用于预测含气煤在循环载荷下渗透率演化的定量能量耗散模型

为什么地下煤体的振动很重要

深井煤矿不仅仅是挖掘岩石；它们同时也是巨大的加压气体储层。反复的爆破、钻孔和顶板运动会将应力脉冲传入已被压缩气体（如甲烷或注入的二氧化碳）充满的煤层。这些振动会削弱煤体并改变气体的逸散难易度，从而影响事故风险和能量回收效率。本文研究了一个具有重要安全和经济意义的实用问题：我们能否预测反复载荷引起的内部损伤将如何改变气体在煤中的流动难易？

研究团队如何重现深井环境

研究者从内蒙古某矿采集了致密、低孔隙率的硬煤，并将其切制成精确的圆柱试样。每个样品被置于一台复杂的三轴加载系统中，该系统可以从各侧挤压样品、施加稳定的背景载荷，然后叠加快速振荡以模拟反复的采矿扰动。加载前，样品在受控压力下饱和二氧化碳，以模拟含气煤层。在每次试验中，设备变化四个主要参数：载荷循环的速度、每次应力脉冲的幅度、稳定轴向载荷的大小以及填充煤体的气体压力。同时，传感器持续记录变形情况，另一个系统测量气体通过样品的难易程度（渗透性）。

反复振动对煤体强度的影响

在所有试验条件下，煤体都经历了三个可识别的阶段：最初的线性阶段表现为弹性响应；扰动阶段每个载荷循环都会留下小的永久性刻痕；最后是破坏阶段，大裂缝突然连通导致样品破裂。随着循环加快、脉冲增大或背景轴向载荷上升，煤体的峰值强度下降，断裂前的可变形能力减小。较高的气体压力通过作用于微小孔隙并促使其张开使情况更糟，因此含气煤比同等条件下的干煤更脆弱。弹性模量的测量——即刚度的度量——在更严酷的加载和更高气体条件下呈现出一致下降，表明材料在可见破坏之前就已悄然丧失内部完整性。

损伤如何转化为新的气体通道

乍看之下，人们可能会认为较高气压会因基质膨胀而堵塞通道。在稳态载荷下这种情况确实可能发生，但在反复扰动下情形发生变化。在这些实验中，渗透率——气体通过的容易程度——随着载荷循环次数的增加而稳步上升。更快的循环、更大的应力摆幅、更高的背景载荷和更大的气体压力都促进了渗透率更快地增长。原本孤立的微裂缝和微孔被振动撬开并逐步连通成网络。实际上，反复振动既损伤了煤体，又雕刻出新的通道，使气体能够迁移并逸出。

控制气流的单一隐性调节钮

为了解释这种复杂行为，作者建立了一个基于煤体在每个加载循环中耗散的机械能量的模型。通过比较输入到样品的总能量与卸载后无法恢复的那部分能量，他们定义了一个累积损伤因子D，随着微裂缝的形成和扩展而增长。值得注意的是，不论煤体是以更快或更大的应力、更高气压还是不同背景载荷受扰，观测到的渗透率变化都可以用D与末态渗透率与初始渗透率之比之间的单一数学关系来描述。换言之，所有这些不同的扰动模式通过一个内部状态变量——储存在煤体结构中的累积损伤——发挥作用。

这些发现对矿井与甲烷的意义

对非专业读者来说，关键结论是：含气煤层中的反复机械扰动不仅会威胁突发破坏；它们还会系统性地重塑地下气体流动的“管线”。本研究表明，气体逸散的难易度可以从一个统一的、基于能量的内部损伤度量中预测，该度量将多种不同的加载情景纳入同一框架。这样一个通用的调节钮为矿山工程师提供了评估煤层是否接近危险喷出条件的方法，也可用于指导受控刺激策略，利用循环载荷有意打开通道，以实现更安全、更高效的煤层甲烷回收和相关技术。

引用: 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

关键词: 煤层渗透率, 循环载荷, 含气煤, 能量耗散, 煤矿安全