王登科1,2,3,4，张 平1,3，刘淑敏1,3，魏建平1,3,4，于 充1,3，孙刘涛1,3
(1. 河南理工大学 河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地，河南 焦作 454000; 2. 南方煤矿瓦斯与顶板灾害预防控制安全生产重点实验室，湖南 湘潭 411201; 3. 河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作 454000; 4. 煤炭安全生产河南省协同创新中心，河南 焦作 454000)
摘 要:为研究温度冲击下煤层微观结构的变化特征，采用高低温试验系统对原煤进行了温度冲击实验，利用扫描电镜、工业显微CT、压汞实验和低温液氮吸附实验对温度冲击前后煤的孔隙裂隙结构的演化发展进行了联合表征。基于数字图像处理技术，对温度冲击前后煤层扫描电镜图像进行二值化处理，定性与定量地分析了煤层的裂隙宽度变化，并统计分析了温度冲击前后煤层中孔隙的比表面积和孔径变化。研究结果表明:温度冲击作用促使煤样内部大孔之间相互贯通并形成宏观裂缝，导致大孔体积相应减少，中孔和小孔的体积均增大;温度冲击试验测试过程中所产生的最大热应力位于煤样表面的切向方向，温度冲击所产生的热应力超过煤样抗拉强度是导致裂隙萌生、扩展和相互贯通的直接原因。研究结果可为煤层气高效开发和提高煤层瓦斯抽采率提供技术支撑。
关键词:温度冲击;热应力;孔缝结构;破坏机理;试验测试
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王登科，张平，刘淑敏,等.温度冲击下煤层内部孔缝结构演化特征实验研究[J].煤炭学报,2018,43(12):3395-3403.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2018.0426
WANG Dengke,ZHANG Ping,LIU Shumin,et al.Experimental study on evolutionary characteristics of pore-fissure structure in coal seam under temperature impact[J].Journal of China Coal Society,2018,43(12):3395-3403.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2018.0426
中图分类号:TU397
文献标志码:A
文章编号:0253-9993(2018)12-3395-09
收稿日期:2018-04-02
修回日期:2018-08-30
责任编辑:常明然
基金项目:国家自然科学基金资助项目(51774118);教育部“创新团队发展计划”资助项目(IRT_16R22);河南省教育厅高校重点科研资助项目(18A620001)
作者简介:王登科(1980—)，男，湖南永州人，教授，博士生导师。E-mail:wdk@hpu.edu.cn
WANG Dengke1,2,3,4,ZHANG Ping1,3,LIU Shumin1,3,WEI Jianping1,3,4,YU Chong1,3,SUN Liutao1,3
(1.State Key Laboratory Cultivation Base for Gas Geology and Gas Control,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,China; 2.Work Safety Key Lab on Prevention and Control of Gas and Roof Disasters for Southern Coal Mines,Xiangtan 411201,China; 3.School of Safety Science and Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,China; 4.The Collaborative Innovation Center of Coal Safety Production of Henan,Jiaozuo 454000,China)
Abstract:In order to study the change of microstructure of coal under temperature impact,the temperature impact experiment of coal was carried out by using high and low temperature test system.Scanning electron microscopy (SEM),industrial micro-CT,mercury injection experiments and cryogenic liquid nitrogen adsorption experiments were used to characterize the evolution of the pore fracture structure of coal before and after temperature shock.Based on digital image processing technology,the SEM images of coal reservoirs were binarized before and after temperature impact,and the fissure width variation of coal reservoirs was qualitatively and quantitatively analyzed.Also the specific surface area and pore size of pores in coal reservoirs were statistically analyzed before and after temperature shock.The results show that the temperature impact causes the large pores in the coal sample to penetrate each other and form macroscopic cracks,resulting in a corresponding decrease in the volume of macropores and an increase in the volume of mesopores and small pores.The maximum thermal stress generated during the temperature impact test is located in the tangential direction of the surface of the coal sample.The thermal stress generated by the temperature shock exceeds the tensile strength of the coal sample,which is the direct cause of crack initiation,expansion and mutual penetration.The research results can provide technical support for the efficient development of coalbed methane and the improvement of gas drainage rate in coal seams.
