Количественная модель диссипации энергии для прогнозирования изменения проницаемости газосодержащего угля при циклической нагрузке

Почему встряхивание угля важно под землей

Глубокие угольные шахты — это уже не только выемка горной породы; это также большие резервуары под давлением. Повторные подрывы, бурение и смещения кровли посылают импульсы напряжения через пласты угля, которые уже содержат сжатый газ, такой как метан или закачанный диоксид углерода. Эти вибрации могут ослаблять уголь и изменять легкость выхода газа, что влияет как на риск аварий, так и на эффективность извлечения энергии. В этом исследовании поставлен практический вопрос с большими последствиями для безопасности и экономики: можно ли предсказать, как внутренние повреждения от повторных нагрузок изменят проницаемость угля для газа?

Как команда воссоздала условия глубокой шахты

Исследователи собрали твердый уголь с низкой пористостью в шахте Внутренней Монголии и вырезали его в тщательно подготовленные цилиндры. Каждый образец поместили в сложную трёхосную систему нагружения, которая может сжимать уголь со всех сторон, задавать постоянную фоновую нагрузку и накладывать быстрые колебания, имитирующие повторяющиеся нарушения в шахте. До нагружения образцы насыщали углекислым газом под контролируемым давлением, чтобы имитировать газоносные пласты. В ходе каждого испытания машина варьировала четыре основных фактора: скорость циклирования нагрузки, величину каждого стрессового импульса, уровень постоянной осевой нагрузки и давление газа в образце. Одновременно датчики непрерывно отслеживали деформацию, а отдельная система измеряла, насколько легко газ проходит через образец.

Что делает повторное встряхивание с прочностью угля

При всех условиях испытаний уголь проходил через три узнаваемые стадии: начальную линейную стадию, где он вел себя упруго, стадию нарушения, когда каждый цикл оставлял небольшое постоянное повреждение, и, наконец, стадю разрушения, при которой большие трещины внезапно соединялись и образец разрушается. По мере увеличения частоты циклирования, величины импульсов или уровня постоянной осевой нагрузки максимальная прочность угля снижалась, а способность деформироваться перед разрушением уменьшалась. Более высокое газовое давление усугубляло ситуацию, давя на крошечные внутренние поры и помогая их раскрывать, поэтому газоносный уголь становился слабее, чем идентичный сухой образец. Измерения модуля упругости — показателя жёсткости — показали устойчивое снижение при более жёстких нагрузках и большем давлении газа, что сигнализирует о том, что материал незаметно теряет свою внутреннюю целостность задолго до видимого разрушения.

Как повреждение превращается в новые газовые пути

На первый взгляд можно ожидать, что повышенное газовое давление будет закупоривать пути по мере разбухания матрицы угля. При статической нагрузке это возможно, но при повторных нарушениях картина меняется. В этих экспериментах проницаемость — лёгкость прохождения газа — неуклонно росла с увеличением числа циклов нагрузки. Более быстрое циклирование, большие перепады напряжений, более высокий фоновый нажим и большее давление газа все ускоряли рост проницаемости. Микроскопические трещины и поры, первоначально изолированные, вытеснялись и постепенно соединялись в связанные сети. Фактически повторное встряхивание одновременно повреждает уголь и вырезает новые каналы, по которым газ может мигрировать и выходить наружу.

Один скрытый регулятор, управляющий потоком газа

Чтобы объяснить это сложное поведение, авторы разработали модель, основанную на том, сколько механической энергии уголь диссипирует в каждом цикле нагрузки. Сравнивая общую энергию, вложенную в образец, с той её частью, которая не восстанавливается при снятии нагрузки, они ввели кумулятивный фактор повреждения D, который растёт по мере образования и распространения микротрещин. Удивительно, но независимо от того, подвергался ли уголь более быстрому или более сильному нагружению, большему давлению газа или разным фоновым нагрузкам, наблюдаемое изменение проницаемости можно было описать одной математической зависимостью между D и отношением конечной проницаемости к начальной. Иными словами, все эти разные сценарии возмущений по сути действуют через одну внутреннюю переменную состояния — накопленное повреждение, сохранённое в структуре угля.

Что эти выводы значат для шахт и метана

Для неспециалистов ключевое послание таково: повторные механические возмущения в газовом угольном пласте не только угрожают внезапными разрушениями; они также систематически перестраивают подземную «водопроводную» сеть для потока газа. Исследование показывает, что лёгкость выхода газа можно предсказать по единой, основанной на энергии, мере внутреннего повреждения, которая объединяет множество различных сценариев нагрузки. Такой универсальный регулятор даёт шахтным инженерам способ оценить, когда пласт приближается к опасным условиям выбросов, а также может помочь в управляемых методах стимулирования, которые целенаправленно используют циклическую нагрузку для вскрытия путей с целью более безопасного и эффективного извлечения метана из пластов и смежных технологий.

Цитирование: Bao, R., Zhang, Y., Cheng, R. et al. A quantitative energy dissipation model for predicting permeability evolution in gas-containing coal under cyclic loading. Sci Rep 16, 9106 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38629-x

Ключевые слова: проницаемость угля, циклическая нагрузка, газосодержащий уголь, диссипация энергии, безопасность угольных шахт