非均质性对含层理煤岩破坏特征影响

安静宇; 邬忠虎; 王文涛; 张荣华; 王志伟; 刘金源; 王瑶; 卢波

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2503901

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (13) :5446-5460 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2503901

石油、天然气工业

非均质性对含层理煤岩破坏特征影响

安静宇 ¹ ,
邬忠虎 ¹^,²^,^* ,
王文涛 ³ ,
张荣华 ¹ ,
王志伟 ¹ ,
刘金源 ¹ ,
王瑶 ¹ ,
卢波 ¹

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Influence of Heterogeneity on Failure Characteristics of Stratified Coal Rock

AN Jing-yu ¹ ,
WU Zhong-hu ¹^,²^,^* ,
WANG Wen-tao ³ ,
ZHANG Rong-hua ¹ ,
WANG Zhi-wei ¹ ,
LIU Jin-yuan ¹ ,
WANG Yao ¹ ,
LU Bo ¹

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摘要

为系统探究层理倾角与均质度对煤岩破坏特征的耦合影响,基于岩石破裂过程分析系统 (rock failure process analysis,RFPA)建立不同均质度含层理煤岩模型,通过二维数值模拟分析不同条件下的单轴压缩力学行为。结果表明:均质度显著影响煤岩的细观力学参数分布与宏观破坏模式,低均质度时,煤岩内部缺陷随机分布导致微裂纹无序扩展,声发射能量离散释放;高均质度下,主裂缝沿层理薄弱界面快速贯通,能量释放呈现“前期抑制、后期骤发”的特征。层理倾角通过应力分解与剪切作用诱发力学各向异性,弹性模量各向异性系数在特定倾角时达到峰值,峰值强度随倾角增大总体呈上升趋势,中等倾角存在强度骤降现象。破坏模式随倾角显著变化,垂直层理与平行层理条件下的破坏特征差异明显。研究揭示了均质度与层理结构的动态耦合机制,中等均质度下界面剪应力集中触发局部渐进破坏,硬矿物富集形成的力学屏障加剧界面应力集中,导致临界均质度时的破坏模式突变。研究成果为煤岩工程稳定性评估与支护设计提供了理论依据。

Abstract

In order to systematically investigate the coupling effects of bedding plane inclination and homogeneity on the failure characteristics of coal rock, numerical models of bedded coal rock with different homogeneity indices based on the rock failure process analysis (RFPA) system were established, and the uniaxial compression mechanical behaviors under various conditions via two-dimensional numerical simulations were analyzed.The results show that the homogeneity index significantly influences the distribution of meso-mechanical parameters and the macroscopic failure mode of coal rock. Under low homogeneity, randomly distributed internal defects lead to disordered propagation of micro-cracks and discrete release of acoustic emission energy. Under high homogeneity, the main fracture rapidly propagates along the weak bedding interfaces, and energy release exhibits a characteristic of “initial suppression followed by sudden outburst”. The dip angle of bedding induces mechanical anisotropy through stress decomposition and shear effects, with the anisotropy coefficient of elastic modulus peaking at specific inclination angles. The peak strength generally increases with the rise of the dip angle, while a sharp strength reduction occurs at moderate inclination angles. The failure mode changes significantly with the variation of the dip angle, showing distinct differences between conditions of vertical and parallel bedding. It is concluded that a dynamic coupling mechanism exists between homogeneity and bedding structure. Under moderate homogeneity, interfacial shear stress concentration triggers local progressive failure, and the mechanical barriers formed by the enrichment of hard minerals intensify interfacial stress concentration, leading to a sudden transition in failure mode at the critical homogeneity threshold. The research findings provide a theoretical basis for stability assessment and support design in coal rock engineering.

Graphical abstract

关键词

均质度 / 层理倾角 / Weibull-RFPA模型 / 声发射能量 / 各向异性 / 单轴压缩

Key words

heterogeneity / bedding inclination angle / Weibull-RFPA model / acoustic emission energy / anisotropy / uniaxial compression

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安静宇, 邬忠虎, 王文涛, 张荣华, 王志伟, 刘金源, 王瑶, 卢波. 非均质性对含层理煤岩破坏特征影响[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(13): 5446-5460 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2503901

AN Jing-yu, WU Zhong-hu, WANG Wen-tao, ZHANG Rong-hua, WANG Zhi-wei, LIU Jin-yuan, WANG Yao, LU Bo. Influence of Heterogeneity on Failure Characteristics of Stratified Coal Rock[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(13): 5446-5460 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2503901

