摘要

采礦引起的應(yīng)力重新分布顯著改變煤的孔隙破裂結(jié)構(gòu)（PFS），從而直接影響瓦斯抽采效率。然而，應(yīng)力約束下 PFS 的演化及其與機(jī)械損傷的相關(guān)性尚不完全清楚。因此，本研究利用原位核磁共振成像分析儀在不同圍壓（4-12 MPa）下進(jìn)行三軸壓縮實(shí)驗(yàn)，以監(jiān)測PFS的時空演化。采用分形理論表征孔隙復(fù)雜性和迂曲度，建立損傷變量與孔隙參數(shù)之間的定量關(guān)系。

結(jié)果表明，PFS依次經(jīng)歷壓縮、擴(kuò)張和嚴(yán)重破壞，對應(yīng)T2譜面積的動態(tài)變化。隨著圍壓增加，孔隙壓縮系數(shù)降低，破壞模式從拉剪主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟兄鲗?dǎo)?？紫抖群蜐B孔比例（PSP）均先減小后增大，而滲孔幾何分維數(shù)（Dgs）和迂曲度分維數(shù)（DT）則表現(xiàn)出相反的趨勢。損傷變量的演化與孔隙參數(shù)的演化相協(xié)調(diào)，三次函數(shù)準(zhǔn)確地表征了它們的關(guān)系。在高圍壓（>6 MPa）下，孔隙度和PSP在完全破壞前呈現(xiàn)二次下降，而Dgs則呈現(xiàn)反彈后進(jìn)一步下降的趨勢。受損煤中微裂縫和滲流孔隙的重新壓實(shí)是這些孔隙參數(shù)二次降低或反彈的主要原因。

這些研究結(jié)果闡明了受損煤中的應(yīng)力-孔隙耦合機(jī)制，為優(yōu)化瓦斯抽采策略提供了理論依據(jù)。

研究背景

煤中的孔裂隙結(jié)構(gòu)是影響瓦斯擴(kuò)散和滲流行為的關(guān)鍵，顯著影響井下瓦斯抽采時間。應(yīng)力變化會影響煤中的孔裂隙結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致瓦斯的賦存狀態(tài)和運(yùn)移行為發(fā)生變化。因此，有必要研究變應(yīng)力作用下煤中孔裂隙的演化規(guī)律并進(jìn)行量化表征，這對于實(shí)現(xiàn)煤礦瓦斯高效抽采至關(guān)重要。

鑒于煤層內(nèi)部孔裂隙結(jié)構(gòu)對災(zāi)害預(yù)防和資源開采的重要性，已有大量研究致力于煤中孔隙演化和裂縫擴(kuò)展的精準(zhǔn)表征。經(jīng)典的測試方法，包括壓汞法、氣體吸附法、CT和SEM等，對于研究煤巖孔隙結(jié)構(gòu)提供了寶貴見解。然而，這些方法不能有效考慮外部應(yīng)力對孔隙和裂隙的影響。為此，集成三軸壓縮單元的CT成像系統(tǒng)被開發(fā)并用于在線測試孔裂隙發(fā)育過程。基于數(shù)字圖像重構(gòu)三維模型后，結(jié)合數(shù)值模擬和理論分析來實(shí)現(xiàn)孔裂隙結(jié)構(gòu)的量化表征。原位CT掃描技術(shù)對研究應(yīng)力約束下的孔裂縫演化提供重要支撐，但受限于分辨率，其無法有效表征煤中更小的微納米孔隙。低場核磁共振技術(shù)（LF-NMR）具有較大的孔隙測試范圍，可實(shí)現(xiàn)煤中微納米孔隙的量化表征。因此，將LF-NMR與三軸加載技術(shù)相結(jié)合的研究思路被提出。借助T2譜可研究煤體內(nèi)部孔隙率、孔徑分布和孔隙分形維數(shù)隨應(yīng)力的變化過程。此外，核磁共振成像（NMRI）可用于在線觀測孔裂隙的空間分布特征和裂縫起裂、擴(kuò)展過程。已有研究為理解應(yīng)力約束下煤中多尺度孔隙演化及量化評估提供了重要的支撐。然而，已有研究仍未充分揭示孔隙演化的圍壓效應(yīng)，且煤體損傷與多元孔隙參數(shù)間內(nèi)在關(guān)聯(lián)仍不清楚。

