《International Journal of Mining Science and Technology》：From zoned re-crushing visualization to innovative sealing solution: Unveiling the governing mechanisms of air leakage in gas drainage boreholes
编辑推荐：
钻孔周围破碎带内的空气泄漏是制约高效瓦斯抽采的关键瓶颈，但其潜在机制尚不清楚。本研究采用了一种CT可视化压实装置，首次实现了破碎带内泄漏路径的可视化与定量研究。主要研究结果如下：（1）颗粒再破碎表现出显著的空间非均匀性，其再破碎程度按上区、中区、下区的顺序递减
钻孔周围破碎带内的空气泄漏是制约高效瓦斯抽采的关键瓶颈，但其潜在机制尚不清楚。本研究采用了一种CT可视化压实装置，首次实现了破碎带内泄漏路径的可视化与定量研究。主要研究结果如下：（1）颗粒再破碎表现出显著的空间非均匀性，其再破碎程度按上区、中区、下区的顺序递减。（2）随着应力增加，空隙网络从小空隙（mesovoids）主导的系统演变为以小空隙（small voids）和微空隙（microvoids）为主的系统，二者的总比例最终达到85%，且空隙率随应力增加呈指数衰减。（3）在应力作用下，颗粒形态向更规则和粗糙的方向演变，表现为比表面积平均增加224.7%，平整度增加6.6%，伸长率增加5.4%。（4）基于这种非均匀演化机制，研究人员提出了一种自适应密封策略，以指导具有动态响应能力的材料的开发，从而实现对不断演化的泄漏通道的精确和持久密封。所建立的可视化-定量框架阐明了漏气的微观机制，并为自适应密封技术的开发提供了重要的理论基础。
研究背景与意义
煤层气（CBM）不仅是宝贵的清洁能源，也是一种重要的温室气体和煤矿安全隐患。高效抽采煤层气对于减轻矿井瓦斯灾害、利用能源资源以及减少环境影响至关重要。然而，限制高效瓦斯抽采的一个关键因素是抽采钻孔周围的漏气现象。在采矿引起应力（mining-induced stress）的作用下，钻孔周围的结构被压碎，从而产生了极其发育的空隙-裂隙网络。该网络为空气从巷道流入钻孔提供了渗透路径。
学术界通常将钻孔周围区域划分为原始应力区、弹性区、塑性区（即破裂煤岩体）和破碎区（即破碎颗粒）。尽管针对钻孔周围弹塑性区在应力下的渗透率演化已有广泛实验研究，但针对破碎区内煤岩体泄漏行为的研究相对滞后。现有研究的重点主要集中在宏观力学和气体流动特征上，而对破碎带内多孔结构和泄漏通道微观演化的定量与可视化分析仍然有限。由于破碎区包含大量宏观裂隙，在应力重分布下会演化并连接形成复杂的空气泄漏通道网络，因此相比于塑性区，破碎区表现出更大的漏气倾向。量化表征和可视化应力作用下钻孔破碎带内煤矸石颗粒的再破碎行为，对于揭示泄漏路径的动态演化具有重要意义，也为预防瓦斯灾害和保障安全开采提供了关键见解。
以往关于采空区冒落带的研究不能完全适用于钻孔破碎带，因为两者在尺度、应力条件和边界约束上存在根本差异。这进一步限制了高效密封策略的发展。因此，阐明钻孔破碎带内独特的颗粒-空隙相互作用机制，不仅是开发精确高效密封方法的临界理论基础，也是迫切的研究需求。为此，研究人员设计了一种第二代CT可视化压实装置，对瓦斯抽采钻孔破碎带内的颗粒破碎过程进行了深入研究，为研究破碎带内的漏气机制和高效瓦斯抽采提供了基础理论支持。
关键技术与方法
研究人员选用山西屯兰煤矿的煤矸石样本，粒径筛选为5至10毫米。实验采用自主研发的第二代破碎煤岩CT可视化压实系统，该系统由微机控制轴向液压伺服加载装置和nanoVoxel-4000高分辨率X射线三维CT检测子系统组成。加载装置以0.01毫米/秒的速率施加轴向载荷，压缩位移分别设定为0、10、20、30和40毫米，对应0至25兆帕的轴向压力范围，涵盖了屯兰矿钻孔遇到的采矿应力范围。CT扫描参数为电压190千伏，电流180微安，像素尺寸40.01微米。实验流程包括样本预加载、受限压缩、CT扫描、二维切片处理、三维模型重建及数据分析。研究人员利用Avizo软件对获取的二维CT切片进行裁剪、对比度增强、去噪和阈值分割处理，随后通过三维体绘制重建了不同压缩阶段的煤矸石颗粒和空隙的数字三维模型，并基于此进行了定量分析。
研究结果
3.1 二维切片的颗粒再破碎特征
通过对比不同压缩状态下的纵向切片，研究发现煤矸石颗粒的再破碎沿垂直高度表现出不同的特征，呈现出明显的分层再破碎现象，即上部区域的再破碎程度最高，中部次之，下部最低。这种现象归因于“端部效应”，包括力链传递机制的衰减、颗粒成拱效应以及刚性边界对侧边界颗粒位移和重排空间的约束。此外，颗粒破碎模式主要分为三种：颗粒棱角脱落、弱界面破碎和整体颗粒再破碎。在压缩初期以棱角脱落和弱界面破碎为主，后期则伴随整体再破碎。
