《International Journal of Coal Science & Technology》：Investigation on the mechanical and failure behaviors of deep coal-rock combination using a hybrid continuum–discontinuum numerical method
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深部煤层气储层中常存在一种煤岩组合体——矸石夹层，其可导致严重的钻井问题，尤其是井壁失稳。理解这类煤岩组合体的力学行为对于分析井壁稳定性至关重要。然而，其力学行为与均质岩石显著不同，尚需进一步深入研究。因此，本研究采用混合连续-非连续方法（hCDM）对深部煤岩
深部煤层气储层中常存在一种煤岩组合体——矸石夹层，其可导致严重的钻井问题，尤其是井壁失稳。理解这类煤岩组合体的力学行为对于分析井壁稳定性至关重要。然而，其力学行为与均质岩石显著不同，尚需进一步深入研究。因此，本研究采用混合连续-非连续方法（hCDM）对深部煤岩组合体的力学行为进行了研究。首先，利用hCDM建立了煤-泥岩-煤（CMC）组合体的数值模型，并通过实验数据进行了标定。随后，对不同夹层倾角的CMC组合体开展了单轴压缩数值模拟，系统研究了高度比、节理层和矸石夹层的影响。最后，对hCDM与理论方法之间的差异进行了比较和讨论。结果表明，数值模拟与二元煤岩组合体实验的误差在2%以内。随着夹层倾角的增大，单轴抗压强度（UCS）在煤的强度附近波动，但显著低于泥岩强度，而杨氏模量则在煤和泥岩的观测范围内逐渐增大。同时，CMC组合体内部的应力集中现象更加显著，泊松效应对应力集中有重要影响，进而改变了裂纹萌生和破坏模式。CMC组合体的UCS随高度比、节理层强度和夹层岩石强度的增加而显著增强，但强度增加量始终小于夹层的增强幅度。在较高倾角下强度改善更为显著，但过高的节理层强度并不能按比例增强CMC组合体。这些发现为深部煤层气钻井和开发提供了理论指导。
深部煤层气储层中广泛发育的煤岩组合体，特别是含有矸石夹层的复杂地质构造，给钻井工程中的井壁稳定性带来了严峻挑战。与均质岩石相比，这类组合体的力学行为和破坏机制存在本质差异，传统基于单一岩性的分析方法难以准确预测其工程响应。目前，针对煤岩组合体的研究多集中于二元组合，对于更为复杂的三元煤-岩-煤组合体，尤其是其细观破坏机制的认识仍显不足。现有数值模拟方法中，离散元法（DEM）因计算成本高、微观参数标定复杂等问题受限，而有限元法（FEM）在模拟裂纹扩展方面存在固有困难。为突破上述瓶颈，研究人员开发了混合连续-非连续方法（hCDM），该方法兼具应力-应变计算精度与裂纹捕捉能力，为深部煤岩组合体的力学研究提供了新的技术途径。
该研究发表于《International Journal of Coal Science》，研究人员以中国鄂尔多斯盆地东部深部煤系地层为地质原型，构建了煤-泥岩-煤（CMC）三元组合体数值模型，系统开展了力学行为与破坏特征研究。研究采用了两项核心技术方法：一是基于hCDM的数值建模技术，将研究域离散为三节点实体单元，并在相邻单元间嵌入零厚度四节点 cohesive 单元以模拟裂纹萌生、扩展及岩石碎裂过程，同时采用惩罚刚度法计算接触力以提高Mode II及混合模式条件下接触力计算的准确性；二是通过有限域空间离散化方法进行网格生成，结合Tatone和Grasselli提出的hCDM参数标定程序，利用纯煤、纯泥岩及二元泥岩-煤组合体的单轴压缩实验数据对数值模型进行迭代标定与验证。
研究结果部分，研究人员首先分析了不同倾角下CMC组合体的力学性质。随着夹层倾角从0°增至90°，单轴抗压强度（UCS）呈现先升后降再升的波动特征，始终在煤的强度附近变化且显著低于泥岩强度，而杨氏模量则逐渐增大并介于煤与泥岩之间。当倾角为90°时，组合体表现出明显的塑性特征；而在低倾角条件下，组合体主要表现为脆性破坏。煤组分在组合体中的强度甚至可能超过纯煤样品，这归因于其高径比减小及泊松效应产生的类围压作用。