為解決上述問題，采用一種集成三軸加載裝置的低場核磁共振成像分析儀開展了不同圍壓（4-12 MPa）下的三軸壓縮試驗(yàn)，實(shí)時監(jiān)測了煤樣的T2譜和核磁共振成像NMRI。首先，基于T2譜分析了孔隙率和孔隙占比的變化并計(jì)算了孔隙的可壓縮性系數(shù)，借助NMRI獲取了煤樣漸進(jìn)破壞的孔隙空間分布特征。其次，基于分形理論計(jì)算了孔隙的幾何分形維數(shù)Dgs和迂曲度分形維數(shù)DT，重點(diǎn)關(guān)注孔隙復(fù)雜程度和迂曲度。最后，采用基于Weibull分布的損傷本構(gòu)模型計(jì)算了損傷變量，建立了損傷變量與多元孔隙參數(shù)間的關(guān)系。此外，還探討了圍壓對孔裂隙演化的影響機(jī)理。研究結(jié)論對闡明“應(yīng)力-孔隙”間的關(guān)系提供了支撐，有助于實(shí)現(xiàn)煤礦瓦斯高效抽采。

實(shí)驗(yàn)信息

01 實(shí)驗(yàn)樣品

煤樣來自中國陜西神木紅巖煤礦，樣品基本參數(shù)見表1。煤樣種類為煙煤，鏡質(zhì)組反射率為0.58%。煤樣的水分、灰分和揮發(fā)分分別為9.63%、9.12%和27.32%。煤樣的鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組和殼質(zhì)組分別為18.02%、76.23%和1.13%。在現(xiàn)場獲取大塊煤樣后用保鮮膜包裹，然后運(yùn)送至實(shí)驗(yàn)室中切割成為直徑25 mm，高度50 mm的圓柱體。將圓柱體兩面打磨平整，確保端面的不平行度小于0.02 mm。

02 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

采用配備三軸加載單元的 NMRI 分析儀（蘇州紐邁分析儀器股份有限公司：MacroMR12-150H，圖 1a）來獲取三軸壓縮過程中的 PFS 信息。該系統(tǒng)能夠在不同應(yīng)力條件下測量 T₂ 譜和 NMR 圖像。最大軸向應(yīng)力、圍壓和注入壓力分別為120 MPa、40 MPa和25 MPa。氟化液體用于限制壓力負(fù)載和系統(tǒng)冷卻，以避免額外氫信號的干擾。磁場強(qiáng)度和共振頻率分別為 0.3 ± 0.05 T 和 12 MHz。圖1b和圖1c示出了樣品架的主要結(jié)構(gòu)，該樣品架主要由鈦合金和陶瓷材料組成，以盡量減少順磁成分的影響。CPMG序列和HSE序列分別用于獲得孔隙的孔徑分布和空間分布（核磁共振圖像）。

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)前，使用標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行參數(shù)校準(zhǔn)，以確保高信噪比（SNR）并提高測量精度。主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2所示。隨后，測量了標(biāo)準(zhǔn)樣品的 T₂ 譜，建立了孔隙率與 T₂ 信號強(qiáng)度之間的關(guān)系（圖2）。結(jié)果表明孔隙率和信號幅度之間存在明顯的線性關(guān)系，從而證實(shí)了測量的準(zhǔn)確性。

