffectingthephysicalpropertiesofcoalandrock,andasasolidmedium,coalandrockhavethepropertiesofthermalexpansionandcontraction.Thealternationofcoldandheatwillcauseirreversibledamagetothecoalrockduetodeformation,whichwilleventuallyleadtothedamageanddestructionoftheoriginalfracturestructureofthecoalrock.Inordertostudythedamagelawofcoalandrockaffectedbydifferentalternatingcyclesofcoldandheat,thelong-flamecoalinFuxinareaofLiaoningProvincewasselectedtomakeacubespecimenwithasizeof100mm100mm100mm.Themechanicalparametersandsurfacedimen-sionsofthecoalsamplesbeforeandaftertheexperimentweremeasuredbyusingtheresearchmethodofreciprocatingtheapplicationoftemperatureloadsinalowtemperaturestoragebox(15C)androomtemperature(20C).Furthermore,theexpansionlawanddamagemechanismofthecoalsamplefracturestructurewiththealternatingcycleofcoolingandheatingarerevealed.TheresultsshowThecoalsamplecracksexpandandexpandunderthealternatingactionofcoldandheat,andtheexpansionamountandexpansionrateofthecracksonthesurfaceofthecoalsamplegraduallyincreasewiththecycleofthealternatingcycleofcoldandheat.Themechanicalpropertiesofcoalsamplesareweakenedundertheactionofmulti-cycletemperatureloads,thedamageisserious,andthecompressivestrengthofcoalsamplesgraduallydecreaseswiththecycleofalternatingcyclesofcoldandheat.ThedamagemechanicsmodelofcoalsamplestructureisestablishedbyABAQUSsoftware,andthesimulationresultsareingoodagreementwiththeexperimentalresults.Theoverallstructuraldamagedegreeofthecoalsampleisaggravated,indicatingthatthealternatingactionofcoldandheatisanimportantfactorforthestructuraldamageofthecoalsample.Key words:coal；coldandheatalternation；cracks；surfacedimensions；mechanicalmodel收稿日期：20220313责任编辑：宫在芹DOI：10.13199/ki.cst.2022-0356基金项目：国家自然科学基金青年基金资助项目(51704142)；国家重点研发计划资助项目(2017YFC1503102)；辽宁省博士科研启动基金计划资助项目(2019-BS-115)作者简介：李和万（1983），男，辽宁大连人，副教授，硕士生导师。E-mail：通讯作者：孙思洋（1997），女，辽宁鞍山人，硕士研究生。E-mail：第51卷第6期煤炭科学技术Vol.51No.62023年6月CoalScienceandTechnologyJun.2023李和万，孙思洋，王来贵，等.不同冷热交替周期影响煤岩损伤规律研究J.