“煤岩微观、细观力学特性研究”专题（《煤炭学报》）

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“煤岩微观、细观力学特性研究”专题（《煤炭学报》）

来源：煤炭学报

专题整理于2021年5月，为2018—2021年《煤炭学报》刊登的“煤岩微观、细观力学特性研究”主题论文。

行业视野: 地质
类别; 93个
关键词; 108位
专家; 22篇
论文; 24146IP
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考虑真实接触微凸体的岩石节理三维粗糙度指标

作者(Author)：班力壬, 戚承志, 李晓照, 靳天伟, 李惊涛, 姜宽

摘要：节理在压剪作用下，仅仅是一小部分较陡微凸体发生接触而相互作用。以往在描述粗糙度时是考虑整个形貌面微凸体的分布特点，这使得所得粗糙度指标弱化了较陡微凸体作用而强化了较平缓微凸体对剪切强度的作用(实际上大多平缓微凸体在剪切过程中未接触)。为考虑实际接触节理的粗糙度，基于Grasselli 视倾角分布函数研究了不同视倾角的面积比含量，分析了较陡接触微凸体对节理抗剪强度的作用。对于完全耦合的并且没有填充物的节理，当承受法向荷载时，节理少部分接触微凸体会发生弹性变形，在最初接触的微凸体部分会发生屈服。随着法向应力继续增加，会有更多的微凸体相互接触并发生屈服，这一过程会连续发生直至相互接触的微凸体面积足够大能够承受给定法向荷载的作用。因此，所有接触微凸体中的最小倾角为在一定荷载作用下刚好屈服的微凸体的倾角。对于岩石节理在法向应力下的剪切问题，实际接触面积可以近似认为是作用在节理面上法向荷载除以岩石的单轴抗压强度。考虑实际接触部分节理微凸体分布特征，获取了实际接触节理微凸体平均有效视倾角，得到了合理的三维粗糙度指标。采用巴西劈裂试验方法获取岩石节理面，扫描并获取了节理形貌坐标数据，用以研究节理表面粗糙度。节理峰值剪胀角反映了在某一法向应力下节理的剪切性质，并且可以准确的反映节理峰值抗剪强度。对比分析了实际接触节理粗糙度与节理峰值剪胀角趋势变化，结果表明节理粗糙度新指标可以与节理峰值抗剪强度很好地联系起来。

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煤炭学报

2020年第12期

917

488
孔洞式三叉裂隙砂岩裂纹扩展特征颗粒流分析

作者(Author)：李学华, 牛志军, 姚强岭, 王伟男, 于利强

摘要：为研究节理和孔洞对岩体的力学特性影响规律，通过完整砂岩与含预制单裂隙砂岩试样室内单轴压缩试验和颗粒流程序PFC2D模拟试验试样的弹性模量和峰值强度等相关参数以及最终破坏模式的对比分析，最终选取了一组合理的细观参数，并采用该组细观参数对孔洞式三叉裂隙试样进行单轴压缩模拟试验。研究结果表明:随着裂隙倾角α、裂隙倾角β、孔洞直径d和裂隙长度2a的改变，孔洞式三叉裂隙试样的峰值强度和峰值应变呈非线性变化，且它们均显著低于完整试样，其中裂隙长度2a对试样的峰值强度影响最大。孔洞式三叉裂隙试样在加载过程中发生拉伸和剪切破坏，且主要以拉伸破坏为主;翼形裂纹一般萌生在预制三叉裂隙的外尖端或距其外尖端一定位置和预制三叉裂隙与孔洞交接处附近位置，次生裂纹一般萌生在翼形裂纹扩展过程中的某个位置或试样的边界部位;裂隙倾角α主要影响试样的破坏程度，裂隙倾角β主要影响裂纹的扩展模式，孔洞直径d主要影响次生裂纹的萌生位置，裂隙长度2a主要影响翼形裂纹的萌生位置;通过对孔洞式三叉裂隙试样裂纹扩展机制探讨，裂隙试样在初始裂纹萌生阶段，应力集中区一般产生在预制三叉裂隙尖端附近和孔洞边缘，并且伴随在试样内部产生声发射事件，最后随着应力的不断增加和应力场的不断演化，微裂纹逐渐汇集形成的宏观裂纹不断扩展最终导致了试样的失稳和破坏。