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中国深部煤层气资源丰富,勘探开发潜力巨大^[1],近年来,中国煤层气勘探开发在理论与技术上取得重要进展^[2-3]。大宁-吉县区块吉深14-5平02井自投产以来,单井累计产气2.6×10⁷ m³,目前日产气量仍保持在4.3×10⁴ m³以上^[4];鄂尔多斯盆地东缘大宁-吉县区块直井和水平井单日产气量分别突破2×10⁴ m³和10×10⁴ m³^[5];鄂尔多斯盆地延川南区块开发井33口,建成产能1.44×10⁸ m³, 其中定向井单井稳定日产气量超过1×10⁴ m³, 水平井单井稳定日产气量 (2.5~ 6.0)×10⁴ m³^[6]。这些成果标志着中国深部煤层气开发已进入规模化、高效化发展的新阶段,为非常规天然气增储上产提供了重要支撑。

自然界中的煤岩是颗粒材料,而颗粒的尺寸、弹性模量和强度等性质的不同让岩石具备非均质性,且内部含有大量层理面,进一步提高了其力学特性的不均匀性^[7-9]。力学特征是影响煤岩破坏模式的主要控制因素,由于其力学特征不均匀性,在宏观破坏过程中,裂缝扩展表现出强烈的随机性^[10-15]。这种复杂的非均质性在煤炭开采、地下工程等领域,对煤岩稳定性和工程安全性影响巨大,准确把握其破坏特征意义重大。尤其在深部煤层气勘探开发中,煤岩的非均质性对压裂裂缝的扩展形态和储层改造效果具有显著影响^[16]。

由于物理实验难以对岩石的均质度进行量化表征,因此针对岩石非均质性的研究,通常采用数值模拟方法。赵凯丽等^[17]采用嵌入式离散裂缝方法实现了水平井压裂模拟与产能预测的一体化,为复杂裂缝网络的数值模拟提供了有效手段。Pan等^[18]通过水泥灌浆砂样的破坏应力分布实验发现,Weibull分布的m取值与材料细观强度的空间均匀性显著相关,材料均质性会放大结构面对裂纹扩展的定向调控效应。Tang等^[19]提出基于纵波速度(V_p)和横波速度(V_s)构建非均质地质力学参数场的workflow,通过M-ANNIE2模型和修正Kozeny-Carmen模型,从声波测井数据推导弹性模量、渗透率等参数,为数值模拟提供细观非均质输入,减小模拟误差。Liu等^[20]利用R-T^2D模型结合Weibull分布,模拟非均质花岗岩单轴压缩破坏过程,证实了统计模型在预测应力-应变曲线、裂纹扩展路径及能量释放特征方面的可靠性。Fan等^[21]通过耦合模型发现,均质度影响煤岩渗透率各向异性及能量释放模式。低均质度时渗透率对应力敏感,能量释放离散;高均质度时能量集中释放。王康宇等^[22]建立UDEC-Tri非均质模型,发现随着岩石弹性模量的非均质性增加,岩石的应力-应变曲线非线性特性明显增强。胡小川等^[23]基于块体离散单元数值模拟方法(UDEC-GBM),发现解理倾角对岩石的弹性模量、单轴压缩强度及峰后脆延等力学特征有显著影响。唐欣薇等^[24]在常规Weibull分布模型中引入空间关联函数,进一步改进Weibull分布,使其更加符合真实岩石细观力学分布情况。He等^[25]研究发现,Weibull分布模型可以很好地模拟水力压裂在岩石传播、扩展,模型具有不同的均质度,模拟结果更加真实可靠。Yan等^[26]通过开发新的非均质性指数,深入探讨了非均质性对页岩力学行为的影响。

尽管已有研究对非均质性或层理倾角的单独影响进行了深入探讨,但二者耦合作用对煤岩破坏特征的调控机制仍存在显著空白。例如,Fan等^[21]基于渗透率各向异性模型,揭示了均质度对能量释放模式的影响,但未涉及层理倾角对裂纹扩展路径的定向调控;Li等^[27]通过PHF-LSM模型分析了非均质岩石水力压裂行为,但其模型假设层理面力学性质均匀,忽略了层理-基质界面矿物富集的局部屏障效应。许晨航等^[28]系统研究了泥页岩成岩演化阶段与超压发育的关系,明确了机械与化学压实作用对岩石孔隙结构和物理响应的控制,但未考虑宏观层理构造的影响。因此,现基于岩石破裂过程分析系统(rock failure process analysis,RFPA)构建含层理的非均质煤岩模型,系统探讨均质度与层理倾角的动态耦合机制,特别聚焦于二者共同控制下裂纹萌生与扩展机制、能量演化与释放特征,以及从分散随机破坏到沿面定向贯通模式突变的临界条件,以期为煤岩工程稳定性评估提供更精确的理论工具。