煤炭科学技术，2023，51（6）：8190.LIHewan，SUNSiyang，WANGLaigui，et al.Studyonthedamagelawofcoalrockaffectedbydifferentalternat-ingperiodsofcoldandheatJ.CoalScienceandTechnology，2023，51（6）：8190.810引言全球能源需求量的增加是促进天然气资源生产的一个驱动因素1。煤层气是一种储集在低孔隙率、低渗透率非常规储层中的天然气。随着开采深度的增加，储层渗透率降低，吸附容量增大，这给我国煤层气开采带来了巨大的技术挑战2。特别是我国北方煤层气生产主要局限于高瓦斯含量、埋藏深度大、渗透率低的煤层气储层。为了改善煤层渗透性，在过去的几十年里实施了水力压裂技术、无水压裂技术等技术解决方案。然而，这些技术仍然存在一些局限性，包括消耗大量水资源、压裂液污染地表水35，由于水的影响，黏土矿物的膨胀会堵塞渗流通道6。在高能气体压裂过程中形成的裂缝很小，没有使用支撑剂，因此压裂后裂缝的闭合对渗透率影响不大7-8。由于低黏度液态二氧化碳在压裂过程中携带较少支撑剂9，不利于深井压裂。此外，大量二氧化碳的泄露会导致空气污染10。因此，当前迫切需要开发新的压裂方法以提高煤层气抽采。在 20 世纪末，采用液氮作为一种压裂液已成功应用于地层裂缝的增加11。由于液氮在大气压下的超低温效应(196)和水冰相变膨胀(696 倍)特性，可以有效弥补其他压裂方法的不足12。张文勇等13采用液氮伴注压裂技术提高施工砂比，降低压裂液滤失，减小对储层的伤害，缩短煤层气井排采见气周期。蔡承政等14发现液氮的热力冲击作用可以使干燥岩石在较短时间内产生收缩变形和孔隙体积减小，并且试验后红色砂岩和白色砂岩岩样的孔隙体积分别降低了 8.63%和 4.78%。WANG 等15发现液氮处理前后煤的总孔隙体积增大，煤的渗透性得到改善；MACK16认为当煤层被低温冻结时，储集层水冰相变引起的膨胀远远大于煤本身强度，从而促进了裂隙的萌生和膨胀；CAI 等17和 COETZEE 等18发现，经液氮处理后煤岩孔隙、裂隙的连通性得到有效改善。此外，ZHAI 等19提出液氮冻融循环能改善煤的有效孔隙率和总孔隙率，有利于煤的有效压裂；QIN 等20发现冻融循环导致煤表面脱落的微纳米级颗粒增加，煤岩物理性质显著劣化;LI 等21-22发现冻融循环破坏了煤岩孔隙结构，促进了裂隙网络的形成，从而改善了煤岩渗透性。以上研究结果表明，液氮冻融循环可以有效增产煤层气。虽然液氮应用前景广泛，但煤岩孔隙、裂隙在冻融循环过程中如何演化，冷热交替是否有效破坏煤岩结构尚不清楚。以往关于低温冻结条件下煤岩温度场变化大多都是通过理论推导、试验研究进行，而对于这一领域的数值模拟鲜有研究。因此，在上述研究的基础上，笔者采用低温、室温反复切换施加温度载荷最终导致煤样破裂的研究方法探讨了不同冷热交替周期煤岩的损伤规律，最后通过数值模拟计算结果与试验结果进行了相互验证。1试验方案1.1煤样制备选用辽宁省阜新地区长焰煤作为试验材料，为保证煤样的均匀性，所有煤样均是从同一区块煤钻取，采集完毕后立即用保鲜膜封存，防止污染和氧化。试验室内将钻取煤样处理制成尺寸为 100mm100mm100mm 的正方体试件。为减少煤样的分散性对试验结果造成影响，首先通过目视检查，其次采用非金属超声探测仪测量煤样纵波波速，选择纵波波速在 16551725m/s 范围内的完整煤样。在试验前，对煤样进行真空抽气饱和，抽气压力为 0.1MPa，抽气 4h 后在大气压力下静置 6h，获得饱和煤样。煤样基本参数见表 1。依次对不同冷热交替周期煤样进行标注，见表 2。试验最低温度为15，将煤样编号为 T0C15X。表 1 试验煤样基本参数Table 1 Basic parameters of coal samples煤样密度/(gcm3)埋深/m工业分析/%MadAadVdafFCad长焰煤1.456506.1230.2833.9539.46表 2 煤样编号Table 2 Coal sample labeling冷热交替周期/d编号冷热交替周期/d编号1T0C15156T0C15566T0C15661T0C156111T0C151166T0C156616T0C151671T0C157121T0C152176T0C157626T0C152681T0C158131T0C153186T0C158636T0C153691T0C159141T0C154196T0C159646T0C1546101T0C1510151T0C1551106T0C151061.2试验方法将煤样放置于低温保存箱(15)中静置 4h，之后将第 1 块煤样于 20 室温环境下放置 20h 作为一个冷热交替周期，在进行至第 6 周期时加入第2 块煤样，进行相同的冷热交替作用，之后每过 5 周期便再加入 1 块煤样，冷热交替作用直至煤样出现破裂，试验结束。