Key words:temperature shock;thermal stress;pore-fissure structure;destruction mechanism;experimental test
煤层气被视为洁净能源，是推动能源生产和消费革命的重要载体[1-2]。随着开采深度的增加，煤层气储量和气体压力均增加，而煤储层的透气性逐渐降低[3-5]。因此，增加煤储层的透气性是煤层气开发和瓦斯高效抽采的一项重大挑战。
目前，国内外针对煤矿深部煤层气开采先后提出了多种煤储层增透技术，如松动爆破、水力割缝、水力压裂等，但这些增透技术均存在一定的局限性[6-7]。为解决上述增透技术的不足，很多学者开始探索和发展新的煤层增透技术，包括向煤储层注入超临界CO2、电化学法和微波致裂技术等，这些方法虽然能够很好地促进瓦斯解吸，但是不能有效地增加煤储层透气性[8-10]。近年来，国内外利用低温材料促使原煤结构改变，促进孔裂隙发育，从而达到增透的技术正在慢慢兴起。MCDANIEL B W[11]，COETZEE S[12]等利用液氮对煤储层进行冻胀压裂，结果表明液氮能有效促进煤储层微孔隙或裂缝的发展，与传统的方法相比，其产气效率提高了8%。任韶然等[13]通过液氮对原煤的冷冲击试验，发现经冷冲击后的原煤渗透率增大，声波速度和幅度下降。CAI等[14]研究发现液氮的冷冻作用可使煤储层的渗透率增加93.55%，且单轴抗压强度显著降低，并指出液氮的冷冻作用对不同种类的煤岩孔隙结构的影响各不相同，受含水量影响较大，通过对比煤与砂岩孔隙结构的破坏特征，得出液氮压裂更适合用于煤层气开采的初步结论。ZHAI等[15]研究了冻融时间和冻融循环次数对煤样裂隙网络结构的影响，发现温度的交变作用有利于煤体形成更大尺寸的孔裂隙网络，并指出液氮多次注入后煤体会产生疲劳损伤，内部微裂隙更容易扩展、延伸，从而形成交织贯通的裂隙网络。WANG等[16-20]研究了循环温度冲击下煤层的渗透率变化及其增透机制，发现煤体的非均质性和热应力的存在是温度冲击增透的主要内在机制。
煤储层是由割理、裂隙与孔隙组成的多孔介质系统。研究煤的微观结构是研究煤层气解吸、扩散、渗流规律以及煤层气赋存机制的基础[21]。煤的孔缝结构特征对煤层气的运移和储集具有极其重要影响[22-24]。王泽云等[25]利用电子显微镜研究了岩石微裂纹演化与分形几何特征，并分析了影响微孔隙扩展成宏观裂纹的扩展速度、方向和数量的主要因素。倪骁慧等[26]基于数字图像处理理论，对花岗岩的细观结构电镜扫描图片进行处理，提取微裂纹的细观几何信息，从矿物晶体和微损伤形式两个角度定量分析了循环荷载作用过程中的细观损伤特征。涂新斌等[27]利用高倍光学显微镜研究了花岗岩的孔隙结构特征，给出了花岗岩内部介质的含量，方向孔隙度，形状系数等指标。上述研究对于我们认识和研究煤储层的微观特征有很重要的意义。主要研究了-180～+180 ℃温度冲击下煤层内部孔缝结构演化特征，基于热应力理论和数字图像处理技术，根据实验结果，定性定量分析温度冲击对煤层孔隙、裂隙结构的影响。研究结果对我国煤层气高效开发和煤层瓦斯抽采具有较好的实用价值。
实验所用煤样取自河南焦作赵固二矿、河南焦作古汉山矿和平顶山平煤五矿。将井下采集到的大块煤样在河南理工大学实验室完成煤样加工，加工尺寸为直径25 mm、高25 mm的圆柱体。同时，根据实验设计需要将大块原煤破碎，分选出粒径为3～6，6～8 mm的颗粒煤和60～80目的粉煤。