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煤炭学报

2020年第11期

963

866
砂岩微观孔隙结构类型及其对含水层富水性的影响

作者(Author)：王苏健, 冯洁, 侯恩科, 黄克军, 薛卫峰, 段会军

摘要：砂岩的微观孔隙结构特征决定了砂岩含水层的富水性、渗透性，砂岩含水层富水性预测是矿井防治水必须首先研究与解决的重要问题。以陕北侏罗纪煤田柠条塔煤矿为例，分别采集直罗组3块、延安组4块不同岩性典型砂岩样品，通过运用普通薄片、铸体薄片、高压压汞、核磁共振等实验测试技术，结合Matlab图像分析功能，研究了不同时代地层、不同岩性砂岩微观孔隙特征，联合高压压汞与核磁共振法获得孔喉半径分布，综合砂岩微观孔隙结构测试结果，将孔隙结构按照孔喉大小、分布及连通性的好坏依次划分为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ 3种类型，对比钻孔抽水试验成果的钻孔单位涌水量，分析了砂岩微观孔隙结构与富水性之间存在的关系。研究结果表明:Ⅰ类孔隙结构较Ⅱ，Ⅲ类孔隙结构的粗粒与中粒砂岩比例高、排驱压力小、T2谱主峰的位置靠后;高压压汞与核磁共振所得孔隙半径分布基本一致;相同地层时代相同岩性条件下，风化程度越强，富水性越强;相同地层时代不同岩性条件下，粗、中粒砂岩较粉砂岩富水性强;不同地层时代相同岩性条件下，直罗组微观孔隙结构较好的Ⅰ类孔隙结构富水性强于延安组微观孔隙结构较差的Ⅱ类孔隙结构。

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煤炭学报

2020年第09期

1061

488
基于3D打印透明微细孔隙模型的多孔介质渗流规律

作者(Author)：钱自卫, 黄震, 袁世冲

摘要：多孔介质渗流规律研究是油、气、水资源开采及水害防治的基础性工作，物理模型试验是开展此研究的重要手段。基于真实砂层试样CT图片，经剪切、二值化处理、矢量边界提取、建模等步骤，构建了二维孔隙模型;采用高精度光固型3D打印机，选用刚性光敏材料，制备了透明微细孔隙试验模型。构建了包括注水系统、压力监测系统、观测系统、孔隙模型及管路的试验系统，开展了12个注水流量梯度、4个不同渗流方向的渗流模型试验，实现了对孔隙渗流过程的可视化观测及注水压力的高密度实时监测，从微观角度研究了多孔介质渗流规律。研究发现:① 在多孔介质渗流过程中分流及汇流持续发生，试验模型不同位置孔隙渗流的活跃性差异较大;② 随着水力梯度的增大，达西定律计算的渗透系数整体呈下降趋势，在低水力梯度条件下，同一模型平面90°改变注入方向时，渗透系数差异较大;水力梯度越大，水力梯度与渗透系数呈现相关性越强的幂函数关系;③ 渗流速度与水力梯度呈高度相关的二次函数关系，渗流速度越高相关性越强，符合Forchheimr型非线性渗流公式，同一模型平面90°改变注入方向时，水力梯度差异较大，呈现明显的各向异性特征;④ 孔隙试验模型渗流为“层流+紊流”的混合流，随着渗流速度的增加，紊流惯性力对水力梯度的贡献占比增大，其主要与孔隙介质中孔隙及喉道结构特征有关。

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煤炭学报

2020年第08期

1073

519
不良地质体注浆细观力学模拟研究

作者(Author)：秦鹏飞

摘要：从细观力学角度着手研究岩土等离散介质的变形和受力特性是一种重要的方法，基于细观力学理论的PFC2D数值仿真试验技术，可以从细观角度揭示注浆过程中拉压应力场的分布、土颗粒的变形运动及其与浆液的耦合作用过程等注浆进程的发展动态，为软弱土、风化岩和破碎带等不良地质体的注浆加固分析研究提供了一种新的途径。基于流固耦合原理的PFC2D颗粒流数值模拟程序，运用其内置FISHTANK函数库和FISH语言，分别定义流体域的流动方程和压力方程，对注浆过程中浆液的扩散过程、形态及颗粒的位移情况进行了数值模拟计算。通过调节PFC命令流中的hist,n_bond,s_bond和measure等参数，实现了颗粒体位移变动的追踪，并揭示了不同深度土体浆液的扩散规律和地层孔隙率改变等细观机理。数值计算表明，注浆压力对地层结构的改变和破坏作用十分显著，黏结强度增加劈裂效果逐渐变差，孔隙率随注浆压力提高则显著增大。基于Mohr-Colomb准则的弹塑性理论对钻孔周围土体的应力场进行理论推导，指出环向受拉径向受压的力学机制是劈裂注浆作用方式出现的根本原因。浆液黏度增加有利于提高劈裂-压密注浆的注浆效果，摩擦因数增加则对注浆效果影响不大。实验室试验对比分析表明，PFC2D模拟注浆过程是可行的。