利用 Axiovert40MAT 倒置金相显2023年第6期煤炭科学技术第51卷82微镜对试验前后煤样表面裂隙宽度进行观测，计算表面裂隙宽度扩展量、扩展率;利用 Fraclab 软件计算试验前后煤样表面维度；利用 NM-48 非金属超声检测仪测定不同冷热交替作用周期前后煤样波速，进一步计算出试验后煤样波速衰减率以及煤样内部孔隙率;利用 MH-25 万能试验机对冷热交替作用后未破碎煤样进行单轴压缩试验，通过试验所得数据，绘制应力应变曲线，分析煤样抗压强度变化，揭示不同冷热交替周期煤样结构损伤规律与机理。试验流程如图 1 所示。2试验结果2.1煤样表面裂隙扩展镜像形貌首先将试验煤样冷热交替作用至 106 周期后，标记为T0C15106 的煤样发生破碎。其次用白色染剂对未破碎煤样表面原生裂隙明显处标记直径为 5mm 的观测区，利用 Axiovert40MAT 倒置金相电子显微镜放大 100 倍进行观测，选择煤样原生裂隙的 3 个固定观测位置(A、B、C)用比例尺测量其裂隙宽度，如图 2所示。计算得出裂隙扩展量与裂隙扩展率，见表 3。d煤样表面裂隙宽度扩展量可表达为d=dnd0（1）dd0dn式中：为试验前后煤样表面裂隙宽度扩展量，m;为试验前煤样表面裂隙宽度，m；为第 n 周期试验后煤样表面裂隙宽度，m。由式(1)可得出煤样表面裂隙宽度扩展率 表达式=dnd0d0（2）式中：为煤样表面裂隙宽度扩展率。显微镜观测发现，煤样表面裂隙扩展量、扩展率均随冷热交替周期的循环逐渐增大。分别建立以冷热交替周期为自变量，裂隙扩展量、扩展率为因变量煤样制备相机观测显微镜观测声波测速冷热交替相机观测显微镜观测维度测定声波测速单轴压缩图1试验流程Fig.1Experimentalprocess试验前(u)T0C15106试验后试验前(v)T0C151试验后(a)T0C156试验前(b)T0C1511试验后试验前(c)T0C1516试验后试验前(d)T0C1521试验后试验前(e)T0C1526试验后试验前CAB试验后CABCABCABCABABCCBACBACBABCA试验前(i)T0C1546试验后试验前(j)T0C1551试验后试验前(f)T0C1531试验后试验前(g)T0C1536试验后试验前(h)T0C1541试验后ABCABCABCABCABCABCABCABCABCABC试验前(k)T0C1556试验后试验前(l)T0C1561试验后试验前(m)T0C1566试验后试验前(n)T0C1571试验后试验前(o)T0C1576试验后ABCABCABCABCABCABCABCABCABCABC试验前(p)T0C1581试验后试验前(q)T0C1586试验后试验前(r)T0C1591试验后试验前(s)T0C1596试验后试验前(t)T0C15101试验后ABCABCABCABCABCABCABCABCABCABCBCACAB图2试验前后煤样表面裂隙扩展示意Fig.2Schematicdiagramofcrackpropagationonthesurfaceofcoalsamplesbeforeandaftertheexperiment李和万等：不同冷热交替周期影响煤岩损伤规律研究2023年第6期83的关系曲线，将试验前后煤样裂隙扩展量与不同冷热交替周期进行拟合，如图 3 所示。由图 3a 可知，煤样 T0C156 在经过 106 个周期冷热交替循环后裂隙扩展量最大，最大裂隙扩展量之差为 255.02m，煤样表面裂隙随冷热交替作用周期的循环而增大。根据拟合曲线发现冷热交替周期与煤样表面裂隙扩展呈正相关，拟合结果为 0.98936，拟合效果较好。由图 3b 可知，冷热交替周期越长，煤样裂隙扩展率越高，煤样 T0C156 裂隙扩展率最高，为 2.16979。由于 T0C151 煤样发生破碎，无法测量试验前后裂隙扩展量和扩展率，不予具体分析。2.2煤样表面维度差值变化利用 Axiovert40MAT倒置金相显微镜扫描，得到试验前后不同冷热交替周期煤样表面镜像形貌图像，并将其进行 Photoshop 图像格式转换，再利用表面分形分析工具处理图像以获得灰度矩阵，将所得灰度矩阵转化为高度矩阵，根据盒维数计算公式:N=aD（3）DNa式中：为分形维数；为所用码尺的精度；为覆盖一个分形集合所用的盒子数目；为常数23-26。对于需要分形、分维的物体，只要物体的形状具有自相似性，则式(3)成立，因此利用分形分析工具 FracLab计算出不同冷热交替周期煤样表面分形维数，划分20 个区域进行分形维数计算，取平均值作为最后结果，计算结果见表 4。计算结果显示，T0C156 维度差值最大，说明煤样内部结构不平整，裂隙网络交织复杂。根据表 4绘制不同冷热交替周期作用下煤样维度差值曲线，如图 4 所示。