基于实时加载CT扫描的含气煤介观损伤演化机制研究

为什么煤内部的裂缝很重要

在深地下，煤层不仅为发电提供燃料——它们还储存大量气体，气体可能突然释放并在矿井中引发危险的突出事故。本研究在实时受压的条件下借助类似医疗的X射线CT扫描和先进的计算建模观察含气煤的内部。通过监测微小内部裂缝与坚硬矿物颗粒如何分担和集中应力，研究者揭示了为何有些煤体会突然失稳以及气体如何增加这种失稳的可能性。研究结果可用于改善矿井安全并支持从煤层气更清洁地开发能源。

三维观察煤的内部结构

团队从一个已知有突出风险的中国矿井采集了圆柱形煤样。每个样品被装入特制套筒，并在三轴试验装置中受载，同时由高分辨率CT系统扫描——类似医院的CT，但针对岩石进行了调试。随着外部应力逐步增加，扫描仪围绕样品360°拍摄了数千张X光图像。这些图像被重建为精细的三维模型，其中亮点和亮带代表致密矿物，较暗区域代表较软的煤，空洞则标示孔隙和裂缝。随后使用软件去除伪影，依据灰度值分离矿物、煤和孔隙，并构建出忠实反映真实样品内部结构的数字岩芯。

在无网格下模拟应力演化

为追踪这种复杂材料中的损伤如何发展，研究者采用了一种“无网格”数值方法，而非传统的基于网格的模拟。在该方法中，三维CT模型被视为具有不同属性的点云，而不是固定的网格单元。空气填充的孔隙与裂缝、较软的煤和较硬的矿物等相分别赋予力学参数，如刚度和泊松比。虚拟样品的底部被固定，顶部向下施压以模拟实验中的压缩。该方法使团队能够计算在加载增加过程中煤体内部应力与位移如何演化，从而以三维方式识别裂缝可能起始和扩展的区域。

矿物与裂缝如何决定破坏方式

模拟结果表明，总体荷载与内部最大应力之间呈显著非线性关系。随着外部载荷上升，高应力区首先在富含矿物的区域和现有裂缝附近形成。由于矿物比周围煤体刚性大得多，它们像隐藏的骨架一样承担部分载荷——但同时也会吸引并集中应力。狭长或带状的矿物区会产生特别强的应力峰值，新微裂纹往往在这些区域旁侧或与矿物带平行处出现。应力方向图显示，煤和矿物都引导力的传递路径，但矿物的导向效应更强。与此同时，位移场高度不均匀：整体上从上到下位移减小，但矿物、煤与裂缝之间出现尖锐差异，为沿界面发生剪切破坏创造了条件。

气体使薄弱的煤更脆弱

地层中的煤常常饱和着气体。研究通过比较有气压和无气压两种情形，引入了标准的有效应力概念来体现气体如何减少固体骨架实际承受的外荷载。当存在气体时，煤的有效强度和刚度下降，因此相同的外荷载更容易将材料推向破坏极限。有气与无气模拟的差异图显示，含气煤承受的固有应力较少，而矿物承受的应力增加，扩大了硬区与软区之间的对比。这放大了剪切作用，增强了矿物周围的应力集中，使内部裂缝更易萌生、扩展并相互连通，最终导致不稳定甚至突出事故的发生。

对更安全开采的意义

通俗地说，研究表明含气煤的破坏并非源于单一薄弱点，而是硬质矿物、既有裂缝与加压气体共同作用的结果。矿物既支撑煤体又集中有害应力；沿矿物—煤和裂缝界面的不均匀位移诱发剪切损伤；气体改变内部应力状态，使破坏更易发生。实时CT扫描结合无网格模拟，为以三维方式观察损伤演化提供了有力手段，帮助工程师更好地预测煤层中的危险区并设计更安全的开采策略。

引用: 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

关键词: 含气煤, CT扫描, 煤矿安全, 裂纹演化, 数值模拟