1 煤岩RFPA数值模拟

1.1 RFPA基本原理

在微观尺度下,煤岩单元在初始加载阶段表现为弹性体,其应力-应变关系呈现线性特征,当应力达到损伤阈值时,单元力学性质开始发生变化,由于煤岩的抗拉强度显著低于抗压强度,在压缩、拉伸或剪切作用下会优先发生拉伸破坏,如式(1)所示^[29]。当单元应力状态达到临界条件时,若剪切应力超过材料剪切强度,则将引发剪切破坏,如式(2)所示。

(1) F₁=σ₁-f_t0=0

(2)F₂=-σ₃-$\frac{1+\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathit{\varphi }}{1-\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathit{\varphi }}$σ₁-f_c0=0

式中:F₁(拉伸损伤准则)和F₂(剪切损伤准则)为损伤阈值函数;σ₁和σ₃分别为最大和最小主应力;f_t0为材料的单轴抗拉强度;f_c0为页岩的单轴抗压强度;ϕ为内摩擦角。

基于弹性-脆性损伤理论描述材料力学行为,并引入残余强度表征破坏后力学响应。单元在达到损伤阈值前保持线弹性特征,选择最大压缩应力(或应变)准则和莫尔-库仑准则作为损伤阈值,当压缩应力(或应变)满足强度准则时,单元开始累积损伤,随着损伤的发展,单元的弹性模量逐渐降低,受损元件的本构关系表示如式(3)所示^[30]。

(3) σ=Eε=E₀(1-D)ε

式(3)中:E₀为初始弹性模量;E为损伤后弹性模量;D为损伤变量。损伤变量的物理意义表征如下:D=0为完整无损状态;0<D<1为渐进损伤过程;D=1为理论上完全失效^[24]。

单轴压缩状态下,微观单元的最大压缩应力(应变)准则的本构关系如图1所示。

相应的损伤变量表达式为

(4)D=$\left\{\begin{array}{ll}\mathrm{ }0,& \mathit{\epsilon }>{\mathit{\epsilon }}_{\mathrm{t}0}\\ 1-\frac{{\mathit{\sigma }}_{\mathrm{t}\mathrm{r}}}{\mathit{\epsilon }{\mathit{E}}_{0}},& {\mathit{\epsilon }}_{\mathrm{t}0}>\mathit{\epsilon }>{\mathit{\epsilon }}_{\mathrm{t}\mathrm{u}}\\ 1,& \mathit{\epsilon }<{\mathit{\epsilon }}_{\mathrm{t}\mathrm{u}}\end{array}\right.$

式(4)中:σ_tr为单元的残余抗压强度;σ_tr=ξσ_t0,其中σ_t0为单元的极限抗压强度,ξ为残余抗压强度系数,并且0<ξ<1;ε_t0为对应单元在弹性极限处的压缩应变,这是压缩损伤的应变阈值;ε_tu为单元的极限压缩应变,在此时,单元完全破坏,ε_tu=ηε_t0,η为极限压缩应变系数^[31]。

以弹性损伤理论推导的应力-应变关系为

(5)σ_ij=$\left\{\begin{array}{ll}2\mathit{G}{\mathit{\epsilon }}_{\mathit{i}\mathit{j}}+\mathit{\lambda }{\mathit{\delta }}_{\mathit{i}\mathit{j}}{\mathit{\epsilon }}_{\mathit{k}\mathit{k}},& \overline{\mathit{\epsilon }}>{\mathit{\epsilon }}_{\mathrm{t}0}\\ \frac{{\mathit{\sigma }}_{\mathit{r}\mathit{t}}}{\overline{\mathit{\epsilon }}{\mathit{E}}_{0}}(2\mathit{G}{\mathit{\epsilon }}_{\mathit{i}\mathit{j}}+\mathit{\lambda }{\mathit{\delta }}_{\mathit{i}\mathit{j}}{\mathit{\epsilon }}_{\mathit{k}\mathit{k}})=\frac{{\mathit{\sigma }}_{\mathit{r}\mathit{t}}}{\overline{\mathit{\epsilon }}}[\frac{{\mathit{\epsilon }}_{\mathit{i}\mathit{j}}}{1+\mathit{\nu }}+& \\ \mathit{　}\mathit{　}\frac{{\mathit{\delta }}_{\mathit{i}\mathit{j}}{\mathit{\epsilon }}_{\mathit{k}\mathit{k}}}{(1+\mathit{\nu })(1-2\mathit{\nu })}],& {\mathit{\epsilon }}_{\mathrm{t}0}\ge \overline{\mathit{\epsilon }}\ge {\mathit{\epsilon }}_{\mathrm{t}\mathrm{u}}\\ 0,& \overline{\mathit{\epsilon }}<{\mathit{\epsilon }}_{\mathrm{t}\mathrm{u}}\end{array}\right.$

