真三轴应力下液氮注入煤样损伤特性模拟研究

摘要

为明晰真实地应力下液氮注入煤样内部损伤演化规律，利用COMSOL Multiphysics数值模拟软件建立非均质煤热-流-固-损伤耦合三维模型，分析注入过程煤样温度、渗透率、损伤变化规律，考虑最小主应力和注入压力等因素，探讨了真三轴应力下液氮注入对煤样损伤的作用机理。结果表明：液氮注入20 min后，低温液氮已接近煤样外表面，煤样内部形成裂隙网络，渗透率相较于未注入时增大2倍；随着最小主应力从2 MPa增至5 MPa,煤样最终损伤呈线性增长趋势，5 MPa应力条件下，煤样最终损伤程度为84.1%;注入压力从0.40 MPa升高至0.55 MPa时，煤样最终损伤程度显著增至92.3%,其中在0.45～0.50 MPa压力区间内损伤增长幅度最为显著，高达24.1%;煤样在三向不等应力的影响下内部低温区域呈明显的方向选择性，煤样损伤优先沿最大主应力方向发展。研究揭示了热-流-固-损伤多场耦合作用下煤样损伤的动态演化规律，可为煤矿现场液氮致裂技术的应用提供一定理论依据。

关键词

液氮注入 / 真三轴 / 数值模拟 / 煤层增透 / 渗透率