基于CT扫描的构造煤组合体断面裂隙分形演化特征及其对煤与瓦斯突出的影响机制

　　为探究构造煤复合体在载荷作用下的损伤机制，研究人员通过CT扫描和Avizo图像分析技术，定量表征了断面裂隙的分形演化规律。研究发现横向/纵向分形维度和裂隙像素比均随载荷线性增长，揭示了裂隙优先在构造煤中扩展的规律，为煤与瓦斯突出防治提供了理论依据。

　　

煤与瓦斯突出是煤矿开采中的重大灾害，其发生与构造煤内部裂隙网络的演化密切相关。构造煤因强度低、瓦斯含量高，在应力作用下更易发生结构破坏。尽管前人通过CT扫描等技术对煤岩裂隙开展了研究，但对构造煤-原生煤组合体的断面裂隙分形特征仍缺乏系统认知。

针对这一科学问题，来自新疆绿色开采教育部重点实验室等机构的研究团队在《Fuel》发表论文，通过制备构造煤复合试样，结合CT扫描和Avizo图像分析，揭示了载荷作用下断面裂隙的分形演化规律。研究发现：横向分形维数（D_t
）、纵向分形维数（D_l
）和裂隙像素比（FPR）均随载荷呈线性增长；裂隙扩展优先发生在构造煤区域，纵向裂隙呈现"上升-下降-再上升"的阶段性特征。当裂纹尖端应力超过界面强度时，会产生界面附加应力（interfacial additional stress），导致试样整体断裂。

研究采用三大关键技术：1）从山西天池煤矿采集含突出风险的构造煤-原生煤组合样本；2）利用CT扫描设备获取不同载荷下的三维裂隙图像；3）通过Avizo软件进行图像二值化处理，采用盒计数法（box-counting）计算分形维度。

断面裂隙分形演化分析
CT图像二值化显示，4 MPa时构造煤上部出现微裂隙，随载荷增加，裂隙相互贯通。构造煤区域的D_t
和D_l
增幅显著高于原生煤，证实裂隙扩展具有材料选择性。

横向裂隙分形维度与载荷关系
D_t
与FPR呈线性正相关（R²

0.9），初始阶段应变能积累导致D_t
缓慢增长，当载荷超过8 MPa后增速提升40%，对应裂隙网络加速形成阶段。

纵向裂隙演化机制
D_l
呈现非单调变化：4-8 MPa时构造煤孔隙解理结构优先破坏；8-12 MPa界面应力抑制裂隙纵向扩展；超过12 MPa后界面附加应力促使裂隙向下发展，最终引发试样整体断裂。

该研究首次定量揭示了构造煤组合体裂隙演化的分形规律，提出界面附加应力是导致试样整体破坏的关键机制。结论为建立煤与瓦斯突出预警模型提供了新的理论参数，相关方法可推广至页岩气开采等领域。研究获得国家自然科学基金（52174205）等项目的支持，具有重要的工程应用价值。