前沿应用|真三轴低场核磁原位在线表征煤体损伤与孔裂隙结构演化特征

在常规岩土环境中，岩土物体实际上处于平面应变状态，测试这些岩土环境中的力学性能，常按轴对称问题处理。常规三轴试验就是使试样在轴对称的应力状态下进行试验。但是实际岩土环境中，土所受到的三个主应力的大小往往是不同的，真三轴试验是模拟岩土受到荷重的情况下，土体内任一小单元所承受的应力状态。真三轴试验方法测定的结果比常规三轴试验即轴对称三轴试验更能反映真实的本构关系。

低场核磁共振 (NMR)具有可视、无损、快速、定位准确等特点，可以准确表征孔隙结构和孔隙裂缝分布，基于低场核磁可以开展多相流运移扩散规律研究；阐明三轴应力下煤孔隙和裂隙结构的演化规律；煤的孔裂隙类型、孔径结构分布和孔裂隙的空间配置精细定量表征等研究。纽迈立足核磁创新平台，借鉴传统真三轴部件，将核磁原位在线测试微观表征与传统宏观力学表达有机结合。

首先，将制备的煤样放入干燥箱，维持105℃恒温进行24h干燥，并称量获取干燥后的煤样质量；然后，将干燥后试样置于20MPa液体环境中饱和24h，并称量饱和后的煤样质量；最后，将饱和煤样用热缩管包裹置于真三轴夹持器中，进行真三轴原位应力荷载试验。

工作面推进过程中支承压力原岩应力区煤体结构力学响应

工作面推进过程中支承压力峰值点煤体卸荷损伤情况

顶板来压工作面煤体损伤情况

荷载过程原岩应力区煤体、峰值前应力区煤体及工作面区煤体孔隙度由 4.9%、2.46%、 2.57 降至塑性阶段 2.62%、1.45%、1.03%，在损伤 阶段升为 3.1%、1.8%、1.95%，煤体损伤前吸附孔 向渗流孔、运移孔转变，煤体损伤过程吸附孔和运移孔向渗流孔转变。

其核磁弛豫谱如下：

煤体孔裂隙强度与连通性呈现区域性差异：原岩区煤体孔裂隙发生压缩与扩张变化，并以压缩变形为主，峰前区煤体发生扩张并以压缩变形为主，峰后区煤体出现大幅度扩张行为，工作面区煤体经历体积扩张-压缩-扩张行为。原岩应力区至工作面区煤体吸附孔、渗流孔的非均匀性、各向异性增强，运移孔的连通性与均匀性得到增强，孔隙度载荷响应增加，孔隙扩张、节理裂隙衍生等现象显著。

超前工作面区域煤体孔裂隙分布差异显著：原岩应力区域煤体次生剪切裂隙与拉伸裂隙发育，形成吸附型瓦斯解吸-渗流通道；峰值区域煤体出现横向和斜切裂隙网络，裂隙连通性增加，构成吸附-渗流-运移型瓦斯通道；工作面区域煤体层状剪切裂隙规模化发展，基质中孔隙扩张发育，孔隙裂隙连通性增加，形成瓦斯渗流-运移通道。

[1] 张通，谢志争，袁亮，唐明，郑凯歌，张村，毛钧林．超前工作面采动煤体 损伤与孔裂隙结构演化特征研究[J/OL]．煤炭学报.