围压和应力幅值对煤的力学性能与渗透特性影响

为何煤层的隐秘生命重要

在我们脚下深处，煤层承受着地层的重压，同时还要经受采掘爆破和重型机械的冲击。被埋藏的煤如何破裂、变形并释放气体，不仅是学术问题——它关系到矿井安全、突发岩爆的风险，以及我们如何高效排采气以防爆炸或进行地下碳封存。本研究探讨了两种关键作用力——来自围岩的稳定挤压和采矿造成的重复应力冲击——如何共同影响煤的强度与泄漏性。

地下的两种压力

在深部矿井中，煤受到周围岩体来自各方向的挤压，这种稳定的作用称为围压。与此同时，采矿引入了断续的扰动：爆破、机械振动和岩层位移使煤反复受载与卸载。作者在实验室通过将圆柱形煤样置于三轴试验装置中重现了这些条件。他们改变了煤的挤压力（5、10和15兆帕的围压）以及应力循环的幅值（相当于煤峰值强度的5%–20%）。在试验过程中，跟踪了煤的轴缩与蠕变、机械能的存储与耗散、内部裂隙的三维演化，以及气体通过煤体的难易程度。

稳定挤压如何改变煤的强度与渗漏

随着围压增大，煤明显变得更强、更致密。样品所能承受的极限应力提升了超过三分之一，且应力–应变曲线的斜率（刚度指标）也增大。在较高围压下，煤体中原有的微裂隙被压闭，孔道被压实。这限制了永久不可逆变形的累积，并减少了作为损伤耗散的机械能损失。结果，煤更呈弹性响应，抵抗扰动而不易崩裂。与此同时，其渗透性显著下降。在10和15兆帕条件下，关键测点的气体流量相比最低围压下降了约90%–95%，随后趋于稳定，表明裂隙网络大部分被闭合。

重复冲击如何将煤变成气体高速公路

当围压固定而应力循环幅值增大时，结果则相反。更大的应力波动削弱了煤：当幅值从峰值应力的5%增加到15%时，峰值强度下降了近13%。每个循环中不可逆应变更多，煤进入类似疲劳的状态。能量分析显示，更高的幅值向样品输入和积累了更多的弹性能，推动其走向“先储能后爆发”的失效模式，而不是缓慢的渐进损伤。三维成像证实，在低幅值下，裂隙稀少且未贯穿样品；而在10%–15%幅值时，主要裂缝穿透了试样核心，显著增加了裂隙网络的体积与复杂度。与此同步，气体渗透率上升，在最高幅值下应变和流量同时激增，表明新的连通泄漏通道已形成。

挤压与震荡之间的拔河

通过对比所有试验，研究者描绘出围压与应力幅值之间的竞争关系。较高的围压倾向于夹闭裂缝、简化内部裂隙几何并增加弹性刚度，使煤更强但渗透性降低。较强的循环扰动则相反：它们驱动裂缝萌生与扩展，提高裂隙连通性与分形复杂度，降低强度并急剧提高渗透性。总体响应呈非线性——例如，非常高的围压可以在许多循环中延缓损伤，但在接近失效时又会加速裂缝扩展和能量释放。作者甚至给出一个粗略阈值：要抵消15%应力幅值的开裂效应，可能需要大约10–12兆帕的围压。

对更安全、更清洁利用煤的意义

对普通读者来说，结论是：深部煤体的行为类似于处于稳定挤压与反复震荡之间的系统。挤压可以稳定围岩并阻断气体通道，有利于防止突发失稳，但可能困封气体和能量。采矿引起的震荡会重新打开并扩大裂缝，使煤体成为更有效的气体通道，同时也使其更脆弱、事故风险上升。本研究表明，在非常深、高压的区段，工程上应将应力扰动控制在约占煤体强度10%以内，以避免突然破坏。相反，在以改善排采为优先的区域，适度增强的可控扰动可能有助于形成连通的裂隙网络。理解这种平衡有助于设计既更安全又能更好管理岩石中隐含气体流动的矿井。

引用: 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

关键词: 煤层稳定性, 岩石裂隙, 气体渗透率, 深部采矿, 循环加载