3.2 数字三维重建模型
研究人员利用Avizo软件对五个不同位移下的二维切片图像进行了优化处理，包括图像裁剪、对比度增强和非局部均值滤波去噪。随后采用Otsu算法确定最佳阈值并进行图像二值化，区分固体颗粒与空隙。在颗粒分割阶段，采用26连通性方法判断接触点体素的连通性以实现最大程度的颗粒分离。最终通过体绘制技术，重建了五种压缩状态下煤矸石颗粒和空隙的数字三维模型。
3.3 基于三维重建的定量分析
3.3.1 粒径与数量的分区再破碎特征
总体来看，随着压缩位移的增加，颗粒数量从802稳步增加到4019，而平均等效直径从5.983毫米显著减小到2.21毫米，降幅达63.1%，表明持续的再破碎发生。分区结果显示，上部区域颗粒数量激增且平均直径下降最为剧烈，验证了该区域受直接压缩和局部应力集中影响最大；中部区域变化较为均匀；下部区域由于受到中上部骨架的约束，有效应力较低，颗粒生长受限，破碎程度最小。
3.3.2 颗粒形态的演化特征
在压缩过程中，颗粒形态发生了复杂演化。比表面积（SSA）从平均6.95大幅增加至22.57，表明表面粗糙度显著提升，且数据的标准差增大意味着再破碎的非均匀性加剧。平坦度（Flatness）从0.677增加至0.722，伸长率（Elongation）从0.717增加至0.756。这两个指标的同时上升表明，在持续荷载和棱角剥落磨损下，颗粒形态逐渐从不规则扁平或细长状向更规则的近等轴状几何形态演变。
3.3.3 空隙体积的分区演化特征
空隙网络的球棒模型显示，随着压缩进行，大尺寸空隙逐渐减少，微小空隙大量生成，连通喉道变窄甚至断裂。根据体积分类统计，初始阶段以中空隙（mesovoids）和大空隙（macrovoids）为主，占比分别为66%和6%；当压缩位移达到40毫米时，小空隙（small voids）和微空隙（microvoids）的比例持续增加，最终分别达到63%和22%，中空隙降至15%，大空隙完全消失。分区数据显示，空隙体积在上部减少最为显著，中部次之，下部最少，且各层间的差异呈先增大后减小的趋势。
3.3.4 孔隙度的分区演化特征
破碎煤矸石表现出典型的非线性应力-应变行为。宏观孔隙度（voidage）与应力之间的关系符合指数函数衰减规律，拟合优度R值为0.998。初期孔隙度下降迅速，主要由颗粒位置调整和填充引起；后期下降速率减缓，由颗粒再破碎和骨架致密化主导。二维表面孔隙比的结果进一步证实，上部区域的孔隙比下降最快，接近80%，中部和下部下降较慢，呈现出明显的分层演化差异。
总结与结论
研究人员通过受限压缩与CT扫描实验，结合数字三维重建技术，深入揭示了瓦斯抽采钻孔破碎带内煤矸石颗粒与空隙结构的非均匀演化机制。主要结论如下：
首先，煤矸石颗粒在受限压缩下发生显著再破碎，表现出强烈的空间非均匀性。受端部效应和骨架效应影响，再破碎程度呈现上区大于中区、中区大于下区的规律。颗粒数量大幅增加，平均等效直径显著减小，新生细颗粒填充于大颗粒骨架间，直接减小了漏气通道的有效过流截面并增加了流动阻力。
其次，颗粒形态向规则化和表面粗糙化方向演化。比表面积平均增加224.7%，表明破碎过程中不断有新的断裂面暴露，颗粒表面愈发粗糙。同时，平坦度和伸长率分别平均增加6.6%和5.4%，证明颗粒在压缩过程中变得更加规则和等轴。这种形态演化增强了气体流动的壁面摩擦效应，从而致密化了漏气通道内的空隙。
第三，破碎煤矸石的空隙结构在压缩过程中整体趋于致密化，且具有明显的空间非均匀性。空隙系统由大空隙和中空隙主导的松散结构，转变为小空隙和微空隙占比高达85%的致密结构。空隙体积减少了95.3%，且分布呈现上区小于中区、中区小于下区的规律。这表明压缩过程中钻孔周围漏气通道的演化具有空间非均匀性，靠近钻孔的空隙更易形成优势漏气通道。
第四，破碎煤矸石在压缩下表现出非线性应力-应变特征，伴随应力跌落与恢复波动。孔隙比随应力增加呈指数衰减。初期因颗粒重排和充填导致孔隙比快速下降，后期过程放缓，以颗粒破碎和骨架致密化为主。二维表面孔隙比结果显示上区下降最快，中下区较慢，明确显示了分层演化差异。宏观与微观结果一致表明，破碎煤矸石颗粒的压缩过程遵循非均匀致密化机制。
最后，基于对破碎带非均匀特性的揭示，研究人员提出了一种新的钻孔密封策略和密封材料研究方向，即实施差异化的自适应密封（adaptive sealing），并推动密封材料向动态响应型发展。这些发现为自适应密封策略提供了科学依据，能更有效地缓解漏气问题并优化煤层瓦斯抽采效率。