圖2 孔隙率與信號強(qiáng)度的關(guān)系

03 實(shí)驗(yàn)方案

在測試之前將樣品用水真空飽和24小時以達(dá)到完全飽和。隨后，將煤樣放置在三軸巖心支架內(nèi)（圖 1d）。設(shè)計(jì)了 5 個圍壓（σc）級別，即 4、6、8、10 和 12 MPa，分別記為 HY1~HY5?？紤]到垂直應(yīng)力梯度為 0.027 MPa/m，側(cè)壓力系數(shù)為0.75，該范圍對應(yīng)的埋深約為 200-600 m。

實(shí)驗(yàn)步驟如下：①將飽和樣品放置在三軸樣品架上并安裝在核磁共振裝置中。以2 MPa/min的加載速率同時施加軸壓和圍壓，直至達(dá)到靜水壓力狀態(tài)。 ② 此后，以2MPa的壓力將水連續(xù)注入樣品中。水完全滲透樣品后，獲取初始 T₂ 譜和 NMR 圖像。 ③保持圍壓恒定，同時以2 MPa/min的加載速率逐步增加軸壓2 MPa，直至試樣破壞。 ④ 失效后更換樣品，其余試驗(yàn)重復(fù)上述步驟。

在實(shí)驗(yàn)過程中，每間隔一步測試一次T₂譜，每間隔兩步測試一次NMRI。由于設(shè)備無法實(shí)現(xiàn)位移控制加載，為避免樣品穿透熱縮管，在樣品失效后人為控制應(yīng)力穩(wěn)定后再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

01 力學(xué)特征

不同圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)如圖3所示。由于樣品是逐步加載的，因此提取最初達(dá)到每個目標(biāo)應(yīng)力時記錄的數(shù)據(jù)點(diǎn)來構(gòu)建曲線。隨著偏應(yīng)力的增大，煤依次經(jīng)歷線彈性階段、屈服階段和峰后階段（見圖3a）。煤中的PFS在初始加載到靜水應(yīng)力狀態(tài)期間被壓實(shí)，從而導(dǎo)致不明顯的壓實(shí)階段。

隨著圍壓的增加，峰值偏應(yīng)力和峰值應(yīng)變都增加。此外，峰值偏應(yīng)力從29.74 MPa增加到46.67 MPa，增加了56.92%。同時，峰值應(yīng)變從約1.80%增加到2.81%，相當(dāng)于增加了56.11%。峰值強(qiáng)度和峰值應(yīng)變均與圍壓表現(xiàn)出很強(qiáng)的線性相關(guān)性，R2分別為0.991和0.905（圖3b）。HY3的峰值應(yīng)變略高于HY4；這是由于HY3的峰值強(qiáng)度與特定采樣點(diǎn)重合，導(dǎo)致測試時捕獲到的應(yīng)變增量較大。

圖3 不同圍壓下煤樣的力學(xué)特性：(a)應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(b)峰值偏應(yīng)力、峰值應(yīng)變和圍壓之間的線性關(guān)系

02 T₂譜

圖4顯示了煤樣在特定偏應(yīng)力水平下的T₂譜。將T₂轉(zhuǎn)換為孔徑后：根據(jù)孔隙分類方法可以識別出不同孔隙類型對應(yīng)的信號幅值。所有煤樣的T₂譜均表現(xiàn)出明顯的三峰分布，可分為三個峰，從左到右分別表示為P1、P2和P3。P1對應(yīng)孔徑在1~50 nm范圍內(nèi)，代表微孔和中孔。 P1 顯示主峰強(qiáng)度和光譜面積，這表明微孔和介孔構(gòu)成了孔隙系統(tǒng)的大部分。 P2對應(yīng)于50-3000 nm的孔徑，代表大孔隙，而P3的跨度為3000-100000 nm，與微裂縫、宏觀裂縫和空隙空間中的水信號相關(guān)。反映孔徑超過 10000 nm 的T₂信號被排除在后續(xù)分析之外，以減輕自由水信號的干擾并解釋樣本失效后的宏觀裂縫。

