裂隙 - 基体系统协同压缩对构造煤渗透率及裂隙孔隙度的影响

《Powder Technology》：Effects of synergistic compression of fracture-matrix system on permeability and fracture porosity of tectonic coal

　　构建构造煤裂隙-基质协同压缩模型。建立椭圆板状裂隙共存模型。揭示应力诱导裂隙孔隙度和渗透率的演化规律。量化裂隙、煤体和基质在应力作用下的变形。识别渗透率和裂隙孔隙度变化的三个应力诱导阶段。## 引言煤与瓦斯突出是威胁煤矿生产安全的重大灾害，主要发生在构造煤煤层中[1]、[2]。构造煤是在长时间强烈构造应力作用下，原生煤破碎、揉搓形成的低强度、弱胶结、极度破碎的煤体[3]、[4]、[5]。其内部含有大量不同粒径的煤颗粒，构成极其复杂的裂隙-煤基质系统[6]、[7]、[8]。这种独特的结构使构造煤对原地应力表现出复杂的响应，直接影响其渗透率和裂隙孔隙度的演化[9]。近期，研究人员已认识到精确量化构造煤渗透率和裂隙孔隙度对原地应力响应的重要性[10]、[11]。Tu等指出，裂隙变形限制了瓦斯渗流能力，从而控制瓦斯膨胀能的积聚与释放[12]。Wang等进一步揭示，裂隙和基质变形决定了煤变形能的储存与转化[13]。同时，Guo等强调，这些力学响应贯穿整个突出过程，是此类灾害的关键诱因[14]。尽管瓦斯抽采等防治措施已广泛应用，但突出事故并未得到根本遏制[15]、[16]、[17]。随着开采深度和强度持续增加，突出风险不断攀升，对煤矿安全构成日益严峻的威胁[18]、[19]。这主要是因为对构造煤裂隙-基质系统协同压缩机制的认识仍然有限[20]、[21]。构造煤的孔隙尺度跨越纳米级至分米级[22]、[23]。这些多尺度孔隙对甲烷渗流、扩散和吸附具有不同的控制作用[24]。裂隙（>100 nm）主要控制瓦斯渗流[25]。大部分游离甲烷存在于这些裂隙中，在压差驱动下遵循达西定律流动[26]。相反，少部分游离甲烷存在于扩散孔（2–100 nm）中，其传输受浓度梯度驱动，遵循菲克定律[27]。吸附甲烷主要通过微孔填充机制占据吸附孔（0.38–1.5 nm）[28]。为表征甲烷赋存与运移，通常将煤简化为双孔隙介质（裂隙-煤基质）模型[29]、[30]。Cheng等对基质系统进行了细化，进一步识别了充填孔与扩散孔之间的结构连通性[31]。为直观展示该框架，提出了火柴棒模型和立方体模型等几何构型，将裂隙和基质简化为平行板和规则立方体[32]。理论推导表明，裂隙孔隙度的变化与渗透率变化的幂次成正比，其指数（裂隙敏感性）恰好为3[33]。此外，引入了渗透率应力敏感性概念，用于量化渗透率随应力增加的指数衰减[34]。Meng等在无烟煤上开展实验室试验，研究了煤层气开采早期阶段的应力敏感特性[35]。Zhang等分析了不同深度煤样，发现应力敏感性随孔隙度升高而增大，但随煤密度升高而降低[36]。此外，应力直接约束裂隙、煤体和基质的变形。通过定义裂隙、煤体和基质压缩率，可以量化应力对渗透率的影响。Guo等通过压汞法测定煤颗粒的基质压缩率，Wang等通过静水应力循环加载-卸载试验获得煤体压缩率[37]、[38]。尽管已有大量研究聚焦于裂隙和基质的力学响应行为，但仍有若干关键问题亟待解决。首先，现有研究主要针对原生煤，忽略了构造煤的显著特征。构造煤的裂隙-基质系统具有高度非均质性，而非理想化的均匀平行网络[39]。其不仅发生尺度迁移，还伴随空间构型的改变[40]。破碎压实后，构造煤中的基质尺度缩小至毫米或微米级，形成复杂、不规则的多面体构型[41]、[42]。这种演化使裂隙-基质系统远比传统模型中假定的理想平行板和规则立方体更为复杂[43]。大量实验表明，裂隙敏感性并不普遍等于3。