煤炭是中国经济发展的重要能源基石[1-2]，随着矿井建设走向深部，复杂水文地质条件下的煤矿水害防治成为亟待解决的难点问题[3-4]，开展不同浸润时长作用下的煤岩损伤劣化机制研究对中国富水煤矿安全开采至关重要。
目前，众多学者开展了水对煤岩物理力学特性影响的研究，并取得了阶段性的成果。在宏观物理力学特性方面，明确了含水率对煤岩力学特性的影响，确立了煤岩的含水率与强度间呈现负相关的关系[5]。在此基础上，进一步分析了煤岩弹性模量，内摩擦角，泊松比等材料参数与含水率之间关系[6]，且发现水会延缓受荷煤岩变形速率的增长[7]。对比煤岩浸润不同时间下的体积变化，发现了长期浸润煤岩体积会发生膨胀[8-10]。除宏观力学参数的劣化外，声发射技术也被用于损伤监测，如Meng等[11]基于声发射技术对煤岩应力应变曲线峰后的裂隙发育阶段进行了监测，得到了煤岩脆性越强，峰后的应力下降和声学特征越明显的规律。Vishal等[12]通过声发射和压力试验机，研究了不同含水率煤岩压缩过程的声发射特性，发现了饱水煤岩在高应力状态下声学特征明显。夏冬等[13-14]开展了不同浸水时长的岩石力学特性和声发射特征研究，探讨了浸水岩石损伤和声发射特征之间的内在关系。
为揭示煤岩浸水后力学性能的劣化机制，研究人员也开展了较为系统的微、细观研究。在微观尺度上，运用SEM对煤岩进行扫描，得到不同宏观组分的孔隙结构有明显差异[15]，对孔隙按尺寸进行了分类[16]，考虑水对煤岩的作用，观测了不同含水率煤岩的结构变化，并分析了孔隙细部结构的成因[17-18]。水浸润作用使煤岩细观结构会发生变化，导致煤岩产生损伤[19]。随着煤岩损伤程度的增大，煤岩的孔容、比表面积、平均孔径均呈增大趋势。各孔径段孔容以小孔占比最高，且比例逐渐升高[20]。
在细观尺度上，研究人员运用核磁共振分析了煤岩孔隙随浸润时间的变化规律，发现浸润煤岩内部孔隙随时间的增加会发生变化[21]。在不同围压及孔隙水压力条件下，煤岩内部的结构和水分布规律，揭示了围压和孔隙水压力对煤样结构和渗流特性的影响规律[22]。Jia等[23]基于核磁共振的T2谱划分了岩石孔隙类型。Xie等[24]对比了不同煤岩在干燥和浸水处理后的孔隙结构，发现浸润前后煤岩总孔隙体积、大孔比和渗透率都会增大。王龙飞等[25]通过煤层低压注水研究了水在煤岩中的运移规律，得到了水会由大孔隙逐渐进入微小孔隙的规律，且水对煤岩各孔径段的孔隙影响不同，为研究长期浸润煤岩内孔隙变化提供了参考。
综上，对于水-煤岩相互作用的研究已广泛开展，但多聚焦于含水率对煤岩宏观力学特性的影响，对于长期浸润和劣化机制的研究相对较少。因此，本课题在力学试验的基础上采用SEM和NMR监测煤岩浸润过程中的结构和孔隙变化，通过分析细、微观结构演化过程，揭示浸润作用下煤岩劣化机理，为富水地区煤矿灾害防治提供有益参考。
以长期浸润煤岩为研究对象，利用压力试验机、声发射、核磁共振以及扫描电镜得到浸润煤岩的宏、细、微观物理力学特征，进行损伤机制分析，主要得到3点结论。
（1）饱和煤岩随浸润时间增长，荷载作用下裂隙不稳定扩展持续时间呈现逐渐增加，累积振铃计数逐渐增加，峰值强度和弹性模量逐渐降低，而峰值应变增加，最后强度趋向于稳定。60 d的饱水时间为煤岩力学强度趋于稳定的分界点。因而，可以认为，煤岩在浸润条件下，60 d前力学性质将发生较大的变化，煤岩由脆性向塑性转变，需要改变煤岩支护方式。
（2）长期浸润作用下煤岩微、细观结构劣化显著，表现为煤岩内部结构微膨胀，孔隙大小和数量不固定，即使煤岩达到饱和状态，孔隙的大小和数量仍然随浸润时间的增加而改变，浸润煤岩含水率会持续增加，结构间孔隙裂隙会动态变化，大、小孔隙数量均增加，且小孔隙数量增加最为显著。
（3）浸润作用对煤岩力学特性影响显著，浸润煤岩强度不仅和含水率有关，还受浸润时长的影响。干燥煤岩含有缺陷，随着浸润时间的增长，水与煤岩的分子间作用力、溶解作用、非均匀膨胀促进了煤岩微观损伤的积累；毛细作用、溶蚀作用和膨胀挤压促进了煤岩细观损伤积累。微观结构的损伤累积推动了细观结构改变，细观结构的损伤累积导致了煤岩宏观力学性能的劣化。
研究发现煤岩饱和后长期浸润强度会降低，富水的煤矿开采过程中需要注意，由于长期浸润煤岩问题的复杂性，研究的难度很大，有许多问题尚需进一步深化和细化。
全文阅读 （拓展出版内容见网页的资源附件）
《岩土工程学报》2024年第6期全文阅读
本刊官网：www.cgejournal.com提供本刊创刊以来所有论文免费阅读下载！另提供岩土工程方面技术和产品的宣传推广服务，电话025-85829543