(6)G=$\frac{{\mathit{E}}_{0}}{2(1+\mathit{\nu })}$

(7)λ=$\frac{{\mathit{E}}_{0}\mathit{\nu }}{(1+\mathit{\nu })(1-2\mathit{\nu })}$

式中:σ_ij为应力张量分量,i,j=1,2,3;ε_ij为应变张量分量;ε_kk为体积应变;δ_ij为张量运算简化符号;G为材料的剪切模量;ν为材料的泊松比;λ为残差系数;当i=j时,σ_ij=1,否则,σ_ij=0。

1.2 煤岩材料数值模型的建立与参数校验

基于RFPA^2D数值模拟软件,建立考虑层理构造的煤岩数值模型(50 mm×100 mm,网格100×200),采用两种力学性质不同的介质模拟煤岩层理结构,确保层间紧密结合。模型引入Weibull分布函数表征材料细观力学参数的非均匀性,其中均质度系数m作为关键参数控制材料均匀程度(m越大均质度越高),从而建立细观参数与宏观力学行为的关联关系。根据拟合公式^[32]对弹性模量和强度进行初步的筛选,表达式为

(8)$\frac{{\mathit{f}}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{c}\mathrm{r}\mathrm{o}}}{{\mathit{f}}_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{c}\mathrm{r}\mathrm{o}}}$=0.260 2lnm+0.023 3, 1.1≤m≤50

(9)$\frac{{\mathit{E}}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{c}\mathrm{r}\mathrm{o}}}{{\mathit{E}}_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{c}\mathrm{r}\mathrm{o}}}$=0.141 2lnm+0.647 6, 1.1≤m≤10

式中:f_micro和E_micro分别为Weibull分布赋值时(数值计算输入值)强度和弹性模量的细观均值;f_macro和E_macro分别为数值试样宏观的强度和弹性模量^[33]。

图2为不同的标准圆柱煤岩试件,图3为煤岩的扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)图像,揭示了其微观结构特征,图4则对比了不同煤岩试样在单轴压缩下的应力-应变曲线。根据煤岩单轴压缩实验结合SEM电镜扫描结果可以发现,均质度差异对煤岩物理力学性质影响较大。结合多组试样在单轴压缩作用下所测的宏观弹性模量和强度均值,将m=1.1代入式(8)、式(9)中可以得到数值试样中的细观弹性模量和强度。

假定介质1的细观弹性模量和强度是另一种介质2(弱介质)的2倍。那么细观弹性模量为2 828 MPa,细观强度为52.32 MPa。其他力学参数如表1、表2所示。

建立0°、30°、45°、60°、90°的层理角度,煤岩试件的直径为50 mm,高度为100 mm,网格划分为100×200个单元,介质1为煤岩基质,介质2为层理。由于研究目的是层理面倾斜效应的影响,因此利用单轴压缩来模拟实验室中的加载方案,加载过程中采用恒位移控制加载法,轴向压缩位移初始值为0.001 mm,每步加载位移量为ΔS=0.003 mm^[33]。模型加载示意如图5所示。

1.3 Weibull分布与煤岩均质度特征

1.3.1 Weibull分布

在该数值模型中假设岩层强度和弹性模量服从Weibull分布,表达式为

(10)ϕ(α)=$\frac{\mathit{m}}{{\mathit{\alpha }}_{0}}{\left(\frac{\mathit{\alpha }}{{\mathit{\alpha }}_{0}}\right)}^{\mathit{m}-1}$exp$\left[-{\left(\frac{\mathit{\alpha }}{{\mathit{\alpha }}_{0}}\right)}^{\mathit{m}}\right]$

式(10)中:α为微观单元的力学性质参数;ϕ(α)为微观单元力学性质α的统计分布密度;α₀为微观单元力学性质的平均值;m为均质度系数,为影响数值试样宏观响应的重要参数。m和α₀必须根据煤岩的实际宏观强度来决定^[29]。

Weibull分布如图6所示,根据所测得抗压强度平均值,将α₀设置为16.062 5,从图6中可以看出,随均质度增大,曲线越向α₀=16.062 5集中,其中m=1.1时偏移最大,整体偏向α₀=16.062 5左侧,集中度最低。

