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动载作用下煤体孔隙结构演化与瓦斯渗流规律研究

发布时间:2026-04-20

主要完成人:李树刚 所属单位:西安科技大学

为探究不同动载荷作用下煤样孔隙损伤特征和瓦斯渗流规律,采用霍普金森压杆(SHPB)试验系统开展了动载冲击试验,基于核磁共振(NMR)和煤岩芯渗透率测试装置分别测试了不同冲击速度作用前后煤样的T2谱和渗透率,并分析了煤样孔裂隙分布及其损伤演化特征。结果表明:冲击速度逐渐增大,煤样孔隙演化过程中微孔和中大孔相继占据主导地位,最大增幅分别为21.10% 和30.57%。煤样孔隙结构损伤区域整体由点状分散分布形态转变为复杂线、面状交织分布形态,渗流孔隙和总孔隙分形维数均随冲击速度的增加呈线性减小趋势,孔隙度增量呈指数型增长趋势,煤样渗透率增量呈增大趋势,当瓦斯压力为0.30 MPa时,增量最为明显,煤样渗透率增量随瓦斯压力的增加均呈指数降低趋势。冲击速度增大时,中大孔衍生发育使得煤样内部瓦斯流动状态从微孔隙流动转化为微裂隙流动,从而造成渗透率明显增加的现象。

适用范围:

在中国能源结构需求中, 煤炭长期占据兜底保障地位,在国民经济发展中发挥着压舱石作用。由于浅部煤炭资源的日益枯竭,煤矿开采已逐渐向深部转移。深部煤层采掘时空关系复杂,开采过程易受爆破振动、断层滑移和顶板断裂等瞬时动载冲击扰动的影响,促使煤体内部孔裂隙演化与扩展及损伤累积,从而诱导煤体达到极限承载能力而失稳。在动载荷作用下,煤体力学特性会发生改变,扰动所产生的孔裂隙演化会导致煤体渗透率产生变化,严重时会造成矿井瓦斯大量涌出。因此,有必要开展煤体在不同动载作用下的孔隙结构演化及瓦斯渗流规律的研究。 

目前,国内外学者采用霍普金森压杆试验系统(SHPB,Split Hopkinson Pressure Bar)开展了大量动载作用下煤岩体的力学特征和损伤演化规律研究。李夕兵等率先开展了单轴条件下不同类型岩石的动力学性能和破坏特征试验研究,为深部煤岩力学分析开辟了新路径。刘晓辉等考察了不同应变率条件下煤岩的动力学性能,并分析了其冲击作用下的破裂演化及微细观特征;王登科等针对煤体动态力学特性研究,采用分形理论定量描述了冲击作用下的煤样破裂自相似性;孔祥国等开展三维含瓦斯煤冲击破坏测试,探究了动载瞬时扰动下煤样破裂演化特征;沈荣喜等对比分析单轴与真三轴静载预应力状态下煤样的动力学差异性。对于动载荷下煤样的破裂演化特征,相关研究主要集中于表面形态,而内部孔隙结构演化方面的研究相对较少,煤体结构损伤从微观上可视为孔裂隙结构连通扩展的结果。王磊等结合计算机断层扫描技术系统表征了冲击载荷作用下煤体内部孔裂隙演化特征,建立了含瓦斯煤细观劣化与宏观参量损失的内在联系;王以贤等、梁为民等结合扫描电镜对冲击载荷下煤样的孔隙形态进行了定量分析与评价,探究了冲击载荷对煤体微观孔隙的作用机理。 

在表征煤岩孔隙结构方面,核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance,NMR)技术测试煤样孔径的范围更广。ZHEN等采用NMR技术表征了红砂岩在循环冲击下的微观损伤趋势,发现随着动载冲击次数的增加,红砂岩的孔隙度和渗透率均有增加,且增加幅度逐渐增大;李胜等利用NMR试验系统和扫描电镜表征煤岩孔裂隙演化特征,进一步证明了煤岩冲击对煤与瓦斯突出具有显著影响;赵洪宝等借助NMR系统从细观层面表征了冲击加载下煤岩的T2谱演化特征,发现动力冲击使得煤样微结构数量、尺度均有不同程度的增加;马衍坤等通过NMR分析仪表征了煤体孔隙分布与核磁成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)信号演化特征,研究发现在振动载荷作用下,煤样孔隙连通性逐渐提高,并揭示了振动载荷频繁冲击作用下的煤样损伤演化机制;LUO等采用NMR技术研究了循环冲击后煤体的孔隙演化特征,探究了循环冲击和围压对煤层压裂增透的影响。LI等基于NMR系统表征了冲击扰动下的煤样孔隙分形,阐明了煤样破裂结构特征与能量耗散特征的内在联系。煤体的孔裂隙演化直接影响其渗透率的变化,进而与矿井瓦斯抽采效率紧密联系。李敏敏等基于煤体的渗透率测试和冲击试验,建立了各向异性煤体渗透率计算模型;ZHANG等通过卸载围压来模拟煤层开挖过程,阐明了原煤瓦斯渗流的3阶段特征。CHENG等分析不同杨氏模量比下损伤与渗透率的关系,并以此改进了损伤—流动耦合渗透率模型。王登科等开展含瓦斯煤与含气砂岩冲击试验及原位渗流测试,揭示了不同冲击速度和瓦斯压力下含瓦斯煤损伤特征与渗流规律。 

综上,国内学者在煤岩力学特性和裂隙扩展方面都取得了丰硕的研究成果,然而动载作用下的煤岩微观孔隙演化及瓦斯渗流特征还有待研究。鉴于此,采用SHPB试验系统开展了动载冲击试验,并借助NMR和煤岩芯渗透率测试系统分别测试动载荷作用前后煤样T2谱与渗透率,通过MRI成像分析煤体孔裂隙分布及其损伤特征,以揭示不同冲击速度下的孔隙演化和瓦斯渗流规律,以期为煤岩瓦斯动力灾害防控机制的研究提供理论依据。 

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