由图 4 可知，冷热交替周期越长，煤样表面维度差值越大。根据拟合曲线可知，冷热交替周期与煤样表面维度差值呈正相关，拟合结果为 0.94721，拟合效果较好，表明煤样整体损伤程度随冷热交替周期的循环而加剧。2.3煤样波速衰减率经过 106 个周期冷热交替作用后，对煤样 x、y、表 3 试验前后煤样裂隙扩展量Table 3 The amount of crack propagation in coal samples before and after the experimentm煤样编号不同位置试验前d0不同位置试验后dn扩展量 dABC平均ABC平均T0C151破碎T0C15672.3475.8680.4376.21234.51240.38249.81241.57255.02T0C1511223.25207.85212.49214.53422.24419.52435.68425.81211.28T0C1516243.23229.94231.75234.97452.61435.82429.41438.95203.98T0C1521312.25304.62329.52315.46504.63499.24513.75505.87190.41T0C1526303.28325.22308.47312.32502.60493.17506.58500.79188.47T0C1531301.25317.23319.83412.77498.27500.42475.42491.37178.60T0C1536298.18304.25291.62298.01457.94463.78468.21463.31165.30T0C1541255.49261.17231.97249.54406.78410.12396.78404.56155.02T0C1546311.51312.40410.59344.83452.14471.49502.25475.29130.46T0C1551243.76241.12224.55236.48365.26357.42364.45362.38125.90T0C1556188.27190.59190.62189.82304.34310.53300.96305.28115.46T0C1561173.21175.34193.86180.80286.91283.71279.77283.46102.66T0C1566159.65165.45173.85166.32260.00250.35259.43256.5990.24T0C1571206.54187.94226.47206.98284.03281.40302.46289.3082.32T0C157679.6898.1585.2287.68145.31163.90150.97153.3965.71T0C158184.3782.95100.4389.25137.28135.86153.34142.1652.91T0C1586190.2482.7689.58120.86228.82121.34128.16159.4438.58T0C1591187.17132.92116.28145.46217.07162.82146.18175.3629.90T0C159683.4885.1376.2381.61105.47101.1295.42100.6719.06T0C15101271.22268.27289.49276.33286.84283.89305.11291.9515.62T0C15106509.94497.47495.33500.91520.93508.46506.32511.9010.992023年第6期煤炭科学技术第51卷84z(x、y 平行层理，z 垂直层理)3 个方向进行波速测试，计算波速衰减率，结果见表 5，通过计算结果来判断煤样整体结构损伤程度:=v0vnv0（4）vnv0式中：为波速衰减率；为试验后声波在煤样中的传播速度，m/s；为试验前声波在煤样中的传播速度，m/s。将冷热交替周期作为自变量，煤样波速衰减率作为因变量，绘制关系曲线，如图 5 所示。v0由图 5 可知，随着冷热交替周期的循环，煤样波速衰减率逐渐增大，表明试验前后煤样内部结构发生了变化，煤样裂隙发育和扩展、内部孔隙率增大导致声波的传递速率变低，煤样整体损伤程度加剧。WYLLIE27的时间平均方程解释了声波在煤样中传播速度 与孔隙率 之间的关系:=1v0(1)vtvmavmavtvtvmavt（5）vtvma式中：为声波在纯水中的传播速度，m/s；为声波在煤样骨架结构中的传播速度，m/s。