在加載過程中，PFS 經(jīng)歷壓實(shí)、擴(kuò)張和斷裂發(fā)展。在線彈性階段，PFS主要被壓實(shí)，這導(dǎo)致P1和P2的峰值強(qiáng)度和光譜面積逐漸減小。P2 的減少量始終大于P1，表明大孔更容易壓實(shí)。進(jìn)入屈服階段后，孔隙從壓實(shí)過渡到擴(kuò)張，導(dǎo)致峰值強(qiáng)度和T2光譜面積增加。在峰后階段，微裂縫迅速合并成宏觀裂縫，導(dǎo)致光譜區(qū)域急劇增加。 HY1 和 HY2 的 P1 變化較小，而 HY3-HY5 則觀察到更明顯的增加。 HY1-HY5 的 P2 峰強(qiáng)度峰后增加分別為 21.44%、11.49%、15.09%、26.89% 和 18.48%?？傮w而言，與 P1 相比，P2 在失效后的光譜面積和峰值強(qiáng)度方面都表現(xiàn)出更顯著的變化。

圖4 煤樣在特定偏應(yīng)力下的T₂譜：(a) HY1, σ_c = 4 MPa; (b) HY2, σ_c = 6 MPa; (c) HY3, σ_c = 8 MPa; (d) HY4, σ_c = 10 MPa; (e) HY5, σ_c = 12 MPa

03 核磁共振圖像

PFS的空間分布可以通過NMRI可視化。特定偏應(yīng)力水平下的核磁共振圖像如圖5所示。紅色區(qū)域表示較高的水信號強(qiáng)度，而藍(lán)色區(qū)域?qū)?yīng)于較低的信號強(qiáng)度。每個核磁共振圖像下方所示的值表示所施加的偏應(yīng)力。

PFS 在線彈性階段被壓縮，這導(dǎo)致高信號區(qū)域范圍的減少。例如，圖5b-16 MPa 和圖5e–28 MPa 分別對應(yīng)于峰值強(qiáng)度的 46.70% 和 59.98%。隨著偏應(yīng)力的增大，孔隙逐漸擴(kuò)張，并伴隨著微裂縫的萌生，最終破壞后合并成宏觀裂縫（圖5a-28 MPa、圖5b-34 MPa、圖5e-38 MPa）。HY4在中上部區(qū)域表現(xiàn)出局部剪切斷裂，但沒有形成貫穿的斷裂。對于HY1-HY3，樣品破壞后出現(xiàn)平行于軸向載荷方向的高信號區(qū)域（圖5a-c），從而表明拉伸破壞有助于宏觀斷裂的形成。相比之下，HY4 和 HY5 中不存在這一特征，因此，表明隨著圍壓的增加，從拉剪復(fù)合破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟兄鲗?dǎo)破壞。

圖5 不同圍壓下特定偏應(yīng)力煤樣的NMR圖像：(a) HY1, σ_c = 4 MPa; (b) HY2, σ_c = 6 MPa; (c) HY3, σ_c = 8 MPa; (d) HY4, σ_c = 10 MPa; (e) HY5, σ_c = 12 MPa.

討論

圍壓對孔隙結(jié)構(gòu)的影響

根據(jù)圖2所示關(guān)系，將T₂譜幅值轉(zhuǎn)換為孔隙度，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。目前基于T₂譜的滲透率模型主要有TC模型和SDR模型。根據(jù)這些理論模型，滲透率與孔隙度和連通孔隙比例呈正相關(guān)。因此，孔隙度的演化在一定程度上可以用來評價煤的滲透性。在線彈性階段，孔隙仍處于壓實(shí)狀態(tài)，從而導(dǎo)致孔隙率逐漸降低。在屈服階段和峰后階段，孔隙開始擴(kuò)張，導(dǎo)致孔隙率增加。

所有樣品的孔隙率在峰值后階段顯著增加，并在峰值應(yīng)力附近達(dá)到最小值（黑色橢圓）。值得注意的是，對于 HY3-HY5，在屈服階段觀察到孔隙率略有回升，然后進(jìn)一步下降。例如，HY3 的孔隙率在應(yīng)變?yōu)?.94%時幾乎保持恒定。這種行為主要與高圍壓下大孔隙和微裂縫的重新壓實(shí)有關(guān)。

圖6 不同圍壓下孔隙度隨應(yīng)變的演化：(a) HY1, σ_c = 4 MPa; (b) HY2, σ_c = 6 MPa; (c) HY3, σ_c = 8 MPa; (d) HY4, σ_c = 10 MPa; (e) HY5, σ_c = 12 MPa.