基于SLX-80型高低温试验系统(图1)完成煤样的温度冲击实验。该高低温试验系统由深冷箱、控制箱、自增压液氮罐、真空输液管、计算机集成控制软件组成。该系统通过计算机集成控制软件编制工艺程序运行，可提供实验方案需要的高低温环境，并能保持良好的恒温状态。操作可靠，自动化程度高。该系统的主要技术参数如下:① 内有效空间:500 mm×400 mm×400 mm;② 温度控制范围:-190～180 ℃;③ 温度均匀度:±5 ℃，温度平衡后0.5 h;④ 控温精度:±2 ℃，温度平衡后0.5 h;⑤ 升/降温速度:0～10 ℃/min可调。
图1 SLX-80型高低温试验系统
Fig.1 SLX-80-type high and low temperature test system
利用phoenix v|tome|x m型工业显微CT和JSM-6390LV型扫描电镜、ASAP2020型物理吸附仪和AUTOPORE9505型煤岩孔径分布测试仪分别完成煤样温度冲击前后的裂隙发育和孔径分布测试。
实验总体思路如图2所示。
图2 实验方案
Fig.2 Experimental scheme
具体实验步骤如下:
(1)干燥处理。将制取好的煤样放入干燥箱内进行干燥处理，干燥完成后对煤样进行编号，并放置于干燥器皿内备用。
(2)扫描电镜实验。选6～8 mm颗粒煤的平整表面作为观察面，将其固定在载物片上，放入镀膜室进行真空镀膜，把镀膜后的载物片放在显微镜载物台上，观察煤样表面微观结构。
(3)显微CT扫描实验。将直径25 mm、高25 mm的圆柱状煤样进行连续高精度三维CT扫描，并将采集的初始扫描图像数据进行几何校正、数据体滤波、射束硬化调节和数据重建，然后使用VGStudio MAX软件提取煤样内部裂纹并分析。
(4)压汞实验。将3～6 mm颗粒煤样称重后放入样品管，涂密封脂进行封装后称重，将样品管放入低压仓并旋紧低压仓进行分析;低压仓分析结束后对样品管再次称重，放入高压仓分析，分析完成后输出结果。
(5)低温液氮吸附实验。检查实验系统气密性，确保不漏气，将不同温度载荷冲击后的60～80目粒度的粉煤各5 g分别装入不同煤样罐内，设定实验温度，对各煤样罐充气进行液氮吸附实验。
(6)温度冲击实验。启动高低温实验系统，编制控温程序使系统自动执行降温指令，至试验箱内部温度降至-180 ℃，将煤样放入试验箱中，关闭箱盖持续保温6 h，确保煤样温度完全降至-180 ℃;于此同时，另一台执行升温指令的高低温试验箱内部温度已达到实验所需+180 ℃，将煤样从低温试验箱拿出迅速放入高温试验箱，此过程不超过20 s，然后持续热冲击6 h，待煤样温度完全达到+180 ℃;控温程序完成后系统自动停止工作，打开箱盖，把煤样从高低温试验箱内取出，自然风干以备后续实验使用。
(7)温度冲击后，分别重复步骤(2)～(5)完成所有煤样测试。
图3 温度冲击前后煤样扫描电镜图
Fig.3 SEM of coal samples before and after temperature impact
根据电镜扫描实验结果，温度冲击后煤样表面均出现了微裂缝的生成和扩展现象(图3)。在M1煤样的观测结果中，温度冲击后裂隙从端点处延伸并呈Y型分叉，原有裂隙明显加宽，且新裂隙萌生(图3(a))。同样，温度冲击前M2煤样表面有两条微裂缝，温度冲击后两条裂缝已经扩展并贯通，也出现了Y型分叉扩展方式，裂隙宽度显著增加(图3(b))。M1和M2煤样来自赵固二矿。