vmavtv0若煤样不发生变化，则其中的和 就是常数保持不变，式(6)表明了孔隙率 是波速的反比例020406080100120050100150200250300裂隙扩展量曲线拟合曲线裂隙扩展量 d/m冷热交替周期 T/d(a)裂隙扩展量(b)裂隙扩展率d=16.053 1+2.351 19TR2=0.989 3602040608010012000.51.01.52.02.5裂隙扩展率 冷热交替周期 T/d图3试验前后煤样裂隙扩展与冷热交替周期关系Fig.3Relationshipcurvebetweenthecrackpropagationandthecycleofalternatingcoldandheatinthecoalsamplebeforeandaftertheexperiment表 4 PCM 测定方法计算得出试验前后煤样分形维数Table 4 Fractal dimension of coal samples before and afterthe experiment was calculated by the PCMmeasurement method煤样编号试验前分形维数试验后分形维数维度差值T0C1562.1152.3430.228T0C15112.1232.3260.203T0C15162.1412.3250.184T0C15212.1372.3010.164T0C15262.1332.2810.148T0C15312.1742.3100.136T0C15362.1162.2360.120T0C15412.1462.2540.108T0C15462.1212.2170.096T0C15512.1522.2400.088T0C15562.1302.2060.076T0C15612.1292.1890.060T0C15662.1782.2260.048T0C15712.1552.1990.044T0C15762.1122.1440.032T0C15812.1632.1930.030T0C15862.1392.1670.028T0C15912.1592.1750.016T0C15962.1212.1370.016T0C151012.1492.1610.012T0C151062.1712.1790.00802040608010012000.050.100.150.200.25维度差值曲线拟合曲线维度差值 D冷热交替周期 T/dD=0.031 66+0.002 13TR2=0.947 21图4煤样维度差值与冷热交替周期关系Fig.4Relationshipcurvebetweencoalsampledimensiondif-ferenceandalternatingcycleofcoldandheat李和万等：不同冷热交替周期影响煤岩损伤规律研究2023年第6期85函数，而波速衰减率 越大，表明煤样孔隙程度的孔隙率 就越大28。结合式(4)、式(5)整理得到孔隙率 的表达式：=m1n（6）m n式中：、均为常数。可以得出煤样孔隙率 与波速衰减率 的关系，煤样波速衰减率越大，孔隙率越大，两者呈正相关。2.4煤样单轴抗压强度煤样经过不同冷热交替周期作用后，标号为T0C151 的煤样发生破碎，无法进行单轴压缩试验。利用 MH-25 试验机进行单轴压缩试验，对冷热交替试验后未碎裂的剩余煤样进行试验，绘制煤样应力应变曲线，观察曲线变化趋势，测量试验后煤样抗压强度，如图 6 所示。由图 6 可见，煤样经过 106 个周期冷热交替作用后抗压强度发生显著变化，21 块煤样按照冷热交替作用周期从长到短，其抗压强度依次为 2.066、2.367、2.678、2.993、3.295、3.597、4.182、4.283、4.563、4.874、5.199、5.504、6.120、6.130、6.430、6.752、7.002、7.412、7.836、8.298、8.684MPa。经过第 106 周期后，标号 T0C151 的煤样发生破碎，破碎后抗压强度无法测量，对冷热交替作用后的剩余煤样建立以冷热交替周期为自变量，以煤样抗压强度为因变量的函数关系，将其进行拟合，如图 7 所示。由图 7 发现，冷热交替作用周期越长，煤样抗压强度越低，抗压能力越来远差，力学性能减弱，导致煤样产生疲劳裂纹或脆性断裂，致使煤样整体结构损伤程度加剧，说明冷热交替作用周期是煤样结构损伤的重要因素。根据拟合曲线可知抗压强度和冷热交替周期的函数关系，斜率为负值，抗压强度最大差值达到 6.618MPa，冷热交替周期与煤样抗压强度呈负相关，拟合结果为 0.99665，拟合效果较好，说明冷热交替周期对煤样抗压强度影响明显，而且拟合结果与试验结果相符合。3机理分析由于冷热交替周期性作用，煤样结构会随着作用周期的累加而逐渐产生疲劳损伤，当疲劳损伤到达一定程度时，煤样到达自身疲劳极限，从而导致破坏。