1.3.2 煤岩均质度特征

设置均质度m=1.1、3、5、7,不同均质度煤岩弹性模量分布如图7所示,随着均质度m的增大,弹性模量分布范围呈现明显的收缩趋势。当m=1.1时[图7(a)],弹性模量分布在0~16.32 GPa的较宽范围内;m增至3时[图7(b)],分布范围显著收缩至0~5.365 GPa,较m=1.1时缩减了10.955 GPa,这是各均质度变化中幅度最大的缩减;均质度提高至m=5[图7(c)]和m=7[图7(d)]时,分布范围分别进一步缩小至0~4.146 GPa和0~3.713 GPa。

2 试验结果分析

2.1 应力-应变曲线特征

基于数值模拟结果,图8~图11展示了不同均质度(m=1.1、3、5、7)和层理倾角(0°、30°、45°、60°、90°)条件下试件的应力-应变曲线、声发射(acoustic emission, AE)累计计数及AE能量变化特征。根据曲线特征分析,可将试件的力学响应过程划分为4个典型阶段。

(1)弹性变形阶段:在初始加载期,应力-应变呈现良好的线性关系,表明煤岩基质与层理结构协同承载。此时声发射信号平稳,AE能量释放微弱,反映试件内部仅发生可忽略的微损伤。

(2)非线性强化阶段:随着荷载增加,应力-应变曲线呈现显著的上凸非线性特征。声发射累计计数曲线转为上凹形态,AE能量释放频率和强度明显提升,说明煤岩内部开始产生不可逆损伤,但主要能量仍以弹性应变能形式储存。

(3)峰值破坏阶段:达到强度极限后,应力骤降伴随声发射计数和AE能量同时达到峰值,表明试件发生宏观破裂,储存的弹性应变能快速释放,形成明显的应力跌落现象。

(4)残余承载阶段:完全破坏后,试件仅保持残余强度。此时应力维持低值而应变持续增长,声发射活动趋于平稳,反映煤岩已丧失储能能力,能量主要通过塑性变形耗散。

2.2 煤岩强度分析

根据2.1节的应力应变曲线,将其按层理倾角分组,峰值强度随均质度变化曲线如图12所示。

由图12可知,煤岩峰值强度受均质度m与层理倾角的协同调控呈现非线性演化特征。整体趋势显示,随着均质度从1.1增至7,不同倾角煤岩的峰值强度普遍提升,但局部存在显著异变:45°倾角在m=5时强度骤降25.38%,从19.7 MPa降至14.7 MPa;而90°倾角强度增幅达21.44%,从34.5 MPa增至41.9 MPa。这种非线性源于层理-基质界面应力分布的动态重构,即高均质度下,层理倾角通过调控主应力分解方向(垂直/剪切分量比例),显著改变裂纹扩展路径选择机制。例如,45°倾角煤岩在m=5时,层理面与主应力方向形成临界夹角,引发局部渐进式破坏。

煤岩强度的非线性响应揭示了均质度与层理倾角的动态耦合机制。Tien等^[35]通过实验研究层状岩石的强度各向异性,发现45°倾角附近的强度最低值(即“U”形分布规律),这与本文研究中45°倾角煤岩在m=5时强度骤降的现象一致。其研究指出,当层理倾角接近45°时,界面剪切滑移与基质张拉破坏的竞争效应达到动态平衡,导致强度对均质度变化的敏感性显著增强。这一机制为本文研究观察到的临界均质度(m=5)下的强度突变提供了实验支持。Zhang等^[36]基于颗粒有限-离散元模型的研究表明,非均质岩石的损伤演化与细观力学参数的统计分布密切相关。该研究通过巴西劈裂试验证实,高均质度条件下基质与层理介质的刚度差异会形成连续应力传递路径,这与本文研究中90°倾角强度激增的现象具有理论关联性,当均质度m≥5时,垂直层理方向的主应力分量因应力屏蔽效应被显著放大,促使裂纹扩展路径转向基质内部的张拉破坏模式,从而强化宏观强度的定向调控作用。

2.3 煤岩弹性模量分析

煤岩的弹性模量为2.1节应力-应变曲线的峰值强度前50%点所对应的斜率,将其按层理倾角分组,弹性模量随均质度变化如图13所示。

由图13可知,随着均质度从1.1增至7,煤岩弹性模量整体呈显著上升趋势,但不同层理倾角的增幅存在差异。例如,90°倾角煤岩弹性模量从1.83 GPa增至2.58 GPa(增幅40.98%),0°倾角煤岩则从1.25 GPa增至2.20 GPa(增幅76%)。这一现象与煤岩细观力学参数的分布特征密切相关:低均质度时,细观弹性模量分布范围广且离散性强,低刚度层理单元的随机分布导致应力传递效率低下,弹性变形能力较弱;高均质度时,细观弹性模量分布集中,基质与层理介质的刚度差异通过连续应力路径得以有序传递,与Yan等^[37]提出的“细观刚度连续性主导宏观弹性模量”理论一致,证实了均质度通过减少低刚度单元的随机干扰提升应力传递效率。