基于IUPAC分類，將直徑小于50 nm的孔隙定義為吸附孔。吸附孔與滲流孔譜面積的占比計(jì)算結(jié)果如圖7所示。最初，吸附孔（PAP）比例逐漸增加，而滲流孔比例逐漸減少。這表明大孔隙和微裂縫逐漸被壓實(shí)，從而降低了水信號強(qiáng)度。當(dāng)偏應(yīng)力超過一定閾值時，滲流孔（PSP）比例開始上升。破壞后產(chǎn)生大量新的孔隙和裂縫，導(dǎo)致PSP顯著增加。與 HY1 和 HY2 相比，HY3-HY5 的 PSP 在失效前表現(xiàn)出 PSP 二次下降（黑色橢圓），分別下降了 0.18%、0.36% 和 0.39%。這種現(xiàn)象發(fā)生在屈服階段，此時承載能力下降，孔隙在高圍壓下發(fā)生二次壓實(shí)。此外，較高的圍壓會導(dǎo)致滲流孔隙的壓實(shí)作用更強(qiáng)，從而導(dǎo)致 PSP 的降低幅度更大。這種現(xiàn)象與圖6所示的孔隙度演化一致，從而證實(shí)高圍壓抑制了孔隙擴(kuò)張和裂縫萌生。

圖7 吸附孔/滲流孔占比隨應(yīng)變的演化：(a) HY1, σ_c = 4 MPa; (b) HY2, σ_c = 6 MPa; (c) HY3, σ_c = 8 MPa; (d) HY4, σ_c = 10 MPa; (e) HY5,σ_c = 12 MPa.

孔隙分形特征

采用幾何分形維數(shù)D_gs和迂曲度分形維數(shù)D_T來表征煤體孔隙的復(fù)雜程度和迂曲特征。圖8展示了不同圍壓下D_gs隨應(yīng)變的演化過程。D_gs最初增加，隨后減少，然后在完全失效后急劇減少。D_gs的轉(zhuǎn)折點(diǎn)與屈服階段的開始大致一致，表明它可以作為孔隙擴(kuò)張的指標(biāo)。滲流孔隙的復(fù)雜性先增加后減小。這一現(xiàn)象表明孔隙擴(kuò)張和裂縫擴(kuò)展可以降低 PFS 的復(fù)雜性。此外，具有較高圍壓的樣品在完全失效之前表現(xiàn)出D_gs的二次回彈，特別是對于HY3-HY5。HY3-HY5的D_gs增幅分別為0.006、0.0013和0.011，表明較高的圍壓促進(jìn)了Dgs的反彈。高圍壓下受損煤內(nèi)大孔隙和微裂縫的重新壓實(shí)增加了孔隙的復(fù)雜性。Zhou等在7 MPa圍壓下也報道了類似的現(xiàn)象。因此，屈服階段D_gs的演化主要受圍壓控制。

圖8 不同圍壓下Dgs隨應(yīng)變的演化：(a) HY1, σ_c = 4 MPa; (b) HY2, σ_c = 6 MPa; (c) HY3, σ_c = 8 MPa; (d) HY4, σ_c = 10 MPa; (e) HY5, σ_c = 12 MPa.

