热-力耦合下断裂煤体变形机理及其与氧化的相关性

《Powder Technology》：Deformation mechanism of fractured coal structure under thermo-mechanical coupling and its correlation with oxidation

　　

• 破碎煤炭的变形源于宏观颗粒重排和微观孔隙结构演化。
• 应力诱导的孔隙重构增强了煤炭的氧化活性。
• 高温加剧了破碎作用和孔径集中化。
• 结构变形与碎化驱动的氧化之间存在定量关联。

**引言**

在采煤过程中，采空区内不可避免地会残留破碎的煤岩颗粒。这些颗粒形成了随机且不规则的颗粒多孔介质。随着采煤活动的持续，采空区内破碎残余煤在覆岩长期载荷作用下经历持续的压实变形。如图1所示，压实煤所承受的应力从靠近工作面的侧边逐渐增加，向采空区深处延伸，最终趋近于原始地应力水平。在此过程中，覆岩的运动可引发地表沉降并损害地面基础设施。同时，不断演化的孔隙和裂隙网络控制着采空区内的漏风和气体迁移[1], [2], [3]。此外，应力加载促进破碎煤的进一步变形和二次破碎，导致颗粒分布和孔隙结构发生变化。这些结构变化可重新分配采空区内的渗流场和温度场，进而影响煤自燃（CSC）的发生与发展[4], [5]。因此，在采空区动态演化的垮落和堆积环境中，研究应力加载下破碎煤的渗透性和变形机制，对于理解CSC机理和制定惰性气体防火策略具有重要的理论和工程意义。

压实和二次破碎是控制采空区破碎煤结构演化的基本力学过程。目前，关于破碎煤岩压缩变形的研究主要集中在宏观变形行为上，表明这些颗粒材料在加载过程中通常表现出明显的非线性压缩特征[6], [7]。Li等人[8]进行了压实-渗流实验以研究能量演化，揭示了不同粒度煤样在变形和破碎行为上的差异。Kong等人[9]对岩颗粒材料进行了压实实验，探讨其破碎极限和最终粒径分布，但未证实破碎极限与破碎指数之间的关系。Chu等人[10]报告称破碎岩体在持续加载过程中变形速率逐渐降低，表现出阶段性衰减模式。然而，传统变形理论主要根据宏观应变演化经验性地将变形阶段进行分类，因此阶段边界往往具有主观性，无法捕捉内部颗粒行为与整体结构响应之间的内在关系。针对这一局限，Yang等人[11]建立了一个理论模型来量化各种基本变形模式之间的动态竞争，为理解采空区堆积结构的动态重构提供了新的理论视角。

随着开采深度增加，地应力和地温通常同时升高，使残余煤暴露于应力-温度耦合环境中。同时，采空区内破碎且松散堆积的煤炭通过漏风持续获得氧气，在较宽的温度范围内可能发生氧化和蓄热。在这种热-力耦合条件下，颗粒变形和破碎伴随着能量耗散、摩擦生热以及气-固传热传质的变化。局部摩擦和新生裂隙表面可能改变煤表面的物理化学性质，增加其与氧气的接触[12], [13]。Xu等人[14]构建了花岗岩的热-力耦合损伤模型，分析了温度扰动引起的热损伤和高应力引起的机械损伤，确定了岩体在非线热-力耦合下整体损伤演化的参数。Jiang等人[15]此前研究了不同变质程度煤的变形规律，发现温度是低应变率下高变质煤变形行为的主要控制因素。Xu等人[16], [17]进一步证明不同的预氧化温度和应力条件可改变含氧官能团的含量和渗透率，从而影响CSC。Chao和Pan[18], [19]发现低温下应力增加可促进煤的氧化和升温，超过临界温度后抑制作用变得明显。Dong等人[20]模拟了高温高应力环境，表明高温会降低煤的强度和弹性模量，而高应力则促进裂隙扩展和塑性变形，导致煤的破坏模式逐渐从简单剪切破坏向复杂组合破坏转变。

破碎煤的氧化特性与颗粒损伤和孔隙结构演化密切相关。与完整煤相比，破碎煤通常具有更大的暴露表面积、更多新生活性位点和更短的氧气扩散路径，使其更容易被氧气吸附和发生低温氧化。在初始氧化阶段，氧气被吸附在煤表面的活性结构上，随后参与涉及脂肪族侧链和含氧官能团的反应，伴随耗氧、放热和气态产物的生成。随着温度升高，这些反应逐渐加剧，而活性结构的消耗和气态产物的释放可进一步改变孔隙的开放性和连通性。先前研究表明，应力加载促进颗粒破碎，暴露新鲜的反应表面，改变耗氧行为和表观活化能[19], [21], [22]。反之，氧化可削弱煤颗粒的力学稳定性，增加结构脆性，促进加载下的进一步破碎[23], [24]。因此，破碎煤的氧化行为不仅受温度和氧气浓度控制，还受应力诱导变形、粒径重分布和孔隙重构的影响。然而，在惰性和含氧气氛下，宏观压实、微观孔隙演化与氧化活性之间的关系仍缺乏充分理解。