层理倾角通过改变应力传递路径显著影响弹性模量:0°倾角,低刚度层理介质沿加载方向形成“弱面链”,应力在层理界面易发生散射,导致弹性模量最低,这与Liu等^[38]通过修正Lade准则发现的“平行层理方向强度最低”结论一致,其模型预测该倾角下弹性模量受弱面刚度控制显著;90°倾角,高刚度基质单元在加载方向形成连续骨架,层理弱面效应被抑制,弹性模量在高均质度下显著提升;中等倾角(30°、45°、60°),弹性模量介于两者之间,反映层理与基质刚度差异在特定角度下的协同调控作用。

本文研究发现的弹性模量-倾角关系与Jamshidi等^[39]的超声波实验结果一致,其测得层状砂岩的动弹性模量在垂直层理方向比平行方向高15%~30%,与本文研究中90°与0°倾角的差值范围(16%~47%)趋势吻合。然而,本文模型进一步揭示了均质度的阈值效应,即当m<3时,弹性模量增幅随均质度提升显著(增幅范围14%~48%),而m≥3后增幅趋缓(增幅最大为12%),表明材料刚度均匀性存在优化上限。

2.4 煤岩声发射能量分析

低均质度时,声发射能量呈现高频低幅的离散波动,能量释放随机分布于整个加载过程,反映微裂纹随机萌生与无序扩展[图14(a)]。随着均质度提升至3,能量释放逐渐呈现阶段性集中,峰值频率降低但幅值显著增大[图14(b)]。高均质度(m=7)时,能量释放呈现“前期抑制-后期骤发”的显著特征,应变前期能量波动极小,后期则呈指数级增长直至破坏时骤降[图14(d)]。这表明均质度的提升促使煤岩从分散无序的微损伤向集中贯通的主破裂转变。

层理倾角对能量释放模式的影响同样显著。0°倾角时,能量释放相对平缓且集中于低值区域,表明层理面的弱面效应导致应力分散。90°倾角时,高均质度下能量峰值集中且幅值剧烈,主裂缝快速贯通引发能量骤发式释放[图14(d)]。中间倾角(30°~60°)的声发射特征则受均质度与层理倾角的双重调控,能量分布呈现复杂离散性。例如,45°倾角在m=5时因层理-基质界面应力集中,导致能量释放提前且幅值陡增,最终引发强度骤降。

本文研究揭示了均质度与层理倾角对煤岩能量释放的协同作用机制。低均质度下,煤岩内部缺陷主导能量耗散路径,与Zhang等^[40]在层理页岩水力压裂实验中观察到的声发射离散特征一致。高均质度时,层理结构对能量释放的定向调控作用增强,主裂缝沿薄弱界面快速扩展,与Shen等^[41]提出的垂直层理方向裂缝贯通速率的理论模型高度匹配。此外,90°倾角下能量骤发式释放与Wang等^[42]基于CT扫描的裂缝网络形成机制吻合,表明高均质度下基质连续性提升抑制了层间滑移,增强了能量集中释放效率。值得注意的是,中间倾角(如45°)的异常强度衰减现象可能与界面应力集中导致的局部失效有关。Lü等^[43]在层状砂岩三点弯曲试验中发现,斜交层理面会诱发剪切滑移与微裂纹汇聚,导致能量释放阶段性与集中性。本文研究通过数值模拟进一步证实,均质度升高至临界值(m=5)时,层理-基质界面应力集中效应被显著放大,最终引发主裂缝优先沿界面扩展。这一机制印证了Yin等^[44]基于GPD(general particle dynamics)模型的非均质岩石动态破坏模拟结果,表明非均质性与层理结构的耦合效应是控制煤岩破坏模式的核心因素。

2.5 各向异性分析

弹性模量各向异性系数(R_e)是为了更好地评估各向异性程度而提出来的,表达式为

(11)R_e=$\frac{{\mathit{E}}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}}{{\mathit{E}}_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}}$

式(11)中:R_e为弹性模量的各向异性系数;E_max和E_min分别为弹性模量的最大值和最小值。

为了定量描述层状煤岩的各向异性程度,引入了强度各向异性系数,表达式为

(12)R_c=$\frac{{\mathit{\sigma }}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}}{{\mathit{\sigma }}_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}}$