为定量研究微裂纹扩展情况，自编MATLAB程序对煤样温度冲击前后的微裂纹宽度进行了对比。在对图3中的微裂纹处理过程中，以二值数字图像的上边界和左边界线分别为x轴、y轴，建立直角坐标系，提取二值数字图像中的裂隙轮廓线上边界点索引的坐标，计算裂隙边界点索引的裂隙宽度。白色线条为温度冲击前的裂隙轮廓线，红色线条为温度冲击后的裂隙轮廓线，处理结果如图4所示。很显然，温度冲击前煤的裂隙比较窄，且裂隙没有相互贯通;温度冲击后煤的裂隙宽度明显比温度冲击前的裂隙宽，并且多个微裂隙延伸、扩展成为一条大的贯通裂隙。
图4 二值数字图像与裂隙宽度曲线
Fig.4 Binary digital image and crack width curve
统计结果(表1)显示，温度冲击前M1煤样的裂隙宽度最大为5 μm，裂隙宽度最小为1 μm，平均裂隙宽度为2.5 μm;温度冲击后M1煤样的裂隙宽度最大为12 μm，裂隙宽度最小为4 μm，平均宽度为8.7 μm，增幅为140%～300%，平均增幅为244.8%(图4(a))。M2煤样在温度冲击前裂隙宽度最大为3 μm，裂隙宽度最小为1 μm，平均宽度为1.9 μm;温度冲击后M2煤样的裂隙宽度最大为13 μm，裂隙宽度最小为2 μm，平均宽度为7.8 μm，增幅为100%～333.3%，平均增幅为310.5%(图4(b))。
表1 温度冲击前后煤样表面裂隙宽度变化
Table 1 Changes of crack width on coal samples surface before and after temperature impact
综合上述分析，温度冲击促使煤层裂隙结构发生了显著变化，如裂隙延伸、加宽，裂隙呈Y型扩展等现象，增加了煤层气的运移通道。对煤体进行温度冲击过程中，由于煤中颗粒大小及分布的非均匀性，各矿物成分的热胀冷缩系数不同，在加热(冷却)过程中具有膨胀(收缩)的各向异性特征，煤体各组分间相互约束不能自由变形从而局部产生应力集中。当这种急速的热作用产生的热应力高于煤体的抗拉强度时，即产生新的孔裂隙，使煤体内部裂隙扩展延伸，提高了煤体的渗流能力，增加了煤层的透气性。
电镜扫描只能说明温度冲击促使煤表面裂隙结构的变化，然而温度冲击是否影响到煤的内部裂隙结构，仅用电镜扫描实验无法表征。CT扫描作为一种无损伤检测技术，在检测煤岩类材料的微细观结构方面具有独特的优越性。为研究温度冲击对煤的内部裂隙结构的影响，采用工业CT技术在细观尺度上观测温度冲击前后煤的微观结构变化，并用VGStudio MAX图像分析软件对温度冲击前后的CT扫描图片进行对比分析。以取自赵固二矿的±180 ℃温度冲击前、后煤样(25 mm×25 mm)的显微CT扫描结果为例，展开讨论温度冲击对煤体裂隙等微结构的影响。
图5(a)和(b)分别是温度冲击前、后煤样内部相同位置的横向截面图。图5(c)是温度冲击前、后煤样内部相同位置的竖向截面图。图5(d)是温度冲击前、后煤样三维立体图，绿色代表的是煤样内部的裂隙。对比温度冲击前后煤样内部结构的CT扫描特征图可直观地看出，温度冲击使煤样内部的原有裂隙变宽、延长，并扩展萌生新裂隙，裂隙贯通形成了大的裂隙网络;温度冲击前煤样内部裂隙体积为20.917 mm3，温度冲击后煤样内部裂隙体积为73.011 mm3，裂隙体积增加了249.05%。
图5 温度冲击前后煤样内部结构的CT扫描特征
Fig.5 CT scanning characteristics of coal sample’s internal structure before and after temperature shock
