不同围压条件下沁水盆地南部无烟煤的动态损伤演化、CT成像及其特性研究

《ACS Omega》：Dynamic Damage Evolution and CT Visualization and Characterization of Anthracite from the Southern Part of the Qinshui Basin under Different Confining Pressures

沁水盆地石港煤矿3号煤层煤样在不同围压下力学特性及断裂演化规律研究。通过同步三轴压缩试验与微CT扫描，揭示围压增加导致煤体脆性向半脆性转变，断裂网络复杂度随围压降低而增强，量化分析表明灰度值、断裂体积及孔隙率可作为损伤演化可靠指标。

　　在现代能源开发中，煤层气（Coalbed Methane, CBM）作为一种非常规天然气资源，因其在保障煤矿安全、减少温室气体排放以及具有商业价值等方面，受到了广泛关注。尤其在以高变质程度煤为主的南方沁水盆地，煤层气的高效开发不仅对能源利用具有重要意义，同时也对矿井的稳定性提出了更高要求。为了更好地理解煤岩在不同应力条件下的变形和破坏机制，本研究选取了南方沁水盆地石河煤矿3号煤层中的原始煤样，进行了不同围压下的压缩试验，并通过高精度X射线扫描仪同步进行实时CT扫描。这种方法不仅能够揭示煤样在压缩过程中裂缝的形成与扩展规律，还能从微观角度分析其力学性能和破坏模式，为煤层气开发和矿井安全控制提供理论支持和实践指导。

煤是一种复杂且各向异性的地质材料，其内部结构和裂缝网络的演变对煤层气的渗流、运移和开采具有重要影响。传统的研究方法主要依赖于对地下煤壁或钻孔煤芯样本的宏观观察，虽然能够提供一定的信息，但在理解煤的内部微观结构和裂缝演化方面存在局限。随着科学技术的发展，微焦点X射线CT（μCT）作为一种先进的非破坏性三维成像技术，已被广泛应用于岩石和煤的内部结构分析。通过μCT技术，可以实现对煤内部裂缝网络的高分辨率可视化，从而更精确地评估裂缝的分布、连接性和演化过程。

本研究中，所使用的μCT扫描系统与三轴应力测试装置相结合，能够实时捕捉煤在压缩过程中的裂缝扩展情况。这种同步扫描方法克服了传统实验中卸载后样品变形导致裂缝形态改变的不足，使得实验数据更具代表性。实验中，煤样在不同围压条件下的表现被系统记录和分析。结果显示，原始裂缝在石河煤矿的煤样中较为发育，且随着围压的增加，煤的压缩强度、峰值应变和弹性模量均呈现上升趋势，而残余强度则主要由裂缝表面的摩擦力维持。这表明，在一定围压范围内，煤的力学性能得到了有效增强，其破坏模式也发生了从脆性到半脆性/半延性的转变。

在低围压条件下，煤的裂缝网络表现出更复杂的结构，裂缝扩展主要以单轴拉伸破坏为主，裂缝多呈垂直分布。而在高围压条件下，裂缝则更倾向于以剪切破坏形式出现，裂缝网络相对简化，但分布更为均匀。这种破坏模式的转变与煤在不同应力条件下的力学行为密切相关，也反映了煤岩在实际开采过程中，因应力场变化而表现出的复杂响应。此外，通过CT图像的灰度值、裂缝体积和裂缝孔隙度等定量参数，可以有效评估煤在压缩过程中的损伤程度，这些参数不仅能够反映裂缝的发展状态，还为煤层气的开发提供了可靠的依据。

实验结果还表明，在压缩过程中，煤经历了四个明确的力学阶段：压实阶段、弹性阶段、屈服阶段和塑性破坏阶段。在压实阶段，煤的内部结构受到压缩作用，部分裂缝开始闭合，但并非所有裂缝都完全闭合，特别是那些被矿物填充的裂缝。在弹性阶段，煤的变形主要表现为线性响应，裂缝的体积和孔隙度变化较小。当煤样达到屈服点后，裂缝开始快速扩展，此时煤的强度显著下降，进入塑性破坏阶段。在这一阶段，裂缝不仅在原有的位置扩展，还会在新的位置形成，裂缝网络逐渐复杂化，但此时煤的残余强度仍保持一定水平，表明其内部结构具有一定的延展性。