热力变形还会改变破碎煤的孔隙结构和气体输送能力，从而调节堆积煤层内的氧气供给和迁移。Karacan[25]基于分形理论建立了采空区孔隙率与粒径分布之间的相关模型，表明颗粒破碎会改变采空区内的孔隙连通性。Shi等人[26]发现在相同温度和孔隙压力下，渗透率随体积应力的增加呈指数下降。Xue等人[27]开发了煤的耦合渗流-应力-损伤模型，揭示了损伤演化过程中力学退化和裂纹扩展对渗流特征的动态影响。此外，相关研究考虑了结构损伤参数，分析了渗流、漏风和气体迁移特征随压实过程的变化规律[28], [29], [30]。Feng和Meng等人[31], [32]考察了粒径和二次破碎对地表沉降的影响，同时考虑了内部流体迁移特征。一些研究进一步探讨了颗粒破碎模式、采空区充填和灌浆防火工艺参数的优化[33], [34], [35]。

然而，上述研究仍存在以下局限。第一，大多数现有研究仍停留在宏观孔隙率或渗透率变化的层面，缺乏在热-力耦合条件下对宏观变形和微观孔隙转变的统一分析。第二，当前关于氧化条件下破碎煤渗流能力演化的研究面临两大挑战。一方面，大多数研究直接在空气条件下进行实验，缺乏地下注惰气防火的对比体系。因此，物理压实效应和氧化诱导的结构变化同时发生，难以明确识别氧化对渗透结构演化的真实贡献。另一方面，大多数现有研究主要关注机械变形、渗透性或氧化参数的单独变化，而忽略了它们在颗粒、孔隙和堆积结构尺度之间的内在关系。结构变形与氧化活性之间的相关性尚未得到系统性建立。

为解决现有研究的局限，本文基于采空区残余煤的垮落特征，提出了热-力耦合条件下破碎煤的宏观-微观变形框架。首先，利用自行研制的压实破碎煤渗透率仪，系统地在N?和干空气气氛下开展热力渗流实验。N?气氛用于建立以热-力效应为主导的惰性参照，从而最大程度减少煤-氧化学反应的干扰。干空气气氛用于揭示机械变形与氧化相关结构变化的共同影响。随后，应用分形理论表征应力加载下煤的基本变形机制。最后，采用BET孔隙结构分析表征氧化条件下破碎煤的孔径分布，并建立孔隙结构参数与煤氧化之间的相关性。本研究可为深井采空区CSC的防控以及注浆充填参数的优化提供理论基础。

**煤炭样品选择与制备**

本研究所用煤样采自河北省石家庄市井陉煤矿。新鲜煤样从工作面手动提取后立即密封，并快速运至实验室。如图2所示，分析了本研究所需的最佳粒径。一方面，从测试设备的机械兼容性和尺度相似准则的角度考虑，密封的

**应力-应变差异**

如图5a所示，三个温度下的应变变化曲线均表现出非线性和分段变化特征。以40°C干空气气氛为例，当轴向应力为0~6 MPa时为阶段I，在此期间应变快速上升46.99%，增长率最高，表明为快速压实阶段。当轴向应力为6~12 MPa时，变形进入阶段II，应变增加17.59%，增长率明显低于阶段

**讨论**

前述结果主要从颗粒破碎、空隙填充和热效应的角度描述了宏观变形和渗透率演化。然而，应力-温度耦合条件下控制孔隙结构损伤演化的内在机制尚未得到定量揭示，微观孔隙尺度的支撑证据仍然不足。以下部分基于孔隙尺寸演化分析煤的变形行为

**结论**

本研究调查了热-力耦合条件下破碎煤的宏观变形、渗透率演化、颗粒破碎和微观孔隙特征，总结了热-力耦合下煤的孔隙变形机制，建立了结构参数与煤氧化参数之间的相关性，为煤自燃防治提供了有价值的见解。主要结论如下

**CRediT作者贡献声明**

吴春熙：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，方法学，形式分析，数据管理。楚天祥：撰写——审阅与编辑，方法学，经费获取。祁旭尧：撰写——审阅与编辑，监督，经费获取。蒋博宁：调查，形式分析。

**利益冲突声明**

作者声明，不存在可能影响本文报告工作的已知的竞争性财务利益或个人关系。

**致谢**

本工作得到国家自然科学基金（编号：52574297、52274199和52174219）、科技部基础研究资源调查专项（编号：2025FY101705）、江苏省自然科学基金（编号：BK20240104）和中央高校基本科研业务费（编号：2023ZDPYRH01）的资助。

吴春熙 | 楚天祥 | 祁旭尧 | 蒋博宁