三轴压缩条件下煤的力学响应与渗流演化特征及全过程渗透率模型

《Water》：Mechanical Response and Seepage Evolution of Coal Under Triaxial Compression and the Permeability Model

　　

煤矿地下水库煤柱坝的应力-渗流（stress-seepage）耦合特性对其服役安全评估至关重要。为此，研究人员在不同围压下对干燥与饱和煤样开展了三轴压缩-渗流（triaxial compression-seepage）耦合试验，分析了含水量和围压对煤力学响应与渗流特性的影响，并建立了表征全过程中渗透率演化的理论模型。结果表明：（1）三轴加载条件下煤的应力-应变曲线裂纹压密阶段逐渐缩短，弹性变形阶段趋于成为主导变形阶段；围压的侧向约束效应导致煤样峰值轴向应力、峰值偏应力及弹性模量呈指数增长。（2）水-煤（water-coal）相互作用劣化煤样的力学性质；与干燥煤样相比，饱和煤样的峰值轴向应力、峰值偏应力、黏聚力（cohesion）及内摩擦角（internal friction angle）分别降低了20.12%、21.39%、26.9%和2.76%。然而，围压的存在削弱了水对煤样破坏特征的延性（ductile）效应。（3）煤样渗透率随轴向应变的增加先减小后增大；基于试验数据，研究人员建立了煤样“渗透率-轴压-围压”响应面及“裂隙渗透率-横截面上最大法向应力”经验公式，二者可分别实现弹性与损伤阶段渗透率的数值表征，但缺乏以物理原理为基础的支撑。（4）综合考虑渗透率与有效应力（effective stress）的关系及应力诱导裂隙损伤效应，通过引入基于弹性模量退化定义的损伤变量及多孔介质（porous media）理论，构建了分段损伤渗透率模型；试验数据拟合结果表明，该模型能够很好地再现煤样全过程中的渗透率演化（即先减小后增大的趋势）。本研究为煤矿地下水库煤柱坝的稳定性评价与流-固耦合分析提供了理论及实验支撑。

中国西部矿区煤炭资源与产量占全国80%以上，水资源却不足全国9.6%，煤-水矛盾突出。地下煤矿水库通过人工坝与煤柱坝在采空区储存净化矿井水，但煤柱坝作为核心承载结构，长期受覆岩应力、采动荷载及矿井水侵蚀渗流作用，易发生渗漏、溃坝等灾害。已有研究表明，水-煤作用导致煤岩结构损伤与强度劣化；而传统渗透率模型多基于有效应力原理，仅适用于弹性阶段小变形无损工况，难以刻画采矿扰动与浸水耦合下裂隙起裂、扩展、贯通导致的渗透率突变。因此，系统研究煤柱坝在应力-水力耦合条件下的力学响应与渗流演化规律，构建全过程渗透率模型，对保障水库安全运营与水资源保护意义重大。

研究人员以察哈素煤矿地下水库煤柱坝为工程背景，对取自该坝所在煤层的煤样开展不同围压下干燥与饱和煤样三轴压缩-渗流耦合试验，同步监测试验应力、应变与渗流数据，分析含水量与围压对煤力学响应及渗流特性的影响，推导不同阶段渗透率经验公式，并基于损伤力学与多孔介质理论构建全过程渗透率演化分段损伤模型。研究为地下水库煤柱坝稳定性评价与流-固耦合渗流预测提供了理论依据与实验支撑。

主要技术方法：研究人员采用标准三轴流固耦合力学与渗流实验系统（CTS24），对取自内蒙古鄂尔多斯新街矿区东胜煤田察哈素煤矿地下水库煤柱坝所在煤层的标准圆柱煤样（直径50 mm×高度100 mm）开展试验。煤样经110°C烘干或智能无损浸水系统（HL-8-1WS）饱和处理后，在3.0、4.5、6.0、7.5、9.0 MPa围压下进行常规三轴压缩及三轴压缩-渗流试验，并以1.5 MPa渗压差净化水作为渗流介质。试验全程依据国际岩石力学学会（ISRM）标准控制试样制备质量，通过联合测定应力-应变与渗流数据，结合理论推导与非线性最小二乘法拟合，构建并验证损伤渗透率模型。

3.1 煤样力学性质
研究人员通过对比干燥与饱和煤样在不同围压下的偏应力-应变曲线发现，三轴条件下裂纹压密阶段缩短，弹性变形阶段成为主导且近似线性。峰值轴向应力σ_1max、峰值偏应力(σ₁?σ₃)_max及弹性模量随围压呈指数增长，机制在于围压抑制了微裂隙起裂扩展，并增大剪切面法向应力与摩擦阻力。水-煤作用导致饱和煤样力学性质劣化，其峰值轴向应力、峰值偏应力、黏聚力及内摩擦角较干燥样分别降低20.12%、21.39%、26.9%和2.76%，源于水对颗粒间黏结力的削弱及孔隙水压力引起的孔隙膨胀；但围压削弱了水对脆-延性转化特征的影响。