煤体经历复杂的地质力学、热力学及化学过程，形成了内部复杂的非均质性结构特征。这种内部结构复杂的煤体在受到强烈的温度载荷冲击后会表现出非均匀性和各向异性等特点，煤中各组分在温度冲击作用下由于膨胀收缩的差异，相互约束不能自由变形，在矿物晶粒之间产生热应力。固体颗粒的膨胀(收缩)和固体骨架的热破裂促使岩石内部孔隙裂隙空间不断变化，如新裂隙萌生和原有裂隙的伸长、分叉、断裂、壁厚宽度增加，扩展形成新的裂隙网络等现象。这种变化不仅表现在煤体表面裂隙结构上，在煤体内部裂隙结构上的表现也尤为明显。
通过压汞实验和低温液氮吸附实验可以得到温度冲击前后煤层的孔径分布特征。DEBELAK[28]和TODA[29]等研究表明，当压力大于10 MPa(孔径约为100 nm)时的进汞量应归因于煤体的压缩，因此用压汞法测量孔径小于100 nm的孔隙是不可靠的。由于液氮吸附法不存在压缩问题，更适合用于测量孔径小于100 nm的孔隙，但由于活化扩散效应以及测量误差原因，液氮吸附法不易于测量孔径小于2 nm的孔隙。结合压汞法和液氮吸附法测得的>100 nm和2～100 nm的孔隙结构信息，根据国际化学联合工会的分类标准，按照小孔(2～50 nm)、中孔(50～100 nm)、大孔(>100 nm)分析温度载荷冲击对煤层内部孔径分布的影响。实验测试的煤样取自河南省焦作古汉山煤矿和平顶山市平煤五矿。
如表2和图6所示，由压汞实验结果可知，温度冲击前古汉山矿煤样大孔孔容为0.107 7 cm3/g;温度冲击后古汉山矿煤样大孔孔容为0.042 1 cm3/g;相较温度冲击前煤的孔容，温度载荷冲击后古汉山矿煤样的大孔孔容减小了60.91%。根据液氮吸附实验结果可以准确得到温度冲击前后煤中小孔和中孔的孔容分布情况。由表2和图6可知，温度冲击前古汉山矿煤样小孔和中孔的孔容分别为0.001 232和0.003 034 cm3/g，温度载荷冲击后煤的小孔和中孔孔容为0.001 305 和0.003 72 cm3/g，分别增大了4.07%和30.80%。
表2 温度冲击前后古汉山矿煤样孔容测定结果
Table 2 Pore volume measurement results of the Guhan-shan coal samples before and after temperature impact
图6 温度冲击前后古汉山矿煤样的孔容对比及孔容增幅
Fig.6 Comparison of pore volume and pore volume increase of the Guhanshan coal samples before and after temperature impact
由表3和图7可知平煤五矿煤样温度载荷冲击前后各孔径段的孔容变化。温度冲击前平煤五矿煤样小孔、中孔、大孔孔容分别为0.001 232，0.003 034，0.028 900 cm3/g;温度冲击后煤中小孔、中孔、大孔孔容分别为0.001 305，0.003 720，0.042 100 cm3/g;不难看出:温度冲击后煤中小孔和中孔的孔容分别增加了28.41%和13.28%，而大孔孔容减小了51.56%。
表3 温度冲击前后平煤五矿煤样孔容测定结果
Table 3 Pore volume measurement results of the Pingdingshan Minmetals coal samples before and after temperature impact
图7 温度冲击前后平煤五矿煤样的孔容对比及孔容增幅
Fig.7 Comparison of pore volume and pore volume increase of the Pingdingshan Minmetals coal samples before and after temperature impact
