Исследование механизма мезомасштабного развития разрушений в газонасыщенном угле на основе КТ-сканирования при реальном времени нагружения

Почему трещины внутри угля важны

Глубоко под землей угольные пласты не только топливо для электростанций — они также аккумулируют большие объёмы газа, который может внезапно высвободиться и вызвать опасные выбросы в шахтах. В этом исследовании авторы в реальном времени наблюдали газонасыщенный уголь при сжатии, применив КТ-сканирование в стиле медицинского аппарата и продвинутое компьютерное моделирование. Наблюдая, как крошечные внутренние трещины и твёрдые минеральные зерна перераспределяют и концентрируют напряжения, исследователи выяснили, почему часть угля разрушается внезапно и как присутствие газа повышает вероятность такого разрушения. Полученные данные могут помочь повысить безопасность шахт и поддержать более экологичное извлечение метана из угольных пластов.

Заглянуть внутрь угля в трёх измерениях

Команда собрала цилиндрические образцы угля на китайской шахте, известной риском выбросов. Каждый образец поместили в специальную рубашку и нагружали в трёхосном испытательном устройстве, одновременно сканируя высокоразрешающей КТ-системой — похожей на медицинский компьютерный томограф, но настроенной для горных пород. По мере поэтапного увеличения внешней нагрузки сканер снимал тысячи рентгеновских изображений по всему 360° образца. Эти снимки реконструировали в детализированные 3D-модели, где светлые пятна и полосы соответствуют плотным минералам, более тёмные зоны — мягкому углю, а пустоты отмечают поры и трещины. Программные инструменты очистили артефакты, разделили минералы, уголь и поры по уровням серого и построили цифровые керны, верно отражающие внутреннюю структуру реальных образцов.

Моделирование напряжений без жёсткой сетки

Чтобы проследить развитие разрушений в таком сложном материале, исследователи использовали «безмодельный» (meshless) численный метод вместо традиционных расчётов на сетке. В этом подходе 3D-КТ-модель рассматривается как облако точек с разными свойствами, а не как фиксированная сетка блоков. Каждой фазе — заполненные воздухом поры и трещины, более мягкий уголь и более жёсткие минералы — присвоили механические параметры, такие как жёсткость и коэффициент Пуассона. Нижняя часть виртуального образца была зафиксирована, а верхняя смещалась вниз, имитируя сжатие в лаборатории. Это позволило рассчитать, как меняются напряжения и смещения внутри объёма угля по мере увеличения нагрузки, давая трёхмерное представление о том, где скорее всего возникнут и разрастутся трещины.

Как минералы и трещины формируют механизм разрушения

Моделирование показало, что зависимость между общим внешним усилием и внутренним максимальным напряжением сильно нелинейна. По мере роста внешней нагрузки участки с высоким напряжением сначала формировались вокруг обогащённых минералами зон и вблизи существующих трещин. Поскольку минералы гораздо жёстче окружающего угля, они ведут себя как скрытый каркас, принимающий на себя часть нагрузки — но при этом они же притягивают и концентрируют напряжения. Узкие или полосовые минеральные участки развивали особенно сильные пиковые значения напряжений, и новые микротрещины склонны были появляться рядом с этими зонами или параллельно минеральным полосам. Карты направлений напряжений показали, что и уголь, и минералы направляют поток сил через образец, но влияние минералов сильнее. Смещённость оказалась крайне неравномерной: в целом движение уменьшалось сверху вниз, однако резко проявлялись различия между минералами, углём и трещинами, создавая предпосылки для сдвигового разрушения вдоль их границ.

Газ делает хрупкий уголь ещё слабее

Уголь в пласте часто насыщен газом. Это было учтено в исследовании путём сравнения случаев с наличием газа и без него, используя стандартную концепцию эффективных напряжений, которая уменьшает долю внешней нагрузки, переносимую твёрдым каркасом. В присутствии газа эффективная прочность и жёсткость угля снижаются, поэтому та же внешняя нагрузка приближает материал к пределу разрушения. Разностные карты между моделями без газа и с газом показали, что при заряде газом уголь принимает на себя меньшую долю напряжения, в то время как минералы переносят большую — что повышает контраст между твёрдыми и мягкими зонами. Это усиливает сдвиговые эффекты, повышает концентрацию напряжений вокруг минералов и делает внутренние трещины более склонными к росту и соединению, что в конечном счёте ведёт к нестабильности и возможным выбросам.

Что это значит для более безопасной разработки

Проще говоря, исследование показывает, что газонасыщенный уголь разрушается не из-за одной слабости, а в результате совместного действия твёрдых минералов, предсуществующих трещин и сжатого газа. Минералы одновременно поддерживают уголь и концентрируют повреждающие напряжения; неравномерные смещения вдоль границ минерал–уголь и трещин вызывают сдвиговое повреждение; а газ меняет внутреннее состояние напряжений так, что разрушение происходит легче. КТ-сканирование в реальном времени в сочетании с безсеточным моделированием предоставляет мощный инструмент для наблюдения эволюции повреждений в 3D, помогая инженерам точнее прогнозировать опасные зоны в угольных пластах и разрабатывать более безопасные стратегии добычи.

Цитирование: Li, Q., Li, Z., Feng, G. et al. Research on mesoscopic damage evolution mechanism of gas-bearing coal based on CT scanning with real time loading. Sci Rep 16, 6213 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36931-2

Ключевые слова: газонасыщенный уголь, КТ-сканирование, безопасность шахт, эволюция трещин, численное моделирование