破碎的岩块几何形态会影响塌陷区压实过程中的力学响应和流体流动特性

《Powder Technology》：Fragmented rock block geometry affecting mechanical responses and fluid flow characteristics during compaction of caving zones

地下开采采空区中破碎岩石的几何形态对力学响应和流体渗透性影响研究。通过数值模拟分析三种不同几何形状（圆形、轻度多边形、尖锐多边形）破碎岩石的应力-应变特性、破碎率及孔隙结构演化规律，发现尖锐多边形岩石因应力集中效应导致更高的破碎率和孔隙率下降速度，同时其复杂孔隙结构显著增加流体流动阻力，渗透率降低最明显。研究表明岩石块形态直接影响采空区压实特性和流体传输能力，为气体迁移和储水潜力评估提供理论依据。

　　在地下采矿过程中，破碎岩体的几何形态对采矿废墟区（goaf）的机械响应和流体流动特性具有深远影响。本文通过数值模拟的方法，系统研究了不同破碎岩块几何形状对废墟区压缩变形、断裂行为以及流体渗透性变化的机制。研究的目的是为了更好地理解采矿废墟区的物理特性，从而为优化气体排放策略、评估废墟区的水储存潜力以及利用地下空间进行能源生产和储存提供理论依据。

### 破碎岩体的机械响应

在废墟区中，随着采矿作业的推进，上覆岩层逐渐塌陷，形成复杂的破碎岩体结构。这些破碎岩体的几何形状直接影响其在压缩过程中的力学行为。例如，圆角岩石在压缩过程中表现出较高的刚度，能够有效抵抗初始变形，而尖角岩石则因较大的孔隙空间和更高的应力集中效应，在压缩初期更容易发生断裂和重组。通过比较三种不同几何形状的岩石模型，研究人员发现，尖角岩石在压缩过程中表现出更强的变形能力，导致更高的断裂率和更快的孔隙度降低。相比之下，圆角岩石由于其较为均匀的形状和稳定的堆积方式，能够维持较高的初始孔隙度，并且在压缩过程中表现出较慢的孔隙度下降趋势。

在模拟过程中，研究人员使用了离散元方法（DEM）来构建岩石模型，并结合了实验数据进行校准。通过调整岩石的几何参数，例如顶点数量和角度的不规则性，研究人员能够生成不同形状的岩石模型。这些模型在压缩过程中表现出不同的应力-应变曲线，其中圆角岩石模型的应力-应变曲线最为陡峭，表明其在压缩过程中具有更高的抗压强度。而尖角岩石模型的应力-应变曲线则较为平缓，显示出更高的可压缩性。这些差异反映了岩石几何形状对压缩行为的深刻影响，同时也为理解废墟区的结构演化提供了重要线索。

此外，研究人员还分析了岩石断裂行为对孔隙度和渗透性的影响。在压缩过程中，岩石的断裂会导致孔隙结构的重新排列，从而改变其整体的流体流动特性。通过使用Savitzky–Golay平滑方法，研究人员能够去除高频率的应力波动，从而更清晰地观察岩石的整体压缩趋势。结果显示，圆角岩石模型在压缩过程中表现出较强的稳定性，而尖角岩石模型则更容易发生断裂和重组，最终形成更加致密的岩石结构。

### 流体流动特性

岩石的破碎形态不仅影响其机械性能，还对废墟区的流体流动特性产生重要影响。流体（如气体和水）在废墟区的流动主要依赖于孔隙结构的连通性和复杂性。研究人员通过将DEM模型的孔隙结构导入流体动力学模块，模拟了废墟区的渗透性变化。结果表明，岩石几何形状的复杂性会显著增加孔隙路径的曲折度，从而导致更高的流体流动阻力和更低的渗透性。具体而言，尖角岩石模型的孔隙路径更为曲折，使得流体流动更加困难，而圆角岩石模型则能够维持相对均匀的孔隙分布，减少流体流动的阻力。

在流体流动模拟中，研究人员采用了层流模型，并结合了Darcy定律进行渗透性计算。通过对不同应力条件下的流体流动路径进行可视化分析，研究人员发现，随着压缩应力的增加，岩石的孔隙结构逐渐变得更加致密，流体流动的路径也随之变短和变直。这表明，在高应力条件下，废墟区的渗透性会显著降低，从而影响气体和水的迁移能力。例如，在低应力条件下，流体流动路径较为宽广，流体能够较为顺畅地通过废墟区。而在高应力条件下，流体流动路径变得更加狭窄和复杂，导致渗透性下降，甚至形成局部的气体滞留区，增加潜在的安全风险。

### 采矿废墟区的工程意义

本文的研究成果对采矿废墟区的工程应用具有重要的指导意义。首先，它为优化气体排放策略提供了理论支持。由于尖角岩石模型在压缩过程中更容易发生断裂，导致孔隙结构的不规则性增加，这种特性可能会促进气体的快速迁移，但也可能在某些区域形成气体滞留，增加瓦斯爆炸和自燃的风险。因此，在设计气体排放系统时，需要充分考虑岩石几何形状对气体流动路径和渗透性的影响，以确保气体能够有效排出，避免安全隐患。

其次，本文的研究有助于评估废墟区的水储存潜力。废墟区的高孔隙度和良好的连通性使得其成为理想的水储存场所。然而，随着压缩应力的增加，孔隙度和渗透性会逐渐下降，这可能会影响水的储存和释放效率。因此，在利用废墟区进行水储存时，需要结合其压缩特性和孔隙演化过程，以确定最佳的储水条件和释放策略。

此外，研究还表明，岩石的几何形状对废墟区的稳定性具有重要影响。在高应力条件下，尖角岩石更容易发生断裂和重组，从而导致废墟区的结构更加致密，提高其稳定性。相比之下，圆角岩石在压缩过程中表现出较强的抗压能力，能够维持较高的孔隙度，但其结构可能不够紧密，容易发生局部塌陷。因此，在评估废墟区的稳定性时，需要综合考虑其几何形状和压缩行为，以确保采矿安全和后续工程应用的可行性。

### 未来研究方向

尽管本文的研究取得了重要进展，但仍然存在一些局限性。例如，岩石形状的模拟范围有限，未能完全反映自然断裂的多样性。此外，流体动力学分析中未考虑固体-流体之间的相互作用，简化了模型。因此，未来的研究应进一步扩展岩石形状的模拟范围，引入更复杂的岩石断裂模型，并结合固体-流体耦合效应，以提高模拟的准确性和全面性。

通过结合离散元方法（DEM）和有限元方法（FEM），本文为理解采矿废墟区的机械响应和流体流动特性提供了新的视角。研究结果表明，岩石的几何形状是影响废墟区压缩行为和流体渗透性的关键因素。未来的研究可以进一步探索不同岩石类型和几何形态对废墟区性能的影响，从而为采矿工程的安全管理和资源再利用提供更全面的理论支持。