天然相似与天然煤岩试件的力学-渗透性相似性比较研究

《Processes》：Mechanics-Permeability Similarities Between Natural-like and Natural Coal–Rock Specimens—A Comparative Study

　　

摘要译文：研究天然相似与天然含瓦斯煤岩试件之间的力学-渗透性相似性，为在实验室模拟煤岩瓦斯复合动力灾害孕育过程中使用天然相似试件替代天然试件提供理论基础。基于煤与岩单轴抗压强度比的相似性，制备了天然相似煤岩试件；通过单轴与三轴试验分析了其力学-渗透性响应。两类试件在单轴压缩下均发生脆性破坏，抗压强度介于煤与岩组分之间，但更接近煤。在加载轴向应力（LAS）条件下，两类试件的承载能力与围压（σ₃）成正比——失稳破坏时，轴向应变与径向应变均随σ₃增大而增大，而轴向应变与径向应变之比减小；在卸围压（UCS）条件下，两类试件均表现出抗压强度与峰值强度处轴向应变的降低，同时径向应变增大，反映出显著的扩容现象。总体而言，天然煤岩试件（NRCS）与天然相似煤岩试件（NLRCS）在单轴与三轴试验中表现出相似的力学-渗透性规律，表明天然相似试件可在实验室模拟中替代天然试件。

论文解读：煤岩瓦斯复合动力灾害是深部煤炭开采中面临的新型动力灾害，其特征是煤与瓦斯突出和冲击地压同时发生。该类灾害在力学本质上源于含瓦斯复合煤岩结构的力学-渗透性耦合失稳，因此对煤岩组合结构进行力学-渗透性测试是理解灾害孕育规律的关键。然而，由于煤岩结构本身具有特殊性，且煤岩界面存在，现场获取完整原状试样极为困难，制样过程中常沿界面破裂。以往实验室研究多采用人工胶结或叠置的煤岩试件，这忽视了界面的过渡效应，难以准确反映天然复合结构的物理演化过程。因此，寻找具有过渡界面的天然相似材料作为天然煤岩试件的替代品，成为物理实验中的关键问题。研究人员基于煤与岩强度比相似原则，以粉煤、河砂、水泥和蒸馏水作为煤组分原料，以河砂、水泥和蒸馏水作为岩组分原料，通过模拟成型制备了具有过渡界面的一体化天然相似煤岩试件，并与取自平顶山八矿J15-22080工作面的天然煤岩试件进行了力学-渗透性对比研究。该矿为煤与瓦斯突出矿井，历史上发生过40次突出事故，实验所用煤样的挥发分含量为22.1%，灰分含量为10.65%，普氏系数为0.252，初始瓦斯扩散速度为19 mmHg。研究采用了GCTS RTR-4600高温高压三轴伺服试验系统，进行了单轴压缩试验、加载轴向应力（LAS）路径和卸围压（UCS）路径下的三轴力学-渗透性耦合试验。试验中采用CO₂替代CH₄作为渗流气体，以保障实验室安全。渗透率计算基于达西定律，并忽略了滑脱效应和吸附效应的影响。研究得出的主要结果如下：在单轴压缩下，天然煤、天然岩和天然煤岩试件的平均单轴抗压强度分别为11.41 MPa、120.68 MPa和煤岩组合强度，强度顺序为岩>煤岩>煤，且煤岩强度更接近煤。天然相似煤岩试件的单轴抗压强度为1.72 MPa，轴向峰值应变为1.69%，与煤相似试件接近，验证了制备方法的合理性。在LAS路径下，两类试件的应力-应变-渗透率曲线均呈现四阶段演化特征：初始压密、弹性变形、塑性变形和峰后破坏。随着围压σ₃从4 MPa增至5 MPa和6 MPa，两类试件的抗压强度、轴向应变和径向应变均增大，而轴向应变与径向应变之比减小。弹性模量亦随σ₃增加而总体增大，表明围压增强了塑性。渗透率演化呈“先降后升”的U型趋势，在低围压（4、5 MPa）下最终相对渗透率大于初始值，而在高围压（6 MPa）下最终相对渗透率低于初始值，这是由于高围压增强了岩组分的强度，抑制了裂纹从煤组分向岩组分的扩展，岩组分内孔隙仍保持压实状态。在UCS路径下，两类试件的抗压强度和峰值轴向应变均较LAS路径下降低，而径向应变增大，表现出明显的扩容现象。卸围压增强了脆性，峰后相对渗透率较LAS路径下更高，表明试件破坏更剧烈、裂隙更发育。讨论与结论部分指出，天然相似煤岩试件在单轴、LAS和UCS路径下均表现出与天然煤岩试件相似的力学-渗透性响应规律，表明基于强度比相似原则、通过模拟成型制备的天然相似试件能够在实验室模拟中有效替代天然试件。但研究也指出，采用CO₂替代CH₄以及忽略Klinkenberg效应是研究的局限性。对于特定矿区复合动力灾害的模拟，仍应优先使用当地天然试件。该研究为煤岩瓦斯复合动力灾害的实验室物理模拟提供了新的试件制备方法和理论依据，相关成果发表于《Processes》期刊。