“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。

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类别; 93个
关键词; 108位
专家; 22篇
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基于CT扫描的煤岩裂隙特征及其对破坏形态的影响

作者(Author)：付裕, 陈新, 冯中亮

摘要：为了研究煤岩原始裂隙结构对其宏观破坏特征的影响，以河南城郊煤矿21304工作面的煤岩为研究对象，利用nanoVoxel-4000系统对不同围压作用下加载前后的煤样进行了CT扫描试验。基于图像处理软件对裂隙结构进行提取和三维重建，结合等效球体模型定量分析了煤岩内不同尺度原始裂隙在空间的分布特征。通过计算平面内原始裂隙与破裂主裂隙的裂隙组构张量，以及空间内原始主裂隙面与新产生主裂隙面的倾角，对比分析了不同围压下原始裂隙分布方向与破坏时新生成主裂隙方向之间的关系。研究结果表明:煤样试件内含有大量不同尺度的裂隙，等效直径小于1 000 μm的裂隙数量多，体积小;等效直径大于5 000 μm的裂隙数量少,体积大;当等效直径小于5 000 μm时，随着裂隙等效直径的增加，裂隙的数目逐渐减少;在等效直径小于300 μm时，裂隙体积分数随等效直径的增加而增大;等效直径在3 00~5 000 μm的裂隙的体积分数整体呈现下降趋势，且等效直径在大于1 500 μm以后波动较大。利用二阶和四阶裂隙组构张量计算得到的椭圆形分布规律，可以有效的描述裂隙的优势方向和劣势方向，且相比二阶张量，四阶对于平面裂隙分布规律的描述更全面。不同围压下平面内原始裂隙的二阶和四阶裂隙张量计算的优势方向与破坏主裂隙的发展方向一致，三维空间新产生的破坏主裂隙面会沿着原有较大主裂隙面方向扩展，形成了近似平行的裂隙面。不同围压作用下，煤岩试件内部损伤破裂面的三维分形维数不同，随着围压的增大裂隙面的分形维数减小，二者具有较好的相关性。

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煤炭学报

2020年第02期

1192

772
高温作用后2种层理砂岩的动态力学试验及细观分析

作者(Author)：顾超, 许金余, 孟博旭, 闻名, 娄传鑫

摘要：为研究层理岩石的动态力学和细观结构方面的各向异性特征,利用大直径(ϕ100 mm)分离式霍普金森压杆(SHPB)系统,进行高温作用后层理砂岩的动态压缩试验,而后对试件破坏断口进行 SEM 电镜扫描试验,分析其断口形貌特征与能耗规律,并对提取出的微裂缝网络进行数值分析。试验结果表明:高温作用后各向异性砂岩的动态力学性能受冲击弹速、温度效应、层理各向异性的共同影响,随着冲击弹速的增加,砂岩的峰值强度逐渐增加,峰值应变逐渐增大,变形模量也逐渐增加;随着温度的升高,砂岩的峰值强度逐渐减小,峰值应变逐渐增大,而变形模量逐渐减小;平行层理砂岩的峰值强度、峰值应变和变形模量普遍高于垂直层理岩样,整体性更好。层理砂岩在高应变率下破坏的断口表面比在低应变率下整体度差,形貌更加粗糙。经历温度不大于 400 ℃时,断面以沿晶破坏和穿晶破坏为主,表现为脆性断裂;经历温度为 800 ℃时,除前 2 种断裂模式外,断面局部还出现塑性破坏和韧性破坏特征。砂岩在高应变率下破坏时能耗普遍高于低应变率破坏。断口裂隙的数量、裂隙的面积、裂隙的形状三者均存在明显的各向异性差异,水平层理的裂隙数量普遍高于垂直层理;水平层理岩样的微观裂隙率曲线低于垂直层理岩样;垂直层理的裂隙形状普遍比水平层理规则。高温处理后岩样动态破坏断口的裂隙形态趋于规则。

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煤炭学报

2019年第09期

927

296
页岩微观结构灰度图像的标准化方法

作者(Author)：俞雨溪, 王宗秀, 程明, 尹锦涛

摘要：采用灰度图像分析方法获取页岩孔隙结构参数是目前页岩微观结构表征的一种重要手段。在扫描成像过程中，往往需要根据样品自身特点调节亮度、对比度等参数以达到较好的成像效果，这会导致不同视域、不同样品的图像灰度分布特征发生变化，从而导致识别孔隙的灰度阈值产生差异。为了实现统一标准识别页岩孔隙，研究以SEM图像为例，由图像灰度分布影响因素分析入手，在提取一系列标志参考物灰度的基础上，通过合成灰度累计概率分布建立了待校正图像的代表性灰度分布，在此基础上确定了待标准图像与标准图像合成灰度累计概率分布之间的映射关系，采用图像灰度直方图匹配算法实现了图像标准化。研究结果表明，页岩中的孔隙、有机质、自生石英、黄铁矿等4种组分组合后可覆盖整个图像灰度分布，是有效的标志参考物组合。利用该标志物组合所合成灰度累计概率分布作为不同图像间的对比参数进行标准化，可以消除组分含量差异对灰度分布的影响，达到校正对比度和亮度等扫描参数设置差异对图像灰度的影响。经验证，该方法对采用不同拍摄参数的图像均具有较好的应用效果，经过标准化处理后的图像能够实现同一灰度阈值自动识别页岩孔隙和有机质等地质元素，提高了图像提取孔隙结构参数的可对比性，为页岩微观图像孔隙结构定量分析提供了可靠基础。