圖9展示了不同圍壓下D_T隨應(yīng)變的演化過程。對于所有樣品，D_T都呈現(xiàn)出最初逐漸增加，然后在樣品完全失效后急劇下降的趨勢。根據(jù)迂曲度的定義，D_T越大，表明流體流動路徑越復(fù)雜，從而降低傳輸效率。

最初，粗糙的孔隙（或裂縫）壁在壓實(shí)作用下受到擠壓和摩擦，導(dǎo)致流動阻力增加。宏觀裂縫形成后，流動路徑變得擴(kuò)大且不那么曲折，從而導(dǎo)致D_T顯著下降。失敗后，HY1-HY5 D_T 相對減少分別為 2.77%、1.53%、1.43%、2.06% 和 1.35%。隨著圍壓的增加，D_T的相對變化減小，這表明圍壓有效抑制了曲折度的降低；值得注意的是，這一結(jié)果與之前的研究結(jié)果一致。

這些研究表明，在恒定水壓下，增加圍壓會顯著增加D_T，而在恒定圍壓下增加水壓會產(chǎn)生相反的效果。盡管沒有考慮煤層破壞，但觀察到的較高水壓引起的彎曲度降低支持了破壞降低彎曲度的結(jié)論。此外，D_T與D_gs不同，在高圍壓條件下并未出現(xiàn)“回彈”現(xiàn)象。在屈服階段，不同煤樣間的D_T變化大致可分為兩類：開始減?。‵ig. 9a和b）和持續(xù)增大（Fig. 9c-e）。對于HY1和HY2，在屈服階段孔隙擴(kuò)張和微裂隙發(fā)育導(dǎo)致煤樣內(nèi)部孔裂隙的迂曲度減??；對于HY3~5，滲流孔和微裂隙被壓實(shí)導(dǎo)致迂曲度分形仍保持增大，這與Dgs的回彈相對應(yīng)。

圖9 不同圍壓下D_T隨應(yīng)變的演化：(a) HY1, σ_c = 4 MPa; (b) HY2, σ_c = 6 MPa; (c) HY3, σ_c = 8 MPa; (d) HY4, σ_c = 10 MPa; (e) HY5, σ_c = 12 MPa.

煤體損傷對孔裂隙演化的影響

圖10展示了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論曲線之間的比較，相應(yīng)的模型參數(shù)如表3所示。理論模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非常吻合，HY1-HY5的R2分別為0.987、0.996、0.989、0.998和0.990。損傷變量的演化遵循明顯的三階段模式（如圖10a所示）。在第一階段，損傷變量保持接近于零，這表明煤樣內(nèi)沒有發(fā)生明顯的損傷。在第二階段，損傷變量開始逐漸增加，并在峰值應(yīng)變時達(dá)到0.2-0.3。最后，在第三階段，傷害變量急劇增加并穩(wěn)定在1附近。

圖10 不同圍壓下煤樣實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論曲線對比：(a) HY1, σ_c = 4 MPa; (b) HY2, σ_c = 6 MPa; (c) HY3, σ_c = 8 MPa; (d) HY4, σ_c = 10 MPa; (e) HY5, σ_c = 12 MPa.

圖11說明了損傷變量、孔隙率和PSP的演化?？紫堵屎?PSP 均表現(xiàn)出先下降后上升的趨勢。然而，PSP 在峰值強(qiáng)度之前表現(xiàn)出明顯的增長趨勢，其轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)在峰值強(qiáng)度之前（黑色橢圓）。此外，孔隙度波動較大，不適合評估煤體損傷。因此，PSP 可以作為表征煤損傷的更穩(wěn)健的參數(shù)。 PSP 的變化與損傷演化的三個階段一致。在第一階段，煤內(nèi)沒有發(fā)生明顯的損壞，并且 PFS 保持在壓縮狀態(tài)。在第二階段，煤體損傷引起孔隙擴(kuò)張和微裂縫發(fā)育，導(dǎo)致PSP逐漸增加。在第三階段，損傷急劇增加，導(dǎo)致微裂紋成核和宏觀裂紋的形成，從而導(dǎo)致PSP顯著增加。

圖11 不同圍壓下?lián)p傷變量、孔隙度和滲流孔隙比例的演化：(a) HY1, σ_c = 4 MPa; (b) HY2, σ_c = 6 MPa; (c) HY3, σ_c = 8 MPa; (d) HY4, σ_c = 10 MPa; (e) HY5, σ_c = 12 MPa.