式(12)中:R_c为抗压强度的各向异性系数;σ_max和σ_min分别为抗压强度的最大值和最小值。

从图15中可以看出,随着均质度m从1.1增加到7,R_e的变化范围和波动幅度呈现增大趋势,在均质度m=3、倾角为60°时,弹性模量各向异性系数最大为1.53。在均质度较低(m=1.1)时,R_e变化相对平稳,煤岩弹性模量在不同倾角上的差异较小,各向异性特征不明显。而当均质度提高到5和7时,R_e数值变化范围扩大,波动加剧。与弹性模量各向异性系数(R_e)一样,抗压强度各向异性系数(R_c)也随着均质度的增加呈现出变化范围和波动幅度增大的特点。在均质度为1.1时,R_c变化较为平缓,不同方向的抗压强度差异较小。随着均质度升高到7,R_c的波动明显加剧,在不同方向上的抗压强度差异显著增大,各向异性特征更加突出。

由图16可知,弹性模量各向异性系数随层理倾角增加呈现先增加后减小的趋势,层理倾角为30°时,R_e最大为1.020,但总体上弹性模量的各向异性系数变化不大,在1左右浮动。抗压强度的各向异性系数随着层理倾角的增加而减小。而抗压强度的各向异性系数R_c随着层理倾角的增加呈现出减小的趋势,层理倾角为0°时,抗压强度各向异性系数最大。

如图15、图16所示,弹性模量各向异性系数(R_e)与抗压强度各向异性系数(R_c)随均质度增加呈现非线性波动。例如,均质度m=3时,60°倾角下R_e达到峰值,表明此时层理与基质刚度差异的协同效应最强。此外,R_c在低均质度时变化平缓,而在高均质度时显著波动,印证了Jamshidih等^[39]通过超声波实验发现的均质度阈值效应,即材料刚度均匀性超过临界值后,层理结构对强度各向异性的主导作用增强。

2.6 煤岩破坏模式分析

由图17~图20可知,数值模拟表明,均质度m通过调控煤岩细观力学参数的分布特征,显著影响破坏模式。低均质度时,煤岩内部缺陷随机分布占据主导地位,破坏呈现高度无序性,裂缝网络呈多向扩展且缺乏主控路径(图17)。这与Zhu等^[45]通过CT扫描非均质砂岩的破坏研究一致,其发现当m<3时,微裂纹萌生位置受矿物颗粒随机分布控制,宏观破坏面粗糙度增加40%~60%。当均质度提升至m=3时,层理面与基质非均质性产生协同效应,裂缝扩展呈现“折线形”特征(图18),与Yang等^[46]的层状页岩压裂实验相符,此时破坏模式从张拉主导转向剪切-张拉混合型。高均质度下,层理面力学屏障效应凸显,主裂缝沿薄弱界面快速贯通(图20)。

层理倾角通过改变应力分解方向与裂纹扩展路径选择机制,导致破坏模式呈现显著各向异性。0°倾角时,主裂缝沿层理面滑移扩展,破坏面平整,符合经典层状岩体滑移理论。当倾角增至30°~45°时,层理-基质界面剪切应力集中引发局部渐进破坏,Li等^[47]提及层状盐岩裂纹沿不同介质扩展时能量耗散特征存在差异,此时界面剪切作用主导的渐进破坏需消耗更多能量以克服层理与基质的协同阻力,与岩石破坏的能量不可逆耗散本质一致。值得注意的是,60°倾角煤岩表现出独特的“双模式破坏”:初始阶段沿层理面滑动,后期转为贯穿基质的张拉破坏,90°倾角时,主裂缝垂直层理快速贯通。

3 煤岩力学特性影响因素分析

3.1 非均质性与层理结构的耦合效应

煤岩的力学特性不仅受均质度和层理倾角的单独影响,更受二者耦合作用的控制。如Tang等^[19]在研究非均质岩石破坏时发现,微结构非均匀性会导致应力场重新分布,进而改变宏观破坏模式。本文研究进一步表明,在层理构造存在的情况下,这种效应更为复杂。

(1)低均质度下的随机破坏主导。煤岩内部细观力学参数(弹性模量、强度)的离散分布[图7(a)]导致应力场高度异质化,层理面的定向性作用被掩盖。破坏模式以多向微裂纹随机扩展为主(图17),与Basu等^[12]对非层理岩石的破坏特征描述一致。此时,弹性模量各向异性系数(R_e)和抗压强度各向异性系数(R_c)均较低,表明材料非均质性主导力学响应,层理倾角的调控作用有限。

(2)中等均质度(m=3,5)的协同效应。随着均质度提升,层理面与基质非均质性共同调控应力传递路径。弹性模量各向异性系数在60°倾角时达到峰值(R_e=1.53,图15),表明层理倾角与基质刚度差异的协同作用显著增强。此时,裂缝扩展呈现“折线形”特征(图18),与Yang等^[46]对层状页岩压裂实验中剪切-张拉混合破坏模式的观察相符。此外,45°倾角煤岩在m=5时因层理-基质界面剪应力集中(图19),触发局部渐进破坏并导致强度骤降,验证了Tien等^[35]提出的“U”形强度各向异性规律。

