流固耦合作用下煤岩损伤破坏特性研究进展

韩毅　万永斌　施勇　肖专

摘 要：流固耦合作用存在于煤岩体成岩和改造的整个过程，随着煤矿开采深度的增加，地应力呈非线性增加趋势，流固耦合作用下的煤岩损伤破坏特性日益受到关注。文章详细介绍了矿业工程领域中流固耦合作用的科学与技术问题，进而论述应力场、渗流场的耦合作用下煤岩损伤破坏特征。

关键词：流固耦合;煤岩体;损伤破坏

1 绪论

深部开采诱发矿井动力灾害增多的根源在于煤岩体并非孤立存在于自然界。因此，势必受到特定开采环境中应力场、渗流场等不同场的耦合作用;而随着开采深度的增加，进入深部高应力环境，矿井动力灾害的诱因转变为由近场集中静应力场的积聚和远场集中动应力场的扰动共同作用。

2 应力场引起的煤岩损伤破坏特性

2.1 煤矿井下应力场类型及相互作用

煤矿井下应力场一般指原岩应力场与采动应力场，康红普等基于原岩应力场与采动应力场，提出了支护应力场的概念，即支护在围岩中产生的应力场与在支护体内部产生的应力场，并指出3种应力场构成了煤矿井下综合应力场。

2.2 应力场对煤岩破裂特性的影响

（1）高地应力作用下围岩损伤破坏特性。地应力是煤矿开采等地下工程围岩变形与破坏的根本驱动力，其大小和方向显著影响到巷道围岩的稳定性。

围岩损伤破坏是自重应力和构造应力复合应力场卸荷作用的结果。复杂环境下围岩局部化变形演化规律发现复杂岩体破裂与变形经历振荡-沉寂后，极有可能会出现持久性破坏。研究结果表明裂隙张开度从巷道表面向深部呈现减小的趋势。对于高应力巷道围岩的弹塑性变形，通过现场监测和模型试验，开展了含瓦斯煤岩耦合弹塑性损伤本构模型研究。许多学者通过物理试验或数值模拟对高应力状态下煤岩流变、蠕变特性进行研究，对井巷的失稳风险预测及稳定控制提供理论依据。

（2）采动应力作用下围岩损伤破坏特性。开采、掘进、爆破等过程中的扰动，将煤岩原岩应力平衡状态打破，由此引起煤岩体内应力重新分布，促使围岩裂纹（裂隙）不断萌生、扩展和贯通，进而导致损伤和破坏。

目前，以各种研制的动静组合加载实验装置开展一维、三维动静组合加载下的岩石力学特性试验研究，利用细观力学、断裂力学以及损伤力学等现代理论对岩石断裂破坏机理进行理论和数值分析，建立起了一系列能反映岩体在加载条件下发生变形破坏的理论，并把这些理论应用到了工程实际之中。在采动煤岩体的卸压致裂特性及卸压变形方面，通过物理实验、数值模拟试验研究，利用断裂力学、分形几何理论等分析煤岩的卸荷损伤破坏形式及其与卸荷路径和自身组构的关系，揭示煤岩体的卸荷破坏宏、细观机理，对煤矿井下巷道、采场支护设计和围岩稳定性判定等有着重要工程实践意义。在针对岩石微细观裂纹演化、破坏监测技术方面，利用X射线衍射分析法、显微CT技术、微震监测技术及较为活跃的声发射（AE）等现代先进探测技术取得了很多成果，为现场围岩稳定性及动力灾害监测预报提供理论依据和方法。

（3）支护应力场对围岩损伤破坏特性影响。支护应力场出现在与支护体接触的围岩周围及支护体内部，它在空间分布上范围較小，而且随着采掘活动的进行与时间的推移发生变化。煤矿井下不同地段支护形式不尽相同，如锚杆支护、喷射混凝土、砌碹等巷道支护，单体支柱、液压支架等采场支护，各种支护形式与围岩相互作用都可在煤岩体内产生各自特点的支护应力场。

3 流固耦合作用的煤岩损伤破坏特性

3.1 煤与瓦斯耦合作用的研究

耦合作用的研究目前主要集中在通过物理实验或数值模拟建立渗透系数与应力应变之间的关系方程上。渗流场与应力场耦合作用是一个相对复杂的动态作用过程，对其进行定量分析研究时就涉及到简化耦合作用过程。

在煤岩体与瓦斯相互作用试验研究方面，开展了含瓦斯型煤试件的全应力–应变过程瓦斯渗透特性变化规律的试验研究，指出瓦斯渗透率随围压增大而减小;进行卸围压（卸载）条件下的煤体力学性质和瓦斯渗透性方面的研究时均发现渗透率的变化与煤岩的损伤变形密切相关;深入探讨各种不同应力路径下含瓦斯煤渗透性的控制机制和变化规律，结果表明应力路径对含瓦斯煤的渗透率有重要影响。

3.2 煤矿突水的流-固耦合作用研究

煤矿开采过程中含水层、老空水、岩溶陷落柱、断层等都有可能成为突水水源或突水通道，在隐伏陷落柱探测与防治、煤层底板测试与突水预测预报、浅层帷幕截流和控制疏水技术方面，研究取得了一定的突破，提出了突水系数法、突水临界指数法、突水优势面理论、底板突水的动力信息理论及岩–水应力关系说等突水判据和理论，形成了包括防水煤岩柱留设、双降采煤及底板注浆等突水防治方法。然而，上述研究把岩体和水分开研究，不能解释涌水量和岩层破坏程度的关系，实际上是没能考虑渗流与破坏的相互作用。因此，从应力场与渗流场共同作用方面研究突水规律，将更与实际相吻合。

4 结语

开展多场耦合作用下煤岩损伤破坏特性的研究，不仅对揭示煤岩体的力学行为及其破坏失稳的力学机理，完善和发展岩体损伤力学、断裂力学等均具有丰富的理论内涵和学术价值，而且对矿业工程发展具有极其丰富的科学、技术与工程意义。然而，由于开展煤岩多场耦合作用研究的复杂性和艰巨性，已有的研究成果离工程应用也有较大的距离。因此，煤矿工作者们仍需开拓视野，勇于创新，从而为煤矿安全高效开采作出更全面而深入的研究和探讨。

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