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煤炭学报

2019年第07期

979

272
岩石节理峰前循环直剪试验颗粒流宏细观分析

作者(Author)：刘新荣, 邓志云, 刘永权, 路雨明, 刘树林, 韩亚峰

摘要：利用二维颗粒流(PFC2D)程序较为完善地实现了考虑二阶起伏体岩石节理的峰前循环数值直剪试验，并分别从宏观和细观角度分析了节理峰前循环直剪试验中节理累积损伤特征与抗剪强度的变化规律。对比分析已有的室内试验成果，验证了计算方法的可靠性。研究表明:①随着岩石节理一阶起伏角、法向压力的增大，节理的破坏模式按爬坡—爬坡啃断—啃断趋势发展，且抗剪强度随着一阶起伏角、法向压力的增大总体上呈增大趋势。②低幅值的循环荷载对节理剪切强度的影响极为有限，甚至可以忽略，但随着循环加载幅值的增加，节理起伏体上裂纹的扩展贯通程度、裂纹的数量均显著增多，表明循环加载幅值的大小是决定节理起伏体累积损伤速度的关键因素。③节理裂纹数量随循环加载次数的增大而增加，且有增速的趋势，在循环加载次数增加到某个量级时，裂纹出现激增的现象，表明节理疲劳裂纹的扩展贯通有累积后突变的演变特征;不同破坏模式下，节理的峰值抗剪强度均随着循环加载次数的增加呈现出先增后减的变化趋势，表明有限次数的循环加载有利于增大节理的峰值抗剪强度，但循环加载最终会因节理的累积损伤造成其抗剪强度的劣化。研究结果丰富了室内试验成果，有助于进一步认识岩石节理在微震频发作用下的累积损伤与强度劣化规律。

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煤炭学报

2019年第07期

1022

373
基于CT三维重构的深部煤体损伤演化规律

作者(Author)：钟江城, 王子辉, 王路军, 赵家巍, 任伟光, 周宏伟

摘要：为研究不同应力条件下深部煤体损伤演化规律及破坏机理，以平煤十二矿己15-17220工作面的深部煤体为研究对象，进行了单轴压缩的实时CT扫描实验，结合细观统计损伤力学，提出了一种基于CT图像灰度值定义损伤变量的方法，定量分析了煤样单轴压缩过程中损伤演化规律。通过CT扫描实验、压汞实验和室内基本力学实验，建立了能够反映固体基质分布的深部非均质煤样的三维数值几何模型，进行了合理的网格划分，确定了不同材料组分的本构模型及其物理力学参数，在位移控制加载条件下开展了煤样单轴压缩的数值模拟，定性研究了煤样单轴压缩过程中的损伤演化规律及破坏机理。进一步，在单轴压缩数值模拟基础上，通过对煤样施加不同的环向应力，进行了5种不同围压条件下煤样三轴压缩的数值模拟，从应力-应变曲线形态、煤样破裂形态及破裂角大小等方面定性分析了三轴压缩条件下深部煤体损伤演化规律。结果表明:单轴压缩数值模拟的应力-应变曲线及损伤演化特征与CT实时扫描实验得到的结果具有较好的一致性。随着轴向应力的逐渐增加，煤样损伤依次经历了零损伤阶段、局部损伤产生阶段、损伤线性和非线性稳定增长阶段和损伤加速增长致使完全破坏阶段。试件最终破坏时其最大剪切应变率区域及塑性区都近似平行或垂直于煤基质和煤杂质的交界面，且损伤发生的两个主破坏面相互垂直。单轴压缩的整个过程煤样主要发生拉伸破坏，屈服应力后由于煤样的不均匀变形才发生剪切破坏。基于CT重构的煤样三轴压缩的数值模拟得到的损伤演化特征和经典的岩石损伤演化的6个阶段能够很好的吻合，煤样主要发生剪切破坏;随着围压的增大，峰值强度、扩容点应力和残余强度均逐渐增大，破裂角逐渐减小，破裂角与围压之间近似呈负线性相关。在数值模拟的网格划分、几何模型建立、材料参数和本构模型的选取以及应力应变的计算方法等方面做出了优化，取得了较好的数值模拟效果，能够消除实验样品差异性带来的影响，且能够直观准确地定性描述单轴和三轴压缩过程中的损伤演化规律。

