多级加载下初始裂隙角度对砂岩破坏模式与瓦斯渗流通道的调控机制研究

《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：Effect of initial fracture angle on the failure pattern and gas flow channel of sandstone under multistage loading

本研究针对采空区上覆岩层在长期稳定应力作用下裂隙演化规律不清、瓦斯运移通道形成机制不明的问题，通过开展不同初始裂隙角度砂岩的多级加载实验，结合PFC3D数值模拟、CT三维重建及图像识别技术，揭示了初始裂隙角度通过改变岩体内部接触力传递路径和颗粒位移模式，进而调控岩石拉伸/剪切破坏主导模式及瓦斯渗流通道均匀性的新机制。研究成果为预测采空区岩层稳定性和瓦斯运移路径提供了理论依据。

　　

在煤炭开采后，采空区上方的岩层会承受长期的压力，最终导致破坏。在采矿扰动下，岩层会形成不同角度的裂隙，这些裂隙显著影响着破坏模式和瓦斯流动通道的形态。然而，现有研究多关注循环扰动加载下的裂隙扩展，对于在长期稳定应力作用下，含有不同角度初始裂隙的岩石其破坏规律以及由此形成的瓦斯流动通道特性，仍缺乏深入理解。这限制了对废弃矿井瓦斯长期运移规律的准确预测与控制。

为了回答上述问题，研究人员在《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》上发表论文，聚焦于初始裂隙角度对砂岩在多级稳定加载下破坏模式及瓦斯流动特性的影响。研究团队设计并制备了含有15°、30°、45°、60°和75°五种不同角度中心裂隙的砂岩试样，采用多级加载实验路径模拟长期稳定应力环境。研究综合运用了实验室力学测试、CT（计算机断层扫描）扫描与三维重建、数字图像处理技术以及PFC^3D（三维颗粒流程序）数值模拟等关键技术方法。其中，CT扫描和后续的图像处理（如高斯滤波、Top-hat算法分割）用于精确重构试样破坏后的内部三维裂隙网络；PFC^3D数值模拟则用于揭示加载过程中岩体颗粒间的接触力、位移及裂隙演化的细观机制。

3.1. 不同预制裂隙角度试样的应力-应变特性

通过分析多级加载下的应力-应变曲线，研究发现初始裂隙的存在显著降低了岩石的强度。随着初始裂隙角度的增大，试样的抗压强度逐渐增加。当裂隙角度为15°时，强度最低（约24.96 MPa），约为完整岩石的一半；而当角度增至75°时，强度（约38.37 MPa）已接近完整岩石。峰值应变的变化则呈现以45°为中心的对称趋势，表明不同角度裂隙主导的变形机制存在差异。

3.2. 不同预制裂隙角度试样的裂隙通道形态

通过对破坏后试样表面裂隙形态的观察，发现裂隙主要从预制裂隙的两端开始扩展。当初始裂隙角度较小时（15°–30°），裂隙主要向试样的上下端延伸，并产生分叉。随着角度增大（45°–75°），裂隙扩展的方向性更倾向于沿裂隙倾斜方向，向试样左右两侧扩展的趋势减弱，裂隙闭合程度也降低。

3.3. 试样破碎后块体的分形特征

对破碎后岩块进行筛分分析，结果表明初始裂隙角度影响着块体的粒度分布。当角度为45°时，大块体（d ≥ 60 mm）比例最高，小块体（d < 12.5 mm）比例最低，表明岩石破碎后的整体性最好。以45°为界，减小或增大裂隙角度都会导致小块体比例增加，块体完整性下降。这间接反映了裂隙通道的复杂程度，小块体比例高意味着裂隙通道更复杂，可能对瓦斯流动产生更大阻力。

4.1. 初始裂隙角度对岩石破坏模式的引导作用

通过PFC^3D数值模拟，研究深入揭示了初始裂隙角度的引导机制。在小角度区间（15°–30°），岩体颗粒间的接触力从裂隙两端向试样上下端纵向传递，受力区域分布相对均匀，裂隙从中部开始扩展，岩石主要表现为拉伸破坏。在大角度区间（60°–75°），接触力的演变沿裂隙倾斜方向进行，受力区域集中，裂隙从两端开始扩展，主要在颗粒发生相对剪切滑动的界面发展，岩石主要表现为剪切破坏。45°则是一个过渡角度。

4.2. 多级稳定应力下不同初始裂隙角度的瓦斯流动特性

基于CT扫描重建的三维裂隙网络模型，研究人员量化了不同切片位置的裂隙通道比例，并进行了瓦斯流动模拟。研究发现，随着初始裂隙角度的增大，横向裂隙通道比例曲线由多峰型（如15°时有四个峰）逐渐转变为单峰型（如75°时）。这意味着小角度裂隙导致瓦斯流动路径上存在多个流速变化区，而大角度裂隙则使瓦斯流动更集中于主通道，流速变化区域更集中。数值模拟结果直观显示了瓦斯流线在不同裂隙网络中的速度分布，验证了上述规律。

研究的结论部分总结道，初始裂隙角度通过调控岩体内部细观力学行为，深刻影响着岩石的宏观破坏模式和瓦斯渗流特性。具体而言，角度变化改变了接触力的传递路径，小角度导致均匀受力下的拉伸破坏，形成复杂的多区域裂隙网络和瓦斯流速变化；大角度则引起应力集中下的剪切破坏，形成相对单一的主渗流通道和集中的流速梯度。这项研究将岩石破裂的力学机制与瓦斯运移的渗流特性联系起来，为准确评估采空区上覆岩层的长期稳定性及瓦斯抽采效率提供了重要的理论支撑和实践指导。