为了更全面地理解煤在不同围压下的裂缝演化过程，本研究通过实时CT扫描技术获取了多个阶段的图像数据，并结合图像分割和定量分析方法，对裂缝的形态、分布和演化路径进行了深入探讨。通过灰度值的变化，可以判断裂缝的扩展趋势和位置，而裂缝体积和孔隙度的增加则反映了煤体的损伤程度。在低围压条件下，裂缝孔隙度在初始损伤阶段达到了原始裂缝的两倍，这表明煤在低围压下的损伤过程更为剧烈。而在高围压条件下，裂缝的扩展相对受控，裂缝网络的复杂性降低，但裂缝的分布更为均匀，说明围压对裂缝的形成和扩展具有重要的抑制作用。

从图像分析的结果来看，裂缝的发展不仅受到围压的影响，还与煤的初始结构密切相关。在压缩过程中，裂缝通常在原始裂缝附近开始扩展，随后逐渐向其他区域延伸，形成复杂的裂缝网络。在高围压条件下，裂缝的扩展方向受到更大的约束，裂缝更倾向于沿着剪切方向发展，形成较为均匀的剪切破坏模式。而在低围压条件下，裂缝扩展更为自由，呈现出拉伸破坏的特征，裂缝网络更加复杂。这种差异不仅反映了煤在不同应力条件下的力学响应，也揭示了煤层气开采过程中裂缝扩展与应力场之间的关系。

此外，研究还发现，随着围压的增加，煤的弹性模量显著提升，这表明煤的内部结构在围压作用下变得更加紧密，裂缝闭合和矿物填充起到了增强煤体刚度的作用。同时，煤的峰值强度和残余强度也随着围压的增加而提高，这说明围压能够有效改善煤的力学性能，提高其抗破坏能力。然而，随着围压的进一步增加，裂缝的扩展速度和数量逐渐趋于稳定，表明煤的损伤过程在高围压下受到一定限制。这种现象对于煤层气开发具有重要意义，因为它意味着在一定的围压范围内，煤的裂缝网络能够得到优化，从而提高煤层气的渗透性和开采效率。

本研究的实验数据和图像分析结果为煤层气的开发提供了新的视角。通过同步进行压缩试验和CT扫描，研究人员能够实时观察煤在不同围压下的裂缝演化过程，从而更准确地评估煤的损伤程度和破坏模式。同时，定量参数的引入使得裂缝的发展过程可以被更系统地分析，为煤层气的开发策略和矿井安全控制提供了科学依据。这些成果不仅有助于优化煤层气的开采方法，还能为煤矿的稳定性评估提供支持。

在实际应用中，煤层气的开发通常依赖于裂缝网络的扩展和连接，而裂缝网络的形成与煤的原始结构和应力场密切相关。因此，了解煤在不同围压下的裂缝演化规律，对于提高煤层气的开采效率和保障煤矿安全具有重要意义。本研究的结果表明，通过合理的围压控制，可以有效改善煤的力学性能，提高其抗破坏能力，同时优化裂缝网络的结构，从而促进煤层气的高效开采。此外，研究还揭示了裂缝扩展过程中的一些关键特征，如裂缝的起始位置、扩展方向和连接方式，这些信息对于制定科学的煤层气开发方案具有重要价值。

未来，随着实验技术的不断进步，结合CT扫描与声发射监测等多手段的综合研究将成为分析煤层气开发过程中裂缝演化的重要方法。通过声发射监测，可以实时捕捉裂缝扩展过程中产生的能量释放信号，从而进一步验证裂缝的扩展路径和破坏模式。此外，还可以利用CT图像分析裂缝的方向、倾斜角度和连通性，为裂缝网络的三维重构和模拟提供数据支持。这些技术的结合不仅能够提高煤层气开发的精度，还能为矿井的安全控制提供更全面的评估依据。

总之，本研究通过结合压缩试验和实时CT扫描技术，系统分析了煤在不同围压条件下的裂缝演化过程和力学性能变化。实验结果表明，围压对煤的压缩强度、峰值应变和弹性模量具有显著影响，同时也能改变煤的破坏模式和裂缝网络的复杂程度。这些发现为煤层气的高效开发和煤矿的稳定性评估提供了理论基础和技术支持，同时也为今后在类似地质条件下进行煤层气开发提供了参考。未来的研究可以进一步探索裂缝扩展与煤层气流动之间的关系，以及如何通过优化围压条件来提高煤层气的开采效率和安全性。