例如，Li等报道准噶尔盆地和吐哈盆地煤样的裂隙敏感性介于2.57至14.11之间；Zhang等测得平顶山矿区煤样的值在1.89至9.09之间；Meng等发现寺河矿煤样的值从7.9下降至1.15[35]、[44]、[45]。其次，假设裂隙敏感性恒为3会导致对渗透率应力敏感性和裂隙-煤体-基质压缩率的评估产生偏差，因此无法客观反映构造煤裂隙孔隙度和渗透率对应力的响应。此外，基质压缩率研究通常采用煤颗粒，其结果能否等效代表煤体仍存在争议[46]、[47]。最后，缺乏将裂隙-煤体-基质作为系统、以应力为主线来研究构造煤裂隙孔隙度和渗透率应力响应的一体化研究框架。上述局限性凸显了建立一种能够考虑构造煤非均质裂隙系统和裂隙-基质系统协同压缩的模型的必要性。针对这些问题，本研究构建了构造煤裂隙-基质协同压缩模型。基于椭圆板状裂隙共存模型，量化应力诱导裂隙孔隙度和渗透率的演化。同时，捕捉裂隙、煤体和基质的变形特征。对两根构造煤柱在5–100 MPa静水应力下进行试验，测量其体积、渗透率、裂隙孔隙度和总孔隙体积。将这些数据与低压物理吸附结果结合，用于验证模型及其推导的响应特性。本研究为深入理解构造煤特性和防治煤与瓦斯突出提供了理论支持。## 章节摘要### 裂隙-应力-渗透率关系煤是典型的双孔隙介质，其渗透率主要由裂隙系统决定，且对应力变化高度敏感。学者们发现，煤的裂隙孔隙度和渗透率遵循幂律关系：$$\frac{K}{K_0} = \left(\frac{\varphi}{\varphi_0}\right)^{\theta}$$其中，K和K?分别表示施加应力后的渗透率和初始渗透率；Φ和Φ?分别表示施加应力后的裂隙孔隙度和初始裂隙孔隙度；θ表示裂隙敏感性。该系数用于量化……### 煤样制备构造煤样采集自河南平顶山八矿（PM）。本研究直接在钻井过程中从断层附近钻孔采集钻屑，作为构造煤实验样品。这种采样方法有效避免了传统工艺中人工筛选引起的代表性偏差。由于原始样品为粒状，选取粒径小于0.5 mm的煤颗粒，用于制备重组……### 构造煤体积、渗透率和总孔隙体积的应力诱导演化构造煤的体积变形特征见图7。结果表明，煤体积随应力增加呈非线性减小，遵循幂律关系：PM-1的指数约为0.5，PM-3的指数约为0.3。体积变形在20 MPa处表现出阈值特征。低于该应力时，变形速率较快，PM-1和PM-3的体积分别减小4.5%和6.9%。相反，高于20 MPa时，……### 结论煤与瓦斯突出常发生于构造煤煤层。构造煤裂隙-基质系统对原地应力的响应机制极其复杂，直接影响渗透率和裂隙孔隙度的演化。深入研究该响应机制对于从源头消除煤矿地质灾害风险具有重要意义。针对这一问题，本研究系统构建了构造煤裂隙-基质协同压缩模型……### CRediT作者贡献声明**Cheng Ming：** 文稿撰写——审阅与编辑，文稿撰写——初稿撰写，可视化，验证，软件，方法学，调查，形式化分析，数据整理，概念构思。**Cheng Yuanping：** 文稿撰写——审阅与编辑，资源获取，项目管理，经费获取，概念构思。**Wang Liang：** 文稿撰写——审阅与编辑，指导，项目管理，概念构思。**Zhang Kaizhong：** 文稿撰写——审阅与编辑，软件，形式化分析，数据整理。**Wang Chenghao：**### 利益冲突声明作者声明不存在任何可能影响本文所述工作的已知竞争性财务利益或个人关系。### 致谢作者衷心感谢中国国家自然科学基金（项目编号52374240）、中央高校基本科研业务费（项目编号2025-00032）以及江苏省研究生科研与实践创新计划（项目编号KYCX_252865）的资助支持。Cheng Ming|Cheng Yuanping|Wang Liang|Zhang Kaizhong|Wang Chenghao|Yin Jilin