Влияние окружного давления и амплитуды напряжений на механические свойства и проницаемость угля

Почему важна скрытая жизнь угольных пластов

Глубоко под нами угольные пласты несут вес Земли и одновременно подвергаются ударам от подрывных работ и тяжёлой техники. То, как этот захоронённый уголь трескается, деформируется и выпускает газ, важно не только для учёных — это влияет на безопасность шахт, риск внезапных выбросов горной массы и то, насколько эффективно можно откачать газ, чтобы предотвратить взрывы или хранить углерод под землёй. В этом исследовании изучается, как два ключевых усилия — постоянное сжимающее давление от окружающей породы и повторяющиеся ударные нагрузки от добычи — совместно формируют прочность и «утечки» угля.

Два вида давления в глубине недр

В глубоких шахтах уголь сжимается со всех сторон окружающей породой — это постоянная сила, называемая окружным (конфинующим) давлением. Одновременно добыча вызывает прерывистые возмущения: взрывы, вибрации техники и смещения пластов, которые многократно нагружают и разгружают уголь. Авторы воспроизвели эти условия в лаборатории, используя цилиндрические образцы угля в трёхосной установке. Они варьировали силу сжатия (5, 10 и 15 мегапаскалей окружного давления) и величину циклических напряжений (5–20% от пикового сопротивления угля). В ходе испытаний отслеживали, как образцы укорачиваются и ползут со временем, сколько механической энергии накапливается или рассеивается, как трёхмерно меняются внутренние трещины и насколько легко через образец проходит газ.

Как постоянное сжатие меняет прочность и проницаемость угля

При увеличении окружного давления уголь становился заметно прочнее и жёстче. Максимальное напряжение, которое выдерживали образцы, выросло более чем на треть, а наклон кривой «напряжение — деформация» (показатель жёсткости) также увеличился. При более высоком давлении мельчайшие существующие трещины закрываются, поровые каналы уплотняются. Это ограничивает накопление необратимых деформаций и уменьшает количество механической энергии, рассеиваемой в виде разрушений. В результате поведение образцов становится более упругим — они сопротивляются возмущениям, а не рассыпаются. Одновременно проницаемость — лёгкость прохождения газа — резко падает. При 10 и 15 мегапаскалях газовый поток в ключевых точках измерения снизился примерно на 90–95% по сравнению с наименьшим давлением и затем стабилизировался, что указывает на значительное закрытие сети трещин.

Когда повторные удары превращают уголь в газовую магистраль

При фиксированном окружном давлении увеличение амплитуды циклических напряжений действовало противоположно. Большие колебания ослабляли уголь: его пиковая прочность снизилась почти на 13% при увеличении амплитуды с 5% до 15% от пикового напряжения. С каждой циклической нагрузкой накапливалась всё большая необратимая деформация, и образцы входили в состояние, подобное утомлению. Энергетический анализ показал, что при больших амплитудах в образцы подаётся и накапливается больше входной и упругой энергии, подталкивая систему к режиму «накопил — затем взорвался», а не к медленному прогрессирующему повреждению. Трёхмерная визуализация подтвердила: при низкой амплитуде трещины редки и не проходят через образец, тогда как при 10–15% основные разломы проникали в сердцевину, значительно увеличивая объём и сложность сети трещин. Параллельно росла газовая проницаемость, и при наибольшей амплитуде как деформация, так и поток резко увеличивались, что указывает на образование новых связанных путей утечки.

Перетягивание каната между сжатием и встряхиванием

Сопоставляя все испытания, исследователи описывают конкуренцию между окружным давлением и амплитудой напряжений. Более высокое окружное давление склонно зажимать трещины, упрощать внутреннюю геометрию трещин и наращивать упругую жёсткость, делая уголь прочнее, но менее проницаемым. Сильные циклические возмущения делают обратное: стимулируют появление и рост трещин, повышают связность и фрактальную сложность сети, уменьшают прочность и резко увеличивают проницаемость. Совместная реакция нелинейна — например, очень высокое окружное давление может оттянуть появление повреждений на многие циклы, но затем, вблизи разрушения, ускорить рост трещин и выброс энергии. Авторы даже называют грубый порог: чтобы компенсировать раскрывающий эффект амплитуды 15%, может потребоваться окружное давление порядка 10–12 мегапаскалей.

Что это значит для более безопасного и чистого использования угля

Для неспециалиста главный вывод таков: глубокий уголь ведёт себя как система, зажатая между постоянным сжатием и повторными встрясками. Сжатие может стабилизировать породу и блокировать газовые пути — это полезно для предотвращения внезапных разрушений, но может запирать газ и энергию. Встряски от добычи могут вновь раскрывать и расширять трещины, превращая уголь в более эффективный газопровод, но одновременно делая его слабее и более склонным к авариям. Исследование показывает, что в очень глубоких зонах с высоким давлением инженерам следует ограничивать возмущения напряжений примерно до 10% от прочности угля, чтобы избежать внезапного разрушения. Напротив, в зонах, где приоритет — улучшение откачки газа, могут быть полезны немного более сильные контролируемые воздействия для открытия связной сети трещин. Понимание этого баланса помогает проектировать шахты, которые безопаснее для рабочих и эффективнее управляют скрытыми потоками газа в породе.

Цитирование: Yang, H., Qin, D., Liu, H. et al. Influence of confining pressure and stress amplitude on the mechanical properties and permeability characteristics of coal. Sci Rep 16, 6064 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35979-4

Ключевые слова: стабильность угольного пласта, трещины в горных породах, газовая проницаемость, глубокая добыча, циклическая нагрузка