武琳，硕士，助教，研究方向：隧道边坡稳定性分析、巷道支护。现任郑州商学院智能建造学院道桥教研室专任教师。主要教授《土木工程材料》《隧道工程》《桥涵水文》《建筑结构抗震》等课程。任教2年以来，发表SCI期刊论文1篇，主持及参与项目10余项。
随着煤炭开采持续向深部延伸，深部富水煤层低渗透、高瓦斯、结构易破损等问题日益突出。传统水力压裂、爆破增透等技术不仅成本高、污染大，还容易破坏煤岩体整体结构，威胁井下安全。液氮循环冻融作为一种无水、绿色、致裂效果突出的新型增透技术，被视为深部煤层改造与瓦斯抽采的关键手段。但在不同低温条件下，冻融循环到底会让煤岩产生怎样的损伤、强度如何变化、最优作业循环是多少，一直缺少清晰、系统的答案。近期，科研团队围绕不同低温环境下饱和煤岩循环冻融力学行为与损伤机制展开专项研究，用试验、观测、建模相结合的方式，给煤岩做了一场全方位的“冻融CT体检”，精准揭示了低温冻融对煤岩结构与力学性能的影响规律，为液氮冻融致裂技术工程应用提供了重要理论支撑。该研究成果于2025年11月发表于《Processes》期刊，文章具体链接为：https://www.bohrium.com。
在这项研究中，团队首先选取辽宁阜新盆地750米深处的长焰煤，加工成标准立方体试样，经过真空饱水处理，制成完全饱和的煤岩试件。随后搭建低温冻融试验平台，设置-15℃、-30℃、-45℃三种典型低温环境，按照“冷冻4小时+常温20小时”的制度进行多轮循环冻融，模拟井下液氮致裂的真实温度交变过程。图1为本次研究完整的试验流程示意图，清晰展示了从制样、饱水、循环冻融到细观观测、力学测试的全步骤。
图1试验流程示意图
完成冻融处理后，团队对煤岩展开全方位“体检”。首先用200倍电子显微镜观测试样表面裂隙变化，清晰地看到冻融前后裂隙扩展与次生裂纹萌生过程。图2、图3、图4分别为-15℃、-30℃、-45℃环境下煤岩试样冻融前后的细观裂隙形貌，可以直观看到：温度越低，裂隙张开越大、延伸越长，损伤越严重。
图2 -15℃冻融前后裂隙形貌（200倍）
图3 -30℃冻融前后裂隙形貌（200倍）
图4 -45℃冻融前后裂隙形貌（200倍）
在此基础上，团队对裂隙宽度与冻融循环次数进行拟合，得到图5表面裂隙扩展量与冻融循环次数拟合曲线。曲线显示：循环次数越多、温度越低，裂隙扩展速度越快，-45℃条件下扩展速率远高于其他两组。
图5 表面裂隙扩展与冻融循环次数拟合曲线
随后，研究采用非金属超声波检测仪测量三向声波速度，判断煤岩内部损伤。结果显示，垂直层理的Z方向波速衰减最明显。图6为Z向波速衰减率拟合曲线，同样呈现“温度越低、循环越多，衰减越快”的规律，与表面裂隙扩展趋势高度一致。
图6 Z向波速衰减率与冻融循环次数拟合曲线
最后，团队通过单轴压缩试验测试煤岩强度变化，得到图7不同冻融条件下应力–应变曲线。可以看出，随着冻融加剧，煤岩峰值强度降低、塑性增强，脆性明显减弱。图8为单轴抗压强度拟合曲线，直观展现强度随冻融循环持续下降的规律。
图7 不同冻融条件下应力–应变曲线
图8 单轴抗压强度与冻融循环次数拟合曲线
试验结果清晰显示：温度越低，煤岩表面裂隙扩展越剧烈，内部损伤越严重，单轴抗压强度下降越快，发生宏观破坏所需的冻融次数越少。-15℃时约38次循环破坏，-30℃时约32次破坏，-45℃时仅23次就完全碎裂。同时，波速测试表明，冻融损伤具有明显方向性，垂直层理方向损伤远大于平行方向，裂隙更易沿这个方向贯通。通俗来讲，这项研究就是先用低温反复冻融煤岩，再用显微镜、超声波、压力机做全面检测，最后用数学模型把破坏规律算清楚，系统解决了“不同低温冻融条件下煤岩损伤如何发展、强度如何劣化、最优作业循环是多少”的核心问题。
最终研究给出明确工程建议：采用液氮循环冻融致裂深部富水煤层时，建议在约35次冻融循环后开展瓦斯抽采，既能保证良好致裂增透效果，又能兼顾经济性与安全性。该研究成果系统揭示了饱和煤岩在多温度梯度冻融作用下的力学行为与损伤机制，完善了低温岩体损伤力学理论，为深部煤炭安全开采、煤层气高效抽采以及液氮致裂工程设计提供了可靠依据与技术参考，对推动绿色、高效、智能的深部煤炭资源开发具有重要实用价值。