基于位错与能量理论的动静载煤体孔隙-宏观破裂演化机制及其对煤层气增产的启示

本刊推荐：本研究采用分离式霍普金森压杆(SHPK)系统，揭示了动静载耦合作用下煤样动态力学特性与裂隙形态演化规律。通过低温氮吸附实验表征孔隙结构变化，结合能量耗散与位错理论阐明宏观破裂机制，为深部煤层气(CBM)储层动态增渗提供了理论支撑。

　　

Highlight

基于位错与能量理论的动静载煤样从微孔演化到宏观破坏研究

动力学特性

动静载联合作用下煤样的动态应力-应变曲线如图2所示。值得注意的是，整体上此类条件下的应力-应变曲线并未出现压实阶段。当煤样应变水平较低时，应力随应变增加呈线性增长。然而随着应变持续增加，动态应力-应变曲线的斜率逐渐下降。当应力超过峰值后...

基于位错理论的孔隙演化

关于动静载导致的煤体破坏与损伤表现，研究主要集中于宏观裂缝和破坏模式。宏观破坏的根本原因是内部孔隙和裂隙发育的结果。对于孔隙演化，其形成机制尚未明确。一些研究表明微观孔隙的狭窄缝隙和空隙内存在微晶结构，这一点已通过大量实证证据得到证实...

结论

1. 1.

   在动态荷载恒定而静态荷载递增的情况下，应力-应变曲线无压实阶段。当动态荷载作用于煤样时，应力-应变曲线呈现线弹性阶段。随着静载增加，动态强度和弹性模量同步提升，表明煤体在高静载环境下更易储存能量。一旦煤体在外载作用下破裂，可能释放更多能量导致裂隙...

2. 2.

   基于位错理论，从位错堆积诱导微孔发展到宏观破裂的过程被明确阐释。煤样耗散能随轴向静载增加呈现指数增长趋势，证实能量驱动是煤体变形破坏的本质机制。

3. 3.

   动静载作用下，煤样能量利用效率和孔隙体积均逐步提升，这在某种程度上促进了煤层渗透性的增强。本研究验证了动载条件下煤层气储层增渗的可行性，为深部煤层气开采提供了实践指导。