(3)高均质度下的层理控制效应。高均质度下,材料细观参数分布趋于集中,层理面的力学屏障效应凸显。主裂缝优先沿薄弱界面贯通(图20),破坏模式呈现显著方向性。例如,90°倾角煤岩因垂直层理方向的连续应力传递路径,弹性模量增幅达40.98%(图13),抗压强度较其他倾角提高21.44%(图12),表明层理结构对高均质度煤岩的破坏路径具有定向调控作用。

(4)界面矿物富集的力学屏障作用。Xie等^[48]通过CT扫描发现,方解石等硬矿物在层理面的富集会形成局部高刚度区,阻碍裂纹跨层扩展。本文研究模拟结果显示,当层理倾角为30°~45°时,界面应力集中效应最显著,导致临界均质度(m=5)下强度异常下降。这一现象与Lü等^[43]在层状砂岩三点弯曲试验中观察到的剪切滑移诱导微裂纹汇聚机制相呼应,揭示了非均质性与层理矿物分布的耦合效应。

3.2 细观力学机制

微观结构特征对宏观力学响应具有决定性作用。基于RFPA建立非质含层理煤岩模型,可以从细观尺度揭示影响机制。

(1)弹性模量演化机制。弹性模量的各向异性源于细观刚度分布的定向调控。当层理倾角为90°时,高刚度基质单元形成连续应力传递路径,显著提升整体弹性模量;而0°倾角下低刚度层理单元形成“弱面链”,导致弹性模量降低。

(2)强度非线性响应机制。峰值强度的非线性演化受层理倾角与应力分量分解的协同控制。例如,均质度为5的煤岩层理倾角为60°时,主应力方向与层理面形成临界夹角,剪应力分量占比最大,触发界面滑移与基质张拉破坏的竞争效应,导致强度骤降。Zhang等^[36]基于颗粒有限-离散元模型的研究表明,此类倾角下细观刚度差异会显著放大界面应力集中,解释了强度骤降的现象。

(3)能量耗散特征。低均质度时,微裂纹随机萌生导致能量离散释放,与Zhang等^[40]在页岩水力压裂实验中的声发射离散特征一致。高均质度时,主裂缝沿层理面快速贯通,能量释放呈现“前期抑制-后期骤发”特征,符合Shen等^[41]提出的垂直层理裂缝贯通速率模型。

4 结论

基于RFPA建立非均质含层理煤岩模型,系统探究了均质度与层理倾角对煤岩破坏特征的耦合作用机制,主要结论如下。

(1)通过构建尺寸为50 mm×100 mm、网格划分为100×200单元的煤岩数值模型,并设定两种力学性质差异的介质模拟层理构造,验证了该模型在煤岩破坏模拟中的可靠性。模型成功复现了煤岩单轴压缩下的典型力学行为,包括弹性阶段、非线性阶段、破坏阶段和稳定阶段,表明模型能够准确表征煤岩的非均质特性与层理结构效应。

(2)低均质度下,材料细观力学参数高度离散,破坏以随机微裂纹扩展为主,声发射能量呈现高频低幅的离散特征,抗压强度各向异性系数(R_c)与弹性模量各向异性系数(R_e)均较低,表明非均质性主导力学响应。高均质度下,细观参数分布集中,主裂缝沿层理薄弱界面快速贯通,能量释放呈现“前期抑制-后期骤发”特征。垂直层理方向的弹性模量增幅达40.98%,抗压强度较其他倾角提高21.44%,表明高均质度下层理结构对破坏路径具有定向调控作用。

(3)弹性模量各向异性系数(R_e)在60°倾角时达到峰值,峰值强度随层理倾角增大总体呈上升趋势,45°倾角下存在强度骤降的现象。破坏模式随倾角显著变化,0°倾角时整体坍塌,30°倾角为局部渐进破坏,45°倾角呈块状剥落与坍塌结合,60°倾角沿层理滑动失稳,90°倾角主裂缝垂直层理快速贯通。

研究结果可为煤炭开采与地下工程中煤岩稳定性评估提供理论依据,未来可进一步探究多物理场(如渗流-应力-损伤)耦合条件下煤岩的破坏特征,并拓展三维模型以更真实地反映层理结构的空间分布效应。

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基金资助

国家自然科学基金(52464004)

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2025-05-26	2026-05-08	2025-11-28
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2026-08-06

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