煤炭学报

作者：张保勇, 王楠楠, 沈爽, 高霞, 杨书朋, 殷振元, 吴强,

关键词：含瓦斯水合物煤体, 围压, 水合物饱和度, Weibull分布统计函数, 非均匀性, 离散元,

深入理解含瓦斯水合物煤体力学性质对于煤与瓦斯突出防治至关重要。然而，由于含瓦斯水合物煤体内部结构的复杂性，定量关联微观不均匀性与宏观力学行为的准确表征仍然是一个挑战。为了评估围压、饱和度以及非均匀性对煤体宏细观力学性质的影响，提出了一种基于Weibull分布统计函数的离散元模型，用以模拟含瓦斯水合物煤体的力学性质及破坏行为，并开展了室内三轴试验验证数值模型的有效性。通过改变数值模型的非均匀性，在不同围压、饱和度下进行了三轴压缩试验，分析煤体强度、接触力链、孔隙率等宏细观参数的变化规律。试验结果表明：含瓦斯煤体与含瓦斯水合物煤体的破坏过程均可分为弹性阶段、屈服阶段、强化阶段，且含瓦斯水合物煤体的刚度高于含瓦斯煤体，表现出更强的抗变形能力；瓦斯水合物生成提升了煤体承载能力，与含瓦斯煤体相比，围压从12 MPa增加到20 MPa时，含瓦斯水合物煤体峰值强度增加率为9.38%～36.78%。模拟结果表明：饱和度从0增加至80%时，与含瓦斯煤体相比，含瓦斯水合物煤体峰值强度增加率为8.09%～67.63%，表明水合物的存在增强了煤体承载能力；形状因子从2增加至30时，不同水合物饱和度下含瓦斯水合物煤体峰值强度增加率为31.62%～200.94%，并呈线性增加趋势。随着水合物饱和度的增加，形状因子对试样强度的影响程度显著增强，强力接触力链占比增加，胶结破坏数减少，试样强度显著提升；水合物饱和度从10%增加至80%时，平均法向接触力组构张量峰值增幅从17.03%增加至59.27%；试样内部非对称“X”型剪切带发育程度降低，颗粒旋转速度逐渐减小。随着形状因子的增加，试样非均匀性减弱，强接触力链分布更加均匀，试样结构趋于稳定；形状因子从2增加至30时，平均法向接触力组构张量峰值增幅从7.24%增加至31.84%；试样内部颗粒旋转速度逐渐减小，剪切带宽度逐渐减小，破坏程度减轻；轴向力主要由平均法向接触力提供，而水平方向的力主要由切向黏结以及摩擦提供。研究结果有助于深入理解含瓦斯水合物煤体的变形与破坏机理，对于提高水合物加固煤体强度效果，具有重要的理论意义和工程应用价值。

来源：2026年第2期

《煤炭学报》期刊编辑部

查看煤炭学报杂志2026年第2期