弱胶结砂岩双渗透流动机理解析：基质-裂缝相互作用对渗流动态的调控机制

针对弱胶结砂岩中裂缝主导渗流与基质导流耦合作用的科学难题，研究人员通过低场核磁共振(LF-NMR)实时监测技术，建立了量化基质导流系数(Km)与裂缝开度(b)协同效应的预测模型，揭示了界面渗透性对立方律偏差的非线性调控规律，为工程岩体渗流预测提供了新范式。

　　

在能源开发与地质灾害防治领域，弱胶结砂岩的渗流行为一直是困扰工程安全的"阿喀琉斯之踵"。这类广泛分布于中国西部煤系地层的特殊岩体，因其独特的矿物组成和胶结特征，在采矿扰动下极易形成复杂裂缝网络。传统理论将裂缝视为遵循立方律的平行板通道，却难以解释实际工程中观测到的渗流异常——有时裂缝流量远超理论预测，有时又显著偏低。这种"渗流悖论"背后，隐藏着基质与裂缝相互作用的黑箱机制。

中国矿业大学的研究团队在《Journal of Hydrology》发表的研究，首次通过实验揭示了弱胶结砂岩中双渗透系统的动态耦合规律。研究采用低场核磁共振(LF-NMR)实时成像技术，结合可控裂缝开度的岩样制备方法，定量解析了基质导流能力与裂缝几何特征对渗流的协同调控作用。

关键技术包括：1）从鄂尔多斯盆地侏罗系直罗组采集弱胶结砂岩样本，制备含可控裂缝(10-100μm)的工程岩样；2）利用LF-NMR建立水量(m)与信号强度(SI)的线性标定模型，实现渗流过程实时可视化；3）通过变导流基质与变开度裂缝的组合实验，系统量化立方律偏差系数(Q_f/Q_fc)。

【砂岩样本特性】
岩相分析显示，研究样本包含风化砂岩(22#)、细砂岩(41#)等四种类型，其孔隙结构呈现典型双峰分布。与致密砂岩相比，弱胶结砂岩的黏土矿物含量高15-20%，导致基质导流系数(K_m)存在数量级差异，这是引发裂缝-基质耦合效应的物质基础。

【孔隙度分析】
LF-NMR弛豫谱揭示，弱胶结砂岩的微孔(<0.1μm)占比达63%，但贡献导流能力不足5%；而占比37%的中大孔隙(>1μm)主导了基质渗流。这种孔隙结构的双峰特征，使得界面渗透性对裂缝流量的调控呈现非线性响应。

【双渗透机制】
实验发现三类关键现象：(a)粗粒砂岩中，当K_m>10^-5 m/s时，基质向裂缝的侧向补给可使Q_f/Q_fc突破1.35；(b)界面渗透性存在临界开度(b_c≈30μm)，当b<b_c时，ln(Q_f/Q_fc)与K_m呈线性响应；(c)表面粗糙度在K_m<10^-7 m/s时主导流动阻力，使Q_f/Q_fc最低降至0.68。

【结论与意义】
该研究建立的乘耦合模型首次将裂缝几何效应(b³)与界面传输物理(K_m)统一量化，破解了传统立方律在可渗透界面条件下的失效难题。理论突破体现在三方面：1）阐明基质导流能力对裂缝流量的增强效应源于压力场重分布；2）发现开度减小会非线性放大基质-裂缝耦合强度；3）确立LF-NMR弛豫时间与等效孔径的映射关系，为原位渗流监测提供新方法。这项成果不仅为煤矿水害防治提供理论支撑，更在CO₂封存选址评估、页岩气开采优化等领域具有广泛应用前景。