多場耦合作用下煤巖損傷破壞特性研究進展

韓毅　萬永斌　施勇　肖專

摘 要：多場耦合作用存在于煤巖體成巖和改造的整個過程，隨著煤礦開采深度的增加，地應力呈非線性增加趨勢。文章詳細介紹了礦業工程領域中多場耦合作用的科學與技術問題，進而論述應力場、熱力場的耦合作用下煤巖損傷破壞特征。通過分析總結應力場引起的煤巖損傷破壞特性、熱力耦合作用的煤巖損傷破壞特性、熱力耦合作用下煤巖破裂特性及熱-流-力耦合作用下煤巖損傷破壞特性研究取得的成果及存在的問題。

關鍵詞：熱力耦合;損傷破壞;研究進展

1 緒論

在煤炭地下氣化等工程中，煤巖體將受到溫度和壓力的耦合作用，即熱-力耦合效應。煤是一種對溫度、壓力十分敏感的有機巖石，溫度場變化引起的熱應力、熱應變導致了固體煤巖的變形;同時，煤巖的變形又將引起溫度場的改變。熱-力耦合作用下煤巖物理力學特性與常規條件下有較大差異，而其相關力學參數又是井下工程開挖、支護設計、圍巖穩定性分析不可或缺的基本依據，這就需要考慮巖石在高溫作用下及高溫后的物理力學性質。隨著礦業開采深度的增加，研究熱力作用下深部煤巖體的變形破壞特性也成為了目前關注的一個課題。

2 熱力耦合作用下煤巖破裂特性研究

圍巖損傷破壞是自重應力和構造應力復合應力場卸荷作用的結果。復雜環境下圍巖局部化變形演化規律發現復雜巖體破裂與變形經歷振蕩-沉寂后，極有可能會出現持久性破壞。研究結果表明裂隙張開度從巷道表面向深部呈現減小的趨勢。對于高應力巷道圍巖的彈塑性變形，通過現場監測和模型試驗，開展了含瓦斯煤巖耦合彈塑性損傷本構模型研究。許多學者通過物理試驗或數值模擬對高應力狀態下煤巖流變、蠕變特性進行研究，對井巷的失穩風險預測及穩定控制提供理論依據。

2.1 熱力耦合作用下煤巖熱破裂

近年，學者從不同角度和層次，通過理論和試驗研究溫度對巖石力學性質的影響。然而，關于熱破裂的研究，主要集中在巖體?；诩氂^結構表征的巖石破裂熱-力耦合模型及關于煤體熱-力耦合熱破裂的研究甚少。

2.2 溫度作用下煤巖的熱力學特性

目前，與煤礦相關的煤巖體在高溫、高圍壓下力學性質的研究甚少，而對大理巖等質地均勻、各向近似同性的巖漿巖力學特性的溫度效應試驗研究較多。煤巖在不同溫度條件下的強度和變形演化規律的研究，可為煤礦開采節理發育相對較多、質地不均衡、各向異性的煤巖體，溫度作用下設計和井壁穩定性評價提供切合實際的參數和依據。

2.3 熱力作用下煤巖的滲透特性

滲透率的變化為眾人關注，其中地應力是其變化的主要因素，但地溫隨著煤層采深的增加也越來越高，煤體滲透率與應力和溫度的關系。有學者進行了不同應力條件，不同溫度條件下的煤體滲流實驗，發現不同有效應力條件下煤體滲透率與溫度的關系，并非單調遞增或單調遞減，而呈正指數關系;但在研究低溫煤樣滲透特性影響的試驗研究時得出了差異較大的結論?？梢?，對煤巖滲透率與溫度的關系仍然研究不足，不同圍壓條件下，煤體瓦斯滲透率隨溫度的變化機理尚不清楚。在研究煤巖滲透性方面，也主要集中體現在應力、孔隙壓力對煤體滲透性的影響、裂紋滲透性、煤裂隙與滲透性關系等。滲透性相關規律的研究目前主要局限于小試樣，而且多以測試高溫處理后的熱破裂和滲透率為主。

3 熱-流-力耦合作用煤巖損傷破壞特性研究

3.1 熱-流-力耦合作用下煤巖損傷破壞的數值研究

目前對熱-流-力耦合作用下煤巖變形破壞特性研究多集中于理論及數值模擬方面的研究，其中有學者將對象巖體處理成雙重孔隙-裂隙型介質，借助于室內外試驗、理論分析、模型擬定和數值計算等各種方法，探討所涉及的溫度場、滲流場、應力場等的耦合作用問題，但未考慮具有雙重孔隙-裂隙介質特點的強度準則及其應用。煤巖體地下滲流場、應力場與溫度場耦合作用是一個相對復雜的問題，主要表現在煤巖體賦存地質環境的各個組成部分，即滲流場、應力場與溫度場自身都隨時間、空間發生變化;與此同時，各個組成部分之間的耦合作用還處于一種復雜動態變化過程之中。

目前主要研究表現在建立熱-流-力耦合理論分析及數值模型方面，但多場耦合作用是一類極其復雜計算過程，很難采用普遍采用數值求解方解析方法求解。

3.2 熱-流-力耦合作用下煤巖損傷破壞的實驗研究

關于熱-流-力耦合的試驗研究方面取得豐富成果。有學者試驗研究不同溫度下石英巖裂隙滲流特性的變化過程;在水熱條件下對花崗巖單裂隙進行滲透試驗研究，分析溫度升高裂隙開度減小的原因。研發熱流體壓裂開采天然氣水合物藏試驗裝置;對不同條件下的多場耦合的煤巖力學特性及滲流特性進行試驗研究。

4 結語

開展多場耦合作用下煤巖損傷破壞特性的研究，不僅對揭示煤巖體的力學行為及其破壞失穩的力學機理，完善和發展巖體損傷力學、斷裂力學等均具有豐富的理論內涵和學術價值，而且對礦業工程發展具有極其豐富的科學、技術與工程意義。然而，由于開展煤巖多場耦合作用研究的復雜性和艱巨性，此方面的工作仍是初步的、不全面的，已有的研究成果離工程應用也有較大的距離。

計算力學、信息科學等基礎科學的發展為多場耦合理論發展帶來新的機會，大規模并行計箅技術的發展也將會大力促進耦合計算的發展。大規模、高性能數字算法，計算可視化及虛擬仿真技術將極大提高解決多場耦合復雜問題的能力。

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