pvPMARTIN 和 CHANDLER 采用塑性体应变的累积值定义损伤变量29-32，即随着冷热交替周期的延长，煤样的体积无法恢复到原来的形态，并随着冷热交替周期的延长而逐渐增大，进一步反映了煤样结构损伤程度。煤样破坏应变分为纵向应变和横向应变。在冷热交替作用的过程中，由于膨胀力的作用，煤样发生变形。对应于变形的应变是横向应变和纵向应变的叠加，将塑性剪切应变定义损伤变表 5 试验后煤样波速衰减率Table 5 Coal sample wave velocity attenuationrate after experiment煤样编号x/103y/103z/103T0C151破碎T0C15635.8898.30601.46T0C151131.0791.26582.26T0C151630.6585.17562.78T0C152128.5180.42541.72T0C152629.2675.28511.25T0C153127.6667.22486.02T0C153626.1361.05455.17T0C154125.2456.26412.47T0C154624.0251.95386.67T0C155122.2447.18351.21T0C155620.1742.51321.49T0C156119.4639.23335.73T0C156618.3334.96296.46T0C157125.5429.98288.24T0C157621.9828.41259.83T0C158117.4124.22223.56T0C158615.9722.94199.48T0C159112.0319.46176.89T0C159611.5217.41152.43T0C151019.1514.17133.27T0C151068.2413.16125.310204060801001200100200300400500600波速衰减率/103冷热交替周期 T/dx 平行层理方向y 平行层理方向z 垂直层理方向图5煤样波速衰减率关系曲线Fig.5Coalsamplewavevelocitydecayraterelationshipcurve2023年第6期煤炭科学技术第51卷86量如下:P=PzPxy（7）pzpxy式中：为轴向塑性应变；为横向塑性应变。当应变达到极限值时，在煤样水平面处，沿着裂隙发生损伤，产生剪切破坏；经过冷热交替作用周期的增加，煤样损伤不断累积，当应力超过煤样的极限强度时，00.020.040.060.080.100.1200.51.01.52.02.53.0应力/MPa应变 T0C1516T0C1511T0C15600.020.040.060.080.100.1200.51.01.52.03.02.53.54.0应力/MPa应变 T0C1531T0C1526T0C152100.020.040.060.080.100.12012345应力/MPa应变 T0C1546T0C1541T0C153600.020.040.060.080.100.140.120124356应力/MPa应变 T0C1561T0C1556T0C155100.050.100.150.200.2501234765应力/MPa应变 T0C1576T0C1571T0C156600.050.100.150.200.250241086应力/MPa应变 T0C15106T0C15101T0C159600.020.040.060.080.100.140.12012435867应力/MPa应变 T0C1591T0C1586T0C1581图6应力应变关系曲线Fig.6Stress-straincurve李和万等：不同冷热交替周期影响煤岩损伤规律研究2023年第6期87煤样就会整体破坏，最终导致破碎。4力学模型利用 ABAQUS 软件模拟不同冷热交替周期煤样 损 伤 规 律 研 究 过 程，模 拟 煤 样 大 小 设 置 为10mm10mm10mm 的正方体模型，选取试验煤样设置模拟过程中模型的具体参数:材料密度设定为1.45109t/mm3，泊松比设定为 0.3，弹性模量 E 设定为 1.2105MPa 以达到阜新长焰煤的要求。由于软件无法模拟出以微米为单位的裂隙，所以用厚度为3mm 的扁状椭圆型模拟裂隙。建立模型划分网格后运行施加载荷，通过改变载荷来模拟不同冷热交替周期煤样模型损伤效果，选取 Mises 等效应力来评价煤样模型加载后损伤程度，模拟试验加载结果如图 8 所示。由图 8 可以看出，煤样模型经 106 个周期施加载荷后等效应力发生明显变化，按照加载周期从长到短，其等效应力最大值依次为 120.2、114.7、109.2、103.8、98.31、92.85、87.39、81.93、76.47、71.00、65.54、60.08、54.62、49.16、43.69、38.23、32.77、21.85、16.39、10.92、5.462MPa。