3.2 煤样渗流特性
研究人员通过渗流试验发现，煤样渗透率k随偏应力σ_d、平均应力σ_a及轴向应变ε₁增加呈先减后增趋势。加载初期裂隙压密导致渗透率大幅降低；弹性阶段衰减速率减缓；稳定裂隙扩展阶段因新裂纹未贯通，渗透率以极低速率降低或趋于稳定；进入不稳定裂隙扩展阶段后，内部裂纹急剧发育并主导渗流，渗透率显著上升。初始渗透率k₀与最小渗透率k_min随围压增加呈负指数下降，k_min受非均质性影响较弱，可准确反映围压对渗透率的压实效应。

3.3 煤样力学性能与渗透率演化关系
研究人员基于试验数据建立了“渗透率k-轴压σ₁-围压σ₃”响应面经验公式，该式在弹性阶段精度较高，但高应力区预测偏差增大且可能出现负值，缺乏物理机制支撑。同时，依据裂隙岩体渗透率与法向应力的指数关系，提取损伤起始应力数据并剔除异常点后，建立了“裂隙渗透率k_p-横截面上最大法向应力σ_f”经验公式k_p = 0.109exp(?σ_f/11.892)，R² = 0.96，实现了对塑性变形阶段煤体渗透率的定量评估。

3.4 损伤渗透率模型构建
研究人员基于煤的双孔结构特征，结合立方定律与Darcy渗流定律建立渗透率与孔隙度关系。鉴于裂隙变形对渗透率的贡献远大于基质变形，引入Biot有效应力原理与裂隙压缩系数c_c，推导弹性变形阶段渗透率表达式。进而基于应变等效假设定义损伤变量D（表征由初始弹性模量E₀与损伤后弹性模量E_s之差所度量的结构劣化），考虑裂隙部分阻塞效应并引入损伤系数ζ，构建考虑应力诱导裂隙损伤的渗透率模型；通过灵敏度分析，采用组合参数Ω(=?3ηc_cD)统一表征各参数耦合效应。

3.5 损伤渗透率模型验证
研究人员采用非线性最小二乘法对多工况试验数据进行拟合。结果表明，弹性阶段模型能稳定表征裂隙压密与弹性变形导致的渗透率衰减，决定系数较高；损伤阶段模型能合理再现渗透率随损伤增加的增长趋势，全模型可准确描述煤样从弹性压密到裂隙破坏全过程中的渗透率演化。尽管因煤岩非均质性导致部分损伤阶段拟合存在一定离散性，但总体验证了模型的有效性与合理性。

讨论与结论翻译：
本研究揭示了围压与水对煤力学性质及渗流特性的耦合作用机制：围压通过侧向约束抑制裂纹扩展并指数提升强度，水-煤作用则劣化煤体结构，二者共同控制煤样脆-延性转化。渗流方面，裂隙压密与损伤扩展的竞争性机制决定了渗透率“先减后增”的演化路径。基于损伤力学构建的分段模型通过引入弹性模量退化定义的损伤变量，克服了传统经验公式缺乏物理基础的局限，实现了对全过程渗透率演化的物理机制表征。

以下为原文研究结论的翻译：
（1）三轴加载条件下，煤样裂纹压密阶段缩短，弹性变形阶段成为主要变形阶段。围压侧向约束效应使峰值轴向应力、峰值偏应力和弹性模量随围压呈指数增长。水-煤相互作用劣化煤样力学性质，饱和煤样的峰值轴向应力、峰值偏应力、黏聚力和内摩擦角较干燥样分别降低20.12%、21.39%、26.9%和2.76%。然而，围压削弱了水-煤相互作用对煤样脆性特征的劣化效应。
（2）煤样渗透率随轴向应变增加呈先减小后增大趋势。压密与弹性阶段裂隙闭合持续降低渗透率，而不稳定裂隙扩展开始后渗透率显著增大。围压增加使煤样内部渗流通道压密，初始渗透率和最小渗透率呈指数下降。研究获得“渗透率-轴压-围压”响应面和“裂隙渗透率-裂隙面最大法向应力”经验公式，分别适用于弹性变形阶段与塑性变形阶段。
（3）基于传统弹性变形基模型并考虑应力诱导裂隙损伤效应，引入基于弹性模量退化定义的损伤变量构建损伤阶段渗透率模型；耦合获得分段渗透率模型，可再现渗透率总体演化趋势（先减小后增大）。多组试验数据拟合验证了模型的准确性与合理性，可为预测煤矿地下水库煤柱坝内部渗流演化提供理论指导。