综合古汉山矿煤样和平煤五矿煤样的测试结果，分析可知:温度载荷冲击后煤样内部小孔和中孔体积均增大，而大孔孔隙体积均减小。煤层中包含有大量的纳米级封闭孔隙，分子结构相对紧密、间隙小，传热传冷特性良好，当煤体受到冷热温度载荷冲击时，煤体分子之间的平衡被打破，引发分子振动，不可避免地出现分子之间拥挤和碰撞的现象，这种效应使得固体分子间距变大，促使煤体中封闭的纳米级孔隙被打开，在宏观上表现为煤体小孔和中孔的体积变大;温度载荷冲击改善了大孔孔径段孔隙的连通性，促使煤层内部的大孔孔隙贯通形成裂隙，进而增加了煤层气的运移通道，与电镜扫描和显微CT扫描的实验结果相一致。
根据压汞实验数据和低温液氮吸附实验数据也可以计算温度冲击前后煤中各孔径段孔隙的比表面积。选取具有典型代表特征的古汉山矿煤样比表面积测试结果加以阐述。
实验测得的温度冲击前后煤的孔隙比面积数据见表4，总体而言温度冲击后煤的孔隙比表面积大于温度冲击前煤的孔隙比表面积。古汉山矿煤样温度冲击前后煤的孔隙比面积分别为0.425 337和0.508 338 cm2/g ，比温度冲击前增大了0.083 001 cm2/g，增幅为19.51%。其中温度冲击前煤中小孔、中孔和大孔比表面积分别为0.233，0.189和0.003 337 cm2/g，分别占温度冲击前煤中总孔比表面积的54.78%，44.44%和0.78%。温度冲击后煤中小孔、中孔和大孔比表面积分别为0.25，0.257和0.001 338 cm2/g，分别占温度冲击后煤中总孔比表面积的49.18%，50.56%和0.26%。
表4 温度冲击前后古汉山矿煤样比表面积测定结果
Table 4 Specific surface area masurement results of the Gu-hanshan coal samples before and after temperature impact
图8 温度冲击前后古汉山矿煤样比表面积变化
Fig.8 Changes of specific surface area of the Guhanshan coal samples before and after temperature impact
温度冲击前后煤中小孔比表面积占总孔比表面积比例最大，可达54.78%以上，中孔次之，大孔比表面积占总孔比表面比例最小，说明温度冲击前后煤在孔隙比表面积上的差距主要表现在小孔和中孔范围内。煤样在大孔范围内比表面积减小，中孔、小孔范围内比表面积均呈增大趋势;相较温度冲击前煤的孔隙比表面积，±180 ℃温度载荷冲击后煤的小孔比表面积增大7.30%，中孔比表面积增大35.98%，大孔比表面积减小了59.90%。此结果与温度冲击前后煤样的孔容变化规律具有很好的一致性。
煤中孔隙提供的表面是瓦斯储存在煤中的主要场所，而小孔和中孔提供了煤中绝大多数的孔面积，因此小孔和中孔的孔面积大小是影响瓦斯吸附能力强弱的主要因素，同时也决定了瓦斯的解吸量大小。储存于煤层中瓦斯从小孔和中孔扩散到大孔，大孔孔径大于甲烷分子的自由行程，瓦斯在大孔中扩散的非常迅速，然后通过裂隙扩散到煤体外部。由于大孔孔容和比表面积减小，使孔隙之间连接变的充分，部分孔隙贯通形成裂隙，瓦斯放散出去的通道宽阔畅通，瓦斯扩散速度就越快，煤层的透气性显著提高。