在应力分布与演化方面，研究人员发现随着倾角增大，CMC组合体内应力集中现象愈发显著。0°时应力分布相对均匀，仅节理层处存在轻微应力集中；30°时应力分布呈现明显局部化特征，因端部效应和泊松效应在不同岩性界面处形成椭圆形侧向应力区，煤中出现压应力而泥岩中出现拉应力；45°时煤中应力局部化诱导泥岩夹层产生相应应力集中，裂纹起始于煤-岩应力集中面与节理层的交汇处；60°及以上时，较硬的泥岩夹层轴向贯穿组合体，承担主要轴向力。通过提取塑性单元数量和节理层两侧侧向应力，研究人员揭示出泊松效应在煤进入塑性阶段后迅速增强，导致侧向应力快速增大。
关于破坏特征，0°至45°范围内CMC组合体主要表现为单条贯通裂纹伴随多条分支裂纹的拉-剪复合破坏；45°及以上则转变为以节理层为主导的剪切破坏。裂纹起位置随倾角增加从节理层泥岩侧逐步转移至煤侧、节理层本身，最终至泥岩夹层。90°时出现倒"Y"形裂纹，兼具夹层剪切破坏与节理层拉伸破坏特征。
敏感性分析部分，研究人员还探讨了高度比、节理层强度和矸石夹层类型的影响规律。高度比研究表明，UCS随泥岩比例增加而增大，但总体变化趋势保持一致。值得注意的是，高度比0.2、倾角90°时UCS显著降低，原因在于泥岩夹层高径比过大导致其首先破坏引发整体失稳。裂纹类型方面，除60°外，随高度比增加拉伸破坏比例下降，这与泊松效应减弱有关。
节理层强度研究设置了0.5、1、2、5倍原始强度四组参数。结果表明，节理层强度增加可提升UCS和拉伸裂纹比例，高倾角下增幅更为显著，但过强节理层不会带来比例的强度增强。60°时原始节理层中剪切破坏占主导，增强后逐渐转变为以贯通裂纹为主、分支裂纹为辅的拉-剪复合模式。90°时节理层强度影响相对较弱，但仍大于0°至60°范围，这是因为泥岩层主导力学行为使其对节理强度变化相对不敏感，而岩性差异产生的侧向应变又会放大节理强度的作用。
矸石夹层类型研究比较了煤-低阶煤-煤（CCC）、煤-泥岩-煤（CMC）和煤-砂岩-煤（CSC）三种组合。UCS与矸石夹层强度呈正相关，但增幅远小于夹层本身强度增幅。从低阶煤到砂岩，夹层UCS增加约60 MPa，而CSC组合仅比CCC组合高约10 MPa。原因在于：一方面，拉伸破坏主导的破坏模式与岩石抗拉强度关联密切，而三种矸石抗拉强度提升有限；另一方面，当夹层强度低于两端煤层时，界面处形成局部压应力，随夹层强度增强逐渐转为拉应力，这种侧应力分布变化影响了裂纹萌生位置和破坏模式。
讨论部分，研究人员将hCDM结果与理论解析解进行了对比分析。针对界面约束力的比较显示，解析解与数值解存在明显差异，数值解普遍大于解析解预测值，这是因为CMC组合体中各岩层厚度显著大于页岩层理间距，软岩变形更大导致应力集中更强；随高度比增加，煤层高度减小，中央区域应变和应力集中程度降低，数值解与解析解差异减小，界面约束力减小反映泊松效应减弱，进而解释了拉伸破坏比例下降的现象。对于组合体杨氏模量，Voigt匀质化方法和Reuss层状介质方法给出了有效杨氏模量的估计范围，低倾角时层状介质方法精度更高，高倾角时匀质化方法更为准确。这些差异源于CMC组合体各岩层厚度较大产生的不可忽略泊松效应，以及倾角变化导致的复杂应力局部化现象，若在实际工程中忽视这些因素将增加安全风险。
研究结论：（1）夹层倾角显著影响CMC组合体力学性质，UCS在软煤组分强度附近波动，杨氏模量介于煤与泥岩之间并随倾角增大逐渐接近泥岩；破坏特征从拉-剪复合破坏经剪切主导破坏最终回归拉-剪复合破坏。（2）泊松效应与端部效应共同驱动主应力集中面偏转，CMC组合体中存在显著泊松效应，相邻岩层岩性差异产生反向侧向应力，促使裂纹起始位置内移并增加泥岩拉伸破坏可能性；泊松效应仅在煤进入塑性阶段后迅速增强，且随倾角增大而减弱。（3）高度比增加通常提高不同倾角下CMC组合体UCS，总体变化趋势保持一致；高度比0.2、倾角90°时UCS显著降低，归因于泥岩夹层高径比过大承担主要荷载。（4）增强节理层和矸石夹层强度可提升CMC组合体强度，但不超过组合体中最弱岩石的强度；增强节理层降低节理层内破坏可能性，改变矸石夹层则改变泊松效应诱导的侧应力方向。（5）界面约束力和组合体杨氏模量的解析解与数值解趋势总体一致，但配置变化导致的应力分布变化引起二者差异，偏差大小与高度比和倾角密切相关。
