级配破碎岩体压实变形演化及能量耗散特性试验研究

为什么地下破碎岩很重要

在煤矿深部，巷道常常部分被破碎岩堆填充。这些碎石如何被压实以及在位移过程中如何释放能量，会影响矿井内气体是安全逸散还是积聚成危险的爆炸。本研究探讨不同大小碎块混合物的压缩行为、颗粒间空隙的变化以及受压时释放的潜在能量——这些认识可用于提高采矿安全性和效率。

如何挤压并“倾听”岩体

研究人员采集了某中方煤矿的细粒砂岩，并将其破碎为五个粒径范围，从几毫米到25毫米。采用称为级配指数的数学配方，配置出5种不同混合物，从以细粒为主到以粗粒为主。每个2.4千克的样品被装入坚固的钢筒中自上而下受压，侧向约束刚性——类似采空区中破碎岩在覆盖岩重力下受挤的情形。与此同时，灵敏的声学传感器“聆听”颗粒滑动、摩擦或破裂时产生的微弱弹性波，并将这些信号转化为计数和能量值，用以跟踪岩体骨架内部的重组。

三阶段的压缩过程

通过跟踪应力和应变，团队发现所有混合物都经历三段清晰的压实阶段。首先是初始阶段，松散堆积的颗粒滑移、旋转并重新沉降，导致在较低应力下迅速缩短。随后进入线性阶段，结构趋于稳定，额外加载使应力与变形近似呈线性关系；此期以颗粒破碎和颗粒间更紧密的表面接触为主。最后出现塑性固结阶段，岩体变得刚硬并抵抗进一步缩短：额外应力仅引起微小附加变形，但局部破碎更为剧烈。富细料的混合物更早进入并更长时间停留在后期刚硬阶段，而粗料主导的混合物需要更高的应力才能达到相同的缩短。

空隙与粒径如何演化

颗粒间的空隙以与变形阶段相呼应的三步模式收缩：快速下降、缓慢下降，然后在接近致密状态时趋于平台。含粗颗粒较多的样品起始空隙更大，总体丧失的空隙面积也更多，但在低应力下空隙比下降更快。压缩后过筛结果显示，所有混合物都产生了大量小于2.5毫米的新碎片，且最大粒径所占比例显著下降。用于表征粒径复杂度的分形指标在每个样品中都有所增加，最终值聚集在窄范围内，表明压实有趋同初始混合差异的趋势。然而以粗颗粒为主的混合物仍以略微更简单（碎裂程度较低）的粒度分布收尾。

碎堆内部的能量低语与爆发

声学测量显示，能量释放模式也遵循三阶段规律。在早期阶段，信号频繁但能量弱，反映颗粒间的摩擦和小幅调整。在线性阶段，事件数量和总能量显著增长，伴随较大颗粒开始破裂和内部结构重组。到最终阶段，事件数量减少，但单次能量爆发变得更强，关联于在已趋刚硬的骨架中偶发剩余大块的破裂。富细料的混合物产生更多低能量事件，而粗料主导的混合物事件较少但能量更大，显示出从“许多小声的低语”向“少数但响亮的爆裂”随粒级变化的转变。

这对矿山安全意味着什么

总体而言，研究表明破碎岩的级配——细料与粗碎块的比例——强烈决定其压实行为、空隙关闭、侧压发展以及储能的释放方式。随着时间推移，不同初始混合物趋向于相似的致密、细碎状态，但达到这一状态的力学与能量路径大相径庭。对矿山工程师而言，理解这些路径有助于预测采空区如何收缩、气体通道何时打开或封闭、以及何时可能出现危险的应力和能量集中，为更合理的抽采布置和深部煤矿岩—气灾害的预防控制提供科学依据。

引用: Peiyun, X., Wuyi, Y., Shugang, L. et al. Experimental study on the compaction deformation evolution and energy dissipation characteristics of graded broken rock mass. Sci Rep 16, 6606 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36352-1

关键词: 破碎岩体压实, 煤矿采空区, 颗粒材料, 声发射, 防灾减灾