《Geomechanics for Energy and the Environment》：The contribution of physical-chemical effects of abandoned mine water to the deterioration of Mode-I fracture toughness- based on CT-DEM integrated modeling
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本研究针对废弃矿井水长期侵蚀导致煤岩I型断裂韧性劣化的关键问题，通过实验室实验与离散元模拟相结合，首次量化了膨胀效应与溶解效应对KIC的贡献度。研究发现30天浸泡后试样断裂韧性下降35.16%，并揭示了从脆性断裂向韧性断裂的转变机制。该研究为废弃矿井地下空间稳定性评估提供了理论依据。
随着全球资源型城市转型发展，废弃矿井的二次利用已成为热点话题。地下储气、地下水库、煤层气开发等新型利用方式不断涌现。然而，在矿井长期废弃过程中，积存的废弃矿井水与煤岩体发生物理化学反应，导致岩体力学性能劣化，特别是富含含水层的煤岩层中，矿井水的侵蚀溶解作用会加速裂隙带的I型张拉破坏，严重影响地下空间稳定性。目前研究多关注酸性/碱性水对岩石的整体劣化效应，但对膨胀与溶解两种效应在力学劣化过程中的各自贡献仍缺乏统一认识。
为探究这一关键问题，中国矿业大学安全工程学院的研究团队在《Geomechanics for Energy and the Environment》发表了最新成果。该研究创新性地采用实验室实验与离散元模拟相结合的方法，通过设置5个时间梯度（0、7、14、21、30天）处理NSCB试样，系统分析了废弃矿井水作用下煤样I型断裂韧性的劣化规律。研究首次建立了结合CT扫描与离散元颗粒模型（GBM）的矿物溶解-膨胀力学模型，定义了膨胀/溶解膨胀系数，模拟了煤颗粒和矿物经历溶解-膨胀的损伤过程。
关键技术方法包括：（1）采用淮南矿区潘集一号矿煤样制备NSCB标准试样；（2）通过3D-X射线显微镜系统进行CT扫描和三维重建，量化矿物溶解特征；（3）建立包含石灰岩和云母矿物的Grain-Based Model离散元模型；（4）定义膨胀系数和溶解系数模拟水-岩相互作用；（5）采用平行粘结接触（PBC）和平滑节理接触（SJC）模拟矿物内部及边界力学行为。
3.1 强度参数
通过对比实验组（废弃矿井水）和对照组（蒸馏水）的载荷-时间曲线发现，随着处理时间延长，煤样峰值载荷显著降低。实验组30天处理后峰值载荷下降35.16%，而对照组仅下降16.72%。计算表明原始煤样断裂韧性为0.58 MPa·m1/2，而E-30试样降至0.376 MPa·m1/2。同时，试样破坏行为由明显脆性断裂转变为韧性断裂，表现为峰后载荷下降更为平缓。
3.2 断裂过程区变化特征
通过分析不同加载时刻的断裂过程区发现，处理时间较短的试样在90%峰值载荷前才出现明显FPZ，而长期处理试样在50%峰值载荷时已出现明显FPZ。原始试样FPZ长度达3.81 mm，而C-30试样仅为2.83 mm，表明水岩作用使试样软化效应更加明显。
3.3 CT扫描结果与矿物分布重建
CT三维重建显示，经过30天反应釜处理后，试样内部矿物含量从18.47%降至12.04%，矿物由外向内逐渐溶解。这一现象从微观层面解释了试样力学性能劣化的原因。
4.5 数值结果与讨论
离散元模拟成功再现了实验现象。通过校准膨胀系数和溶解系数，模拟结果与实验数据高度吻合。研究发现，控制组主要发生矿物边界滑移破坏，而实验组出现矿物穿晶断裂。力链演化分析表明，长期处理后力链分布更加分散，导致应力分布不均，增强试样韧性。裂纹方向玫瑰图显示，原始试样裂纹主要集中于50-130°范围，而E-30试样裂纹分布更加复杂，表明溶解-膨胀耦合作用影响了断裂轨迹发展。
研究结论表明，废弃矿井水对煤岩I型断裂韧性的劣化是膨胀和溶解效应共同作用的结果。膨胀效应主要通过增大颗粒半径和产生微裂纹影响力学性能，而溶解效应则导致矿物损伤和穿晶裂纹产生。两种效应的耦合作用加速了煤岩力学性能的劣化进程，使破坏模式由脆性向韧性转变。
该研究的创新性在于首次量化了膨胀与溶解效应对断裂韧性劣化的贡献度，建立了能够准确模拟水-岩相互作用过程的CT-DEM耦合模型。研究成果对评估废弃矿井地下空间长期稳定性具有重要理论指导意义，为资源型城市转型过程中的矿井再利用提供了科学依据。未来研究可进一步优化溶解模型的微观损伤表征方法，更好地模拟矿物形态变化过程。