T0C156 模拟煤样裂隙尖端处产生了等效应力最大值，最大值达到120.2MPa，符合尖端应力集中规律，并随着作用周期的循环，模拟裂隙尖端处等效应力呈递减趋势，与试验所得结果基本吻合。在此基础上建立了以冷热交替周期为自变量，等效应力为因变量的关系曲线，以便观察两者之间存在的关系，如图 9 所示。02040608010012023456789抗压强度/MPa冷热交替周期 T/d抗压强度拟合曲线=8.858 710.064 43TR2=0.996 65图7煤样抗压强度关系曲线Fig.7Coalsamplecompressivestrengthrelationshipcurve120.2110.1100.190.1280.1170.1060.0850.0740.0630.0420.0310.020.005等效应力/MPa等效应力/MPa等效应力/MPa等效应力/MPa等效应力/MPa等效应力/MPa98.3190.1281.9373.7465.5457.3549.1640.9732.7724.5816.398.203.5732.7730.0427.3124.5821.8519.1216.3913.6610.928.205.462.730.00176.4770.0963.7257.3550.9844.6138.2331.8625.4919.1212.756.380.00354.6250.0745.5240.9636.4131.8627.3122.7618.2113.669.114.550.0025.465.004.554.103.643.192.732.281.821.370.910.460.000 2(a)T0C156(b)T0C1526(c)T0C1546(d)T0C1566(e)T0C1586(f)T0C15106 图8煤样裂隙处等效应力分布示意Fig.8Schematicdiagramofequivalentstressdistributionatcoalsamplefractures2023年第6期煤炭科学技术第51卷88由图 9 模拟结果可看出，模拟煤样裂隙尖端处等效应力与冷热交替周期存在明显线性关系。拟合曲线中斜率为负值，随着冷热交替周期的循环，等效应力逐渐减小，拟合结果为 0.99783，拟合结果较好。对比图 7，发现数值模拟得到的等效应力与试验测得的抗压强度基本上一致。模拟计算结果与试验结果进行了相互验证，说明冷热交替作用周期是煤样结构损伤的重要因素。该研究对寒区旱区岩石工程的安全性和稳定性评价具有一定的现实意义。5结论1）冷热交替作用下煤样表面裂隙膨胀扩展，随着冷热交替作用周期的循环，煤样表面裂隙扩展量、扩展率均逐渐增大，煤样抗压强度逐渐降低，力学性能变差，损伤破坏严重，并在 106 周期作用后破碎。2）多周期冷热交替作用后煤样维度差值均呈上升趋势，表明煤样发生了不同程度损伤，煤样损伤程度随作用周期的循环而逐渐加剧。3）利用 ABAQUS 软件建立煤样损伤力学模型，进行模拟计算，发现模拟计算结果与试验结果较为吻合，煤样裂隙尖端等效应力随着作用周期的循环而减小，损伤程度加剧，表明冷热交替作用周期是煤样结构损伤的重要因素。参考文献(References)：PANJienan,LYUMinmin,HOUQuanlin,et al.Coalmicrocrys-tallinestructuralchangesrelatedtomethaneadsorption/desorptionJ.Fuel,239:1323.1LIUDameng，YAOYanbin，TANGDazhen，et al.CoalreservoircharacteristicsandcoalbedmethaneresourceassessmentinHuain-anandHuaibeicoalfields,SouthernNorthChinaJ.InternationalJournalofCoalGeology，2009，79（3）：97112.2ARMORJohnN.Keyquestions,approaches,andchallengestoen-ergytodayJ.CatalysisToday，2014，236：171181.3PELAK Adam J，SHARMA Shikha.Surface water geochemicalandisotopicvariationsinanareaofacceleratingMarcellusShalegasdevelopmentJ.EnvironmentalPollution，2014，195：91100.4LIUJia，LIANGXin，XUEYi，et 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