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煤炭学报

2020年第07期

874

382
基于低场磁共振的北山花岗岩热损伤研究

作者(Author)：孙中光, 姜德义, 谢凯楠, 王克全, 李磊, 蒋翔

摘要：研究岩石的热破裂和损伤机制在高放废物地质处置工程中越来越受到重视。以我国甘肃北山的高放废物处置库的花岗岩岩样为研究对象，采用低场核磁共振系统、MTS岩石力学试验机、倒置镜像光学显微镜对重点预选场址花岗岩的热稳定性开展室内试验研究。研究发现:① 核磁共振T2谱图在0~400 ℃没有明显变化，当温度高于500 ℃时，T2谱图振幅显著增大且向右大幅移动，T2谱面积与孔隙率在加热过程中呈现幂率关系;② 峰值应力随着温度和孔隙度的增加以幂律关系降低;③ 通过核磁共振成像(MRI)发现，温度低于500 ℃时质子密度分布均匀且没有发现明显的质子密度簇，说明岩石内部结构稳定。当温度高于500 ℃时，晶体裂纹和边界裂纹的产生致使出现大量的高质子密度区域，并随着温度持续升高质子密度高的微小区域融合成大的连通区域;④ 花岗岩岩样在不同温度条件下的核磁成像像素的概率密度函数都服从对数正态分布，当温度超过500 ℃，概率密度函数整体向右转移;⑤ 通过显微结构观察，500 ℃时在长石晶间和长石晶粒与石英晶粒间有边界裂纹产生，并在晶体内部出现少量的穿晶裂纹，当试样温度加热到600 ℃时，超过了石英α/β相变点，石英颗粒产生大面积透明状穿晶裂缝，同时伴随着明显的穿晶网络。

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煤炭学报

2020年第03期

923

562
不同煤级煤液相侵入效应低场核磁共振实验研究

作者(Author)：刘谦, 黄建滨, 倪冠华, 郭玉森, 仲涛

摘要：我国煤层普遍具有低透气性、高瓦斯含量的特性，在低透气性煤层增透方面，煤层注水、水力压裂、水力割缝等水力化技术得到了广泛应用，并取得了良好的瓦斯治理效果。然而水作为外侵液进入煤体，堵塞了瓦斯流动通道，降低了瓦斯解吸量，产生了水锁效应。为分析水力化技术造成水锁效应的内在机理，利用压汞实验分析了煤样孔容分布规律，以及利用扫描电镜分析了原始、饱水、饱CMC溶液煤样的微观结构，基于低场核磁共振技术研究了煤样在饱水状态以及饱CMC溶液状态下的液相滞留效应，并根据曲线相似度法分析了孔径与束缚流体饱和度的相似度。研究结果表明:CMC溶液可以溶解煤中的矿物质增加煤孔隙裂隙以及降低水在煤体表面的表面张力，从而达到解除水锁效应的目的;随着煤变质程度的增大，T2截止值在逐渐减小，T2截止值的数值与煤样孔径大小呈负相关;煤样的束缚流体饱和度远大于自由流体饱和度，煤样在饱水状态下的束缚流体饱和度比饱CMC溶液状态下高;高变质程度的煤大孔孔容少、微孔孔容多，使得水在煤孔隙中的毛细管力大，最终造成高阶煤的水锁效应严重;大孔孔容是影响束缚流体饱和度的主控因素，微孔起到正向促进作用，得到束缚流体饱和度S与大孔孔容VA、微孔孔容VD的耦合关系式:S=94.86-1 078.96VA+261.24VD。滞留在煤体内的束缚水阻塞了瓦斯流动通道，是造成水锁效应的根本原因，增加煤层的孔隙裂隙以及选用合适的表面活性是减缓煤层水锁效应的有效措施。

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煤炭学报

2020年第03期

1275

391
基于3D打印技术复制砂浆节理的剪切试验及峰值抗剪强度模型

作者(Author)：班力壬, 戚承志, 薛耀东, 燕发源, 姜宽, 李惊涛, 朱柄宇

摘要：为进一步研究节理三维形貌特征与节理峰值抗剪强度的关系，首先采用巴西劈裂试验获取了自然劈裂岩石表面，通过三维扫描技术获取了节理面形态的高精度点云，通过逆向建模得到了自然岩石表面的立体模型，结合3D打印技术制作出了与自然岩石表面一致的PLA模具，以3D打印获得的底模通过水泥砂浆浇筑了含有自然结构面形貌的相似节理面试样。PLA模具与复制材料差异较大，复制材料在凝结过程中不易与PLA模具黏结，进而使脱模过程较为方便，不会破坏节理面。同时PLA模具可重复进行相似材料复制工作，具有可重复使用的优点。然后进行了具有5组形貌面的20个水泥砂浆节理面在4种不同法向荷载情况下的结构面剪切试验，得到了结构面剪切位移-荷载曲线。研究了结构面峰值抗剪强度、峰值位移、剪切刚度影响因素。节理经过剪切后形貌面出现不同程度的磨损，其磨损范围与等效高差分布范围基本一致，并且在等效高差为剪断破坏模式且成片的区域磨损较为严重。在新粗糙度指标基础上提出了新的峰值抗剪强度模型，经试验对比显示出新模型的有效性。在新模型基础上提出了一个简化模型。对比发现新模型简化后其计算精度较新模型有所降低但由于所需参数减小计算较为方便，新模型简化结果精度虽然有所下降但是还是比Barton公式精度高。

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煤炭学报

2020年第02期

1102

404