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发布时间:2026-04-07
煤层采动过程中,孔隙瓦斯压力与地应力呈多周期同步加载或卸载的动态耦合特征,两者共同驱动煤体变形及瓦斯运移,诱发矿井煤岩瓦斯动力灾害。为了深入揭示地应力与瓦斯压力多周期耦合作用下的煤体力学渗流响应特征及其主控机制,开展了固定孔隙压力仅应力 (stress-only,OS) 循环、固定应力仅孔隙压力 (pore pressure-only, OPP) 循环和应力−孔隙压力耦合 (stress-porepressure coupled,SPPC) 循环加卸载的三轴渗流试验,基于统计损伤理论构建了 SPPC 作用下煤体损伤本构模型。结果表明:应力与孔隙压力对煤体轴向压缩和径向膨胀变形均有促进作用,二者对体积应变影响呈相反的竞争关系,由此导致其对渗流通道的差异化影响 (应力促进体积压缩从而抑制瓦斯渗流,孔隙压力导致体积膨胀从而促进瓦斯渗流)。随循环周期增加,3 种循环路径煤体轴向应变均呈波动式增长,径向应变波动减小。SPPC 循环煤体在应力场与渗流场的耦合作用下,变形响应更敏感、损伤更易累积,至试验结束时,其累积残余应变最大 (轴向 0.203×10−2,径向−0.059×10−2)。此外,3 种循环路径煤体在加载结束时的渗透率随循环周期增加均呈指数型衰减,表明循环损伤累积使孔裂隙难以恢复至初始开度,渗流能力减弱;OS 和 SPPC 循环煤体在卸载结束时的渗透率随循环周期增加逐渐减小,而 OPP 循环则相反,高压瓦斯将裂隙表面附着的松散煤 颗粒或黏土矿物反复冲刷,导致裂隙通道扩展。贡献率数据表明煤体应变演化受应力主控,其在轴向、径向及体积应变中的平均贡献率分别为 97.5%、64.9% 和 79.7%;渗透率演化则由孔隙压力绝对主导,其贡献率 > 97.6%。最后,基于煤体微元强度服从 Weibull 分布特征,考虑孔隙压力对煤体强度的劣化作用,提出耦合损伤变量,构建了 SPPC 作用下基于 D-P(Drucker-Prager) 准则的损伤本构模型,该模型在加−卸载阶段可较好地描述煤体在 SPPC 作用下的变形响应特征。研究结果为进一步揭示矿井煤岩瓦斯动力灾害的力学作用机理提供了理论支撑。
煤炭作为我国主体能源,在支撑国民经济持续增长、保障能源安全稳定供应及推动区域能源结构转型中始终占据不可替代的战略地位。随着开采向深部延伸,煤体在采掘扰动下频繁承受循环加卸载作用,这一过程不仅导致煤体力学性质劣化、裂隙网络扩展,更显著改变瓦斯渗流特性,极易诱发煤矿瓦斯异常涌出乃至煤与瓦斯突出等灾害。因此,系统揭示循环加卸载下煤体变形损伤规律及渗透率演化机制,对实现瓦斯灾害精准防控、保障煤炭安全高效开采具有重要意义。
在循环载荷诱发煤岩体疲劳损伤研究方面,国内外学者已通过大量力学试验,系统揭示了煤岩体损伤演化过程中的力学行为、渗流演化与破坏特征。笔者等通过分级循环加卸载煤体变形破坏特征试验,发现循环路径下煤体抗压强度比常规加载路径减小了 4.59%。李清淼等根据煤层群开采条件下被保护层应力实时监测结果,设计了不同循环加卸载路径的三轴渗流试验,发现煤体渗透率与应力和循环周期呈负相关。崔峰等对煤岩组合体进行了不同加卸载路径的力学试验,发现试件在恒下限加卸载下的峰值强度最小、损伤程度最高,煤体与岩石分别呈 X 型共轭剪切破坏和拉伸破坏。LIANG 等对煤体分别进行真三轴常规加载、循环加卸载及主应力旋转路径试验,发现循环加卸载作用下煤体横向裂缝会相互贯穿,内部损伤最严重。构建采动煤体损伤本构模型对于揭示采动影响下的煤体力学响应与损伤内在关联至关重要。为此,学者们主要从统计损伤理论与能量演化原理入手。在统计损伤方面,曹文贵等从岩石微元强度分布的随机性出发,引进正确描述岩石微元强度分布的参量,建立了三维岩石损伤演化方程和岩石损伤软化本构方程。张平阳等对岩石损伤软化模型进行了拓展,采用内变量描述加卸载模量的疲劳演化规律,进而构建循环加卸载作用下的岩石本构关系。在能量演化方面,王凯等基于能量耗散原理,结合煤岩组合体力学试验结果,构建了适用于煤岩组合体的能量−损伤本构模型。
上述学者围绕不同应力路径下煤岩体的力学渗流响应及损伤本构模型构建,取得了一系列重要成果。同时,煤体作为多孔介质,其内部赋存的瓦斯是诱发动力灾害的核心要素,孔隙瓦斯压力的变化直接影响煤体的有效应力状态与结构稳定性。基于此,众多学者围绕孔隙压力对煤体变形渗流特性的影响展开研究。ZHONG 等研究发现孔隙压力对煤体径向和体积应变影响显著,且对原生孔裂隙的影响程度远强于次生孔裂隙。王登科等利用工业 CT 扫描设备,观测不同气体压力条件下煤体内部微裂隙萌生扩展特点,发现随孔隙压力升高,煤体内部微裂隙的萌生和扩展愈加明显。许江等研究了不同有效围压条件下原煤渗透率与孔隙压力之间关系,发现在低孔隙压力的环境下,煤体渗透率随孔隙压力的增加呈幂函数递减趋势。张超林等研究了煤层瓦斯压力对瓦斯抽采效果的影响,发现瓦斯抽采过程中,解吸瓦斯通过煤层孔裂隙运移至抽采钻孔并排出,随着煤层瓦斯压力的降低,其运移速度逐渐下降。
综上,现有研究多聚焦于单因素作用分析 (或在恒定瓦斯压力条件下分析应力对煤体的作用机制,或在恒定应力状态下探究孔隙压力对煤体的影响)。然而在实际采动过程中,应力与孔隙压力并非独立作用,而是耦合影响孔裂隙开闭,共同驱动煤体变形失稳与瓦斯运移。现场实测数据同样表明,采动应力演化过程中,孔隙瓦斯压力随应力协同变化,形成同步加卸载应力路径。以往单一荷载或理想耦合条件下的力学试验无法准确揭示煤体失稳致灾的内在机制。因此,系统研究煤体在应力−孔隙压力动态耦合作用下的变形渗流规律,揭示 SPPC 作用对煤体的影响机制,对于阐明矿井煤岩瓦斯动力灾害孕育机制具有重要意义。
为此,笔者依据现场煤层实测的应力分布特征,设计了固定孔隙压力仅应力循环、固定应力仅孔隙压力循环和应力−孔隙压力耦合循环加卸载的三轴渗流试验,系统研究了 3 种循环路径下煤体的力学响应特征和渗流规律,通过贡献率数据量化了应力和孔隙压力各独立因素对煤体变形/渗流的影响程度,阐明了两者对煤体形变及渗透率的主控机制。最后,基于统计损伤理论构建了 SPPC 作用下的煤体损伤本构模型,并验证了模型的合理性。研究结果为进一步揭示矿井煤岩瓦斯动力灾害的力学作用机理提供理论支撑。
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