圖12顯示了損傷變量D_T和D_gs的演化。隨著應(yīng)變的增加，D_T和D_gs均呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。 D_T的變化更加明顯，并且兩個參數(shù)在第二階段開始同步下降。第三階段，D_T和D_gs均顯著下降，表明煤體損傷顯著降低了滲流孔隙和微裂縫的復(fù)雜性和曲折度。而且，煤體破壞不僅產(chǎn)生大量新的孔隙和裂隙，而且還伴隨著應(yīng)力釋放，降低了孔隙的壓實(shí)程度。因此，流體遷移路徑的曲折度降低。隨著圍壓的增加，D_T和D_gs的演化模式發(fā)生變化，主要發(fā)生在階段II和階段III。在第二階段，在樣品失敗之前，HY3-HY5 中的Dgs出現(xiàn)反彈（黑色虛線框）。在此期間，損壞變量保持在0.15以下，從而表明尚未發(fā)生災(zāi)難性結(jié)構(gòu)故障。在高圍壓下，滲流孔隙和微裂縫容易被壓實(shí)，需要較高的軸向應(yīng)力才能形成宏觀裂縫。滲流孔隙和微裂縫的高應(yīng)力敏感性是D_gs回彈的主要原因。

值得注意的是，D_T在第二階段并未表現(xiàn)出反彈。對于HY1和HY2，D_T由增加趨勢轉(zhuǎn)變?yōu)闇p少趨勢，而HY3-HY5則繼續(xù)呈現(xiàn)增加趨勢。盡管在樣本失效之前D_T持續(xù)增加，但其相對增長率逐漸衰減。例如，HY5破裂前的D_T值為1.2115和1.2116。這種趨勢是由于高圍壓下孔隙擴(kuò)張與新形成的孔隙和裂縫壓縮的競爭效應(yīng)所致；然而，后者在完全失敗之前占主導(dǎo)地位。在第三階段，D_T和D_gs均急劇下降。隨著圍壓的增加，分形維數(shù)急劇減小對應(yīng)的損傷變量減小，HY1~HY5 的值分別為 0.966、0.665、0.393、0.314 和 0.505。這說明第三階段分形維數(shù)演化的差異也與不同圍壓下煤樣的破壞模式密切相關(guān)。

圖12 不同圍壓下?lián)p傷變量D_T和D_gs的演化：(a) HY1, σ_c = 4 MPa; (b) HY2, σ_c= 6 MPa; (c) HY3, σ_c = 8 MPa; (d) HY4, σ_c = 10 MPa; (e) HY5, σ_c = 12 MPa.

為了進(jìn)一步研究不同圍壓下煤體損傷對孔隙參數(shù)的影響，選取HY1和HY5建立損傷變量與孔隙參數(shù)的關(guān)系（見圖15）。圖13a-d和15e-h分別示出了HY1和HY5的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和相應(yīng)的擬合曲線。隨著損傷變量的增加，孔隙率先降低后增加（圖13a和e）。當(dāng)損傷變量約為 0.1 時，孔隙率達(dá)到最小值，此后孔隙率開始增加，一旦損傷變量超過 0.2，孔隙率急劇上升。這種趨勢對圍壓相對不敏感。一旦損傷變量超過0.01，HY1的PSP就開始增加，并在超過0.2時急劇上升（圖13b）。同時，HY5的PSP在增加之前表現(xiàn)出局部最小值，約為0.04。當(dāng)損傷變量接近0.2時，PSP達(dá)到全局最小值，隨后表現(xiàn)出快速增加（圖13f）。在高圍壓下，需要更高的軸向應(yīng)力來引起孔隙擴(kuò)張，從而導(dǎo)致PSP在更高的損傷閾值下反彈。

