作者及研究背景

该研究发表于《Fuel》期刊，文章编号为“fuel 354 (2023) 129375”，并于2023年8月7日正式上线。论文的主要作者包括Bai Xin (University of South China, Henan Polytechnic University, Anhui University of Science and Technology)、Yan Wang (University of South China)、Guicheng He (University of South China)、Zhuoli Zhou (University of South China)、Dengke Wang (Henan Polytechnic University) 和 Dongming Zhang (Chongqing University)。研究围绕煤体在三轴加载与卸载条件下的渗透性建模进行，属于煤矿开采和煤层气（Coalbed Methane, CBM）开发领域的重要基础科学研究。

随着煤矿开采深度的增加，煤层中的甲烷渗流规律和煤体损伤机制变得愈加复杂，同时也对煤层瓦斯灾害的防控提出了更高的要求。然而，以往的渗透性模型未充分考虑有效应力和吸附/解吸对煤体渗透特性的影响，并忽视了三维应力条件下煤体损伤和裂隙动力学变化的问题。为了弥补这一空白，该研究制定了一种新型煤渗透性模型，旨在揭示煤层气渗透性演化规律，有助于提高煤层气回收效率并减少瓦斯事故。

研究过程及技术路线

在文章的研究中，作者提出了煤渗透性的改进模型，并通过实验验证该模型的科学性和适用性。整个研究分为以下几个主要步骤：

1. 模型开发与假设：
煤体的主模型基于“Match-stick Model（火柴棒模型）”，这一模型将煤的结构简化为由基质和裂隙组成的单位结构。基于广义胡克定律（Generalized Hooke’s Law）和吉布斯方程（Gibbs’ Equation），作者结合煤在三维应力状态下的损伤特性，引入了吸附和解吸的影响因子，提出了一个能够同时考虑有效应力和甲烷动态吸附/解吸过程的新型渗透性公式。模型主要假设包括以下几点： - 裂隙为煤甲烷输运的主要通道； - 煤基质的单位为各向同性材料； - 温度在渗透过程中保持恒定。
此外，作者详细推导了裂隙形变与应力、吸附之间的关系，并引入动力方程，逐步构建出煤渗透性模型核心表达式（公式18）。

2. 实验设计与样品采集：
为了验证所提模型，作者设计了一系列煤体三轴应力加载与卸载的渗流实验。实验样品选自中国宜宾白椒煤矿，样品甲烷含量为17.34 m³/t，气体压力为2.34 MPa。采集后的煤样经过国际岩石力学标准（ISRM）方法制备，保留结构完整，无明显裂纹。实验设备为热-流-机械（Thermal-Hydrological-Mechanical，THM）耦合三轴伺服渗透仪，具备高精度实时监控气体压力、变形和渗透率的功能。

3. 压缩实验与加载路径：
实验分别设计了三种加载路径： - 路径A：常规三轴压缩测试（CTC测试），用于测试煤样在传统三轴应力条件下的强度和渗透率参数； - 路径B：不同静水压力下的压缩-卸载测试（PLU测试），评估煤样在加载与卸载过程中的渗透率变化； - 路径C：不同甲烷气压条件下的PLU测试，揭示气压变化对煤体渗透特性的影响。

每组实验的设置重点从应力加载速率、静水压力和气体压力等参数进行控制与调节。

4. 实验过程与数据采集：
实验过程通过以下步骤完成： - 样品安装后，施加静水压力以排出内部空气； - 注入不同压力甲烷气体使煤体达到吸附饱和； - 施加轴向加载和围压卸载，直至煤样发生破坏； - 记录煤体在不同阶段的应力-变形-渗透率数据。

实验结果与分析

通过实验，研究产生了以下结果：

1. 常规三轴压缩条件下的煤渗透性演化： 在CTC实验中，随着偏应力增加，煤体渗透率呈现出显著下降趋势。在压缩屈服前，裂隙逐渐闭合，渗透率从初始值1.035 md下降至0.016 md；屈服后，煤体发生破坏，裂隙连接，渗透率上升至0.039 md。这表明在加载至煤破坏之前，偏应力主要诱发裂隙闭合，显著影响煤层气输运能力。

2. 压力加载与卸载过程中煤渗透性的动态变化： 在PLU测试中，作者细分试验为四个阶段： - O-A阶段：应力持续加载，裂隙闭合，渗透率下降； - A-B阶段：围压卸载应力降低，微裂隙扩展，渗透率呈现“V”字型； - B-C阶段：煤体屈服破坏，宏观裂隙形成，渗透率显著上升，增幅最高达114.29%（b3样本）； - C-D阶段：试样残余承载力使渗透率趋于稳定上升。

3. 气体压力对煤渗透率的影响： 渗透率的变化在不同气体压力条件下表现出显著差异。在气压为3 MPa（C1样本）时，煤体渗透率增幅达735.71%，远大于气压为4或4.5 MPa条件下的增幅。这表明煤体的气体吸附效应对裂隙扩展和连通性有重要影响。

4. 模型验证： 使用多种实验参数对所提模型进行拟合，其理论值与实验值的拟合度（R²）均超过0.95，平均相对误差小于5%。模型验证的结果表明，模型能够较好地描述三轴应力条件下煤体渗透率的动态变化规律。

研究结论与意义

该研究通过实验验证和理论建模，提出了一种能够准确描述煤体在三轴加载与卸载条件下渗透率动态演化的模型。结论包括： - 渗透率在煤体损伤过程中表现出复杂的非线性演化特征； - 模型能够兼容有效应力和吸附/解吸的影响； - 研究结果为煤矿安全性预测和煤层气高效回收提供了理论支持。同时，该研究为后续在原位压力场耦合研究提供了重要参考。

研究亮点与贡献

本研究创新性地综合了煤基质损伤、裂隙形变及气体吸附解吸作用，开发了与现场实际应力环境高度贴合的渗透性模型。相比以往模型，能够更精确地反映煤体复杂的流-固耦合特性。

未来，作者建议结合数值模拟与实地试验进一步验证模型适用性，以深化对煤层瓦斯渗透机理的理解，为煤矿灾害防控和能源开发提供更有力的科学依据。