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煤炭学报

2019年第05期

1222

1889
煤炭自然发火介尺度分析:从表征体元宏观模型到孔隙微观模型

作者(Author)：梁运涛, 王树刚, 蒋爽, 胡沛裕, 林琦, 宋双林

摘要：煤炭自然发火存在明显的介尺度特性，应用介尺度科学理论将煤炭自然发火的微观反应机理与宏观变化特征相关联，有助于推进煤自燃领域的深入研究。首先分析了单煤颗粒、煤颗粒聚团及煤堆3个尺度的区别及相互联系，指出尺度之间正确的信息传递是多尺度模拟的前提，煤自燃领域尺度信息传递的主要方式是“尺度上联”。从数学建模角度提出煤颗粒聚团的本质就是煤堆的表征体元，以表征体元为最小单位的表征体元尺度数值模拟是一种忽略聚团内结构变化的基于宏观数学模型的计算方法，相对应的表征体元内考虑单煤颗粒相互影响的孔隙尺度数值模拟是一种基于微观数学模型的计算方法，由此明确了煤自燃研究中介尺度II所在的堆积态煤体层次的物理过程与数学概念。其次基于表征体元尺度的定义，考虑瞬时孔隙率和高温辐射换热特征，建立了连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程和浓度方程，简述了求解过程，指出需要由孔隙尺度模型获取的参数有孔隙率、渗透率、对流换热系数等。接着论述了基于格子玻尔兹曼方程、考虑内部孔隙结构的孔隙尺度微观模型，并用实例展示了采用工业CT技术获取煤岩体孔隙物理结构、3维数字重构及表征体元提取的步骤。最后利用不同尺度之间参数的本构关系，提出从孔隙尺度获取宏观控制方程中孔隙率、渗透率、惯性系数和对流换热系数的尺度上联方法，从数学上实现了孔隙尺度微观模型到表征体元尺度宏观模型之间的信息传递，从而完成了从孔隙尺度到表征体元尺度的多尺度物理建模和数学建模。

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煤炭学报

2019年第04期

1544

626
基于“两介质-三界面”模型的散煤注浆固结宏细观规律

作者(Author)：李桂臣, 孙长伦, 孙元田, 崔光俊, 钱德雨

摘要：为了预判水泥浆注浆加固淮北矿区松散煤层效果，提供合理注浆参数，确保松散破碎围岩体注浆加固后稳定，文章基于离散元思想，将散煤和水泥视为颗粒，结合散煤-水泥浆胶结体单轴压缩试验和颗粒流模拟软件，研究散煤注浆加固效果，从宏-细观角度揭示散煤水泥浆注浆加固规律。文章构建了散煤-水泥"两介质-三界面"模型；校核了散煤-水泥浆胶结体三界面细观力学参数，分析了颗粒配比和胶结体孔隙率对散煤注浆加固效果的影响规律。研究结果表明："两介质-三界面"模型包括散煤颗粒、水泥颗粒，散煤颗粒之间胶结界面、水泥颗粒之间的胶结界面和散煤与水泥颗粒之间的胶结界面，模型不仅能够模拟常规岩体力学实验，还能够进行胶结参数影响特性研究，适用于散体介质注浆加固效果预判；散煤-水泥浆胶结体单轴压缩强度σc和弹性模量E随着散煤与水泥颗粒配比γ增加先增大后减小，存在最佳配比，散煤含量增加的过程分为初期骨料强化和后期胶结弱化两个阶段；胶结体单轴压缩强度σc和弹性模量E随着孔隙率n增加而加速减小，粒径越小、充填程度越高的注浆材料，加固效果越好。在现场注浆设计施工过程中，根据现场围岩破碎程度，优选粒径小、可注性好的浆液，能够获得较好的注浆加固效果。

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煤炭学报

2019年第02期

1259

421
构造煤的瓦斯放散特征及孔隙结构微观解释

作者(Author)：张慧杰, 张浪, 汪东, 侯金玲

摘要：采用恒温煤粒瓦斯放散试验方法,研究了构造煤和原生煤瓦斯放散过程的差异性,结果表明构造煤在瓦斯放散初始1 min的瓦斯解吸量是原生煤的2. 15～4. 06倍,构造煤趋近极限瓦斯解吸量所需时间不足原生煤所需时间的25%,原生煤的极限瓦斯解吸量略高于构造煤,构造煤与原生煤对典型瓦斯放散数学表达式的适用性存在很大不同。为解释试验结果,采用压汞法和低温氮吸附法对煤的孔隙结构进行测试,分析得到中孔及大孔分布是导致构造煤和原生煤瓦斯放散特征差异的主要因素,大分子结构等其他因素对瓦斯放散特征的影响有待于进一步研究。

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煤炭学报

2018年第12期

902

244