HY1的D_gs在失效前表現(xiàn)出逐漸下降的趨勢，而DT則遵循相反的模式（圖13c和d）。相比之下，HY5的D_gs和D_T在失效前都呈現(xiàn)出總體增加的趨勢（圖13g和h）。隨著損傷變量從0.013增加到0.21，相應(yīng)的D_gs和D_T分別從2.934增加到2.9353，從1.029增加到1.2116。當(dāng)損傷變量超過臨界閾值時，D_gs和D_T均顯著下降，這表明PFS的復(fù)雜性和曲折性降低。HY5的D_T和D_gs降低了0.0164和0.0084，分別是HY1的45.65%和49.40%。高圍壓抑制了損傷對孔隙復(fù)雜性和迂曲度的削弱作用，并導(dǎo)致破壞前Dgs顯著反彈。此外，與D_gs相比，D_T對圍壓的敏感性較低。

圖13 損傷變量與孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系：(a-d). HY1, σ_c=4 MPa; (e-h) HY5, σ_c = 12 MPa.

本文結(jié)論

本研究使用NMRI分析儀監(jiān)測了煤在三軸壓縮下的PFS演化和破壞模式。系統(tǒng)研究了圍壓對孔隙壓縮系數(shù)、孔隙比例和分形維數(shù)的影響。通過將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與損傷本構(gòu)模型相結(jié)合，建立了孔隙參數(shù)與損傷變量之間的定量關(guān)系。主要結(jié)論如下：

(1)圍壓增大，煤體抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)，影響孔隙演化。PFS經(jīng)歷壓縮、擴(kuò)張和嚴(yán)重失效，這對應(yīng)T₂光譜區(qū)域的動態(tài)變化。初始圍壓越高，孔隙可壓縮性系數(shù)越低。高圍壓會導(dǎo)致孔隙度和PSP二次降低，隨后在破壞后急劇增加。隨著圍壓的增加，破壞模式由拉剪破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟兄鲗?dǎo)破壞。

(2)加載過程中D_gs和D_T均表現(xiàn)出先逐漸增加后急劇下降的趨勢。在早期加載階段，孔隙壓縮增加了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和流動阻力。孔隙擴(kuò)張、連通和裂縫發(fā)育降低了孔隙復(fù)雜性，同時增強(qiáng)了流體輸送能力。當(dāng)圍壓超過6 MPa時，D_gs呈現(xiàn)先反彈后急劇下降的趨勢，而D_T則呈現(xiàn)持續(xù)上升的趨勢。

(3)損傷演化分為三個不同的階段，每個階段都有特定的孔隙結(jié)構(gòu)特征。在第一階段，孔隙和裂縫處于壓縮狀態(tài)。在第二階段，孔隙從壓實(shí)過渡到擴(kuò)張，伴隨著微裂縫的萌生和擴(kuò)展。在第三階段，煤體經(jīng)歷不穩(wěn)定破壞，伴隨著孔隙參數(shù)的顯著變化。損傷變量與孔隙參數(shù)之間的關(guān)系可以用三次函數(shù)來很好地描述。

(4)滲流孔隙對孔隙擴(kuò)張和裂縫發(fā)育起主導(dǎo)作用。分級加載過程中，高圍壓下滲流孔隙和微裂縫的二次壓實(shí)是導(dǎo)致孔隙參數(shù)二次降低或回彈的主要原因。因此，在評價瓦斯運(yùn)移和設(shè)計(jì)瓦斯抽采策略時，應(yīng)考慮地應(yīng)力作用下受損煤中孔隙和裂隙的重新壓實(shí)。

推薦設(shè)備

大口徑核磁共振成像分析儀

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參考文獻(xiàn)：

[1] Xu H, Zhai C, Ranjith P G, et al. Pore-fracture evolution and fractal characteristics of coal under triaxial compression: Insights from in-situ nuclear magnetic resonance[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2026, 204: 106566.