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发布时间：2026-04-20
针对3种饱和度的含瓦斯水合物煤体开展常规三轴压缩试验，并利用离散元法，基于抗滚动模型和平行黏结模型分别开展了三维离散元数值试验，探讨饱和度与颗粒形状对含瓦斯水合物煤体偏应力-应变曲线、平均配位数、速度场及接触力链的影响特征。结果表明：(1) 饱和度分别为40%、60% 和80% 时，峰值强度分别为14.86、16.18和16.16 MPa，增幅为8.7%，峰值强度随饱和度的增加呈现先增大后趋于恒定的趋势；(2) 抗滚动接触模型的弹性模量和峰值强度误差率均在6% 以内，而平行黏结模型二者误差率均在9% 以内，表明2种模型均可表征含瓦斯水合物煤体力学特性，其中，抗滚动接触模型效果更好；(3) 随饱和度增大，试样初始配位数和最终配位数增大，加载过程中2种试样平均配位数特征具有差异性，速度场变化特征不明显，试样内部接触力均降低，试样的峰值强度和弹性模量提高，含瓦斯水合物煤体力学性质有所改善；(4) 与平行黏结试样相比，抗滚动作用会增加颗粒间的有效接触，力链分布更多且均匀，以轴向柱状力链为主，结构更稳定。
煤与瓦斯突出是极为复杂的煤矿自然灾害，严重威胁煤矿的安全生产。学者们普遍认为，煤与瓦斯突出是地应力、瓦斯压力及煤体自身物理力学性质三者相互作用的结果。吴强等提出瓦斯水合固化防突技术，可以将气体瓦斯转化为固态瓦斯水合物，降低瓦斯压力，同时提高煤体强度，改善煤体力学性质，为煤与瓦斯突出的防治提供了一种新思路。然而，瓦斯水合物-煤体介质体系受瓦斯赋存量、注水等因素的影响会呈现不同的饱和度特征。因此，研究含瓦斯水合物煤体的饱和度对其力学性质的影响，对于防治煤与瓦斯突出具有重要意义。
目前，关于含瓦斯水合物煤体力学性质的研究，主要通过室内试验和数值模拟，分析围压与饱和度对其力学特性的影响。然而，室内试验只能分析宏观现象，难以描述含水合物多孔介质内部微观力学特征。离散元法可以从细观尺度研究非连续颗粒材料的变形破坏机理。目前，在含水合物多孔介质离散元研究中，多使用圆形颗粒进行简化模拟颗粒形状，而真实煤颗粒形状具有不规则性，这种简化导致数值模型不能准确反应其力学性质。已有研究发现，在离散元模型中采用抗滚动线性接触模型和平行黏结模型来考虑颗粒形状的影响是可行的。因此，研究不同接触模型与饱和度对含瓦斯水合物煤体细观力学性质的共同影响具有重要意义。
为此，文中基于室内三轴试验结果，利用离散元数值模拟构建了3种饱和度条件(40%、60%、80%)下2种含瓦斯水合物煤体模型试样，分别开展了抗滚动模型和平行黏结模型的含瓦斯水合物煤体离散元模拟试验，分析不同饱和度与颗粒形状对含瓦斯水合物煤体的平均配位数、速度场及接触力链等细观特征的影响特征，以探索含瓦斯水合物煤体细观破坏机制，为其力学性能评价和工程建设提供理论与技术支持。