煤是一种原始孔缝结构发育的脆性材料，抗拉强度低于抗压强度。当受到温度冲击时，原始的孔缝结构将发生变化。热胀冷缩是一般物体都具有的特性，煤体也不例外，降温时产生压应力，升温时产生拉应力。鉴于煤体的非均质性，在降温和升温过程中不同矿物传热效率不同，导致各矿物之间的变形是不均匀的，矿物之间的相互作用受到了限制和约束，并最终形成了煤中的热应力。当热应力超过煤体的抗压或抗拉强度时，煤体中原有的微孔裂隙系统就会优先扩展变形，裂纹会宽度增加，并沿裂纹尖端和矿物颗粒边界产生新裂纹，使煤体内部结构发生破坏，这就是煤岩的热破坏现象。热破坏过程如图9所示。
图9 温度冲击下煤体热破坏示意
Fig.9 Coal thermal damage under temperature shock
根据热应力理论，温度冲击下煤样的破坏属于非定常热应力范畴。试验煤样在温度冲击下所产生的热应力可以通过下式来计算[30-31]:
(1)
式中，σr为煤样中的径向方向的热应力;σθ为煤样中与σr方向垂直的切向方向的热应力;E为弹性模量;κ为导温系数;b为圆柱煤样的半径;μ泊松比;α为线膨胀系数;h为放热系数;r为煤样横截面内任一点到该横截面中心的距离(0≤r≤b);ΔT为温差;J0(gnr)和J1(gnr)分别为第一种零阶贝塞尔函数和第一种一阶贝塞尔函数;gn为下式的正根:
gnJ1(gnr)-hJ0(gnb)=0
(2)
联合式(1)和(2)可以解出煤样内部热应力的解:
(3)
式中，负号表示拉应力。
σθ由式(3)可知，煤样内部所产生的热应力最大的是σθ。利用膨胀仪实验测得α=21×10-6/℃，E为煤体弹性模量，通过三轴压缩实验测得为3 386 MPa，μ取0.2，代入式(3)，得到±180 ℃温度冲击下的最大热应力的值为32 MPa。
通过求解贝塞尔函数可以得出，在-180～+180 ℃的温度冲击下，如果煤样没有受到拉伸损伤，则可以产生高达32 MPa的热应力。笔者曾利用国际岩石力学学会标准推荐的巴西劈裂法对赵固二矿的无烟煤进行过抗拉强度测试，测得煤的抗拉强度在0.41～2.31 MPa波动[32]。也有其他学者的研究结果表明，不同变质程度煤的抗拉强度在0.28～2.35 MPa[33-34]。根据岩石力学理论可知，当煤岩所受载荷超过抗压或抗拉强度时，会引起煤岩内部裂纹扩展和失稳破坏。因此，本文温度冲击试验过程中，煤样内部实际上并不会产生32 MPa的拉伸应力，因为热应力没有升高到32 MPa，煤样已经发生破坏并卸压了。
本文温度冲击产生的热应力达到并超过煤样可承受的抗拉强度，因此在煤样内部产生了如图5所示的新裂纹萌生和原始裂纹的伸长、分叉、断裂、宽度增加等现象，并最终导致煤样断裂。
(1)温度冲击促使煤层裂隙萌生、加宽、延伸并呈Y型扩展等现象;裂隙的产生发展主要是由于矿物成分的不均匀性和热胀冷缩系数不同，矿物晶粒之间产生的热应力达到煤体的抗拉强度极限时便产生裂纹扩展。
(2)工业显微CT扫描结果显示，温度冲击后煤层内部裂隙伸长、分叉，并萌生新裂隙，裂隙体积显著增加;温度冲击不仅改变了煤表面的裂隙结构，煤内部的裂隙结构同样也受到了显著影响。
(3)温度冲击促使煤体内部的纳米级封闭孔隙被打开，使主要储存瓦斯的小孔与中孔的体积和比表面积增大;大孔孔容和比表面积减小，孔隙连通充分，部分大孔孔隙贯通形成裂隙，瓦斯放散的通道畅通、速度更快，增加了煤层气体的运移通道。
(4)计算结果表明，温度冲击实验过程中，煤样表面切线方向产生的热应力最大(32 MPa)，超过了煤样的抗拉强度，导致了内部裂隙的扩展和贯通。煤岩内部不同矿物成分变形的非均匀、不协调性是产生热应力破煤的根本机理。
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