超临界CO2作用下煤岩组合体力学特性损伤及裂隙演化规律
张小强1
王文伟1
姜玉龙1
王开1
闫建兵2
岳少飞2
蔚默然1
1.太原理工大学矿业工程学院,山西太原 0300242.太原理工大学原位改性采矿教育部重点实验室,山西太原 030024
摘要：将CO2 注入到深部不可采煤层是实现CO2 地质封存的有效途径之一,但CO2 在高压、高温作用下会处于超临界状态,为了探究超临界CO2 作用对煤系储层结构的影响,基于自主研发的超临界CO2 浸泡实验系统,结合声发射测试系统及RFPA3D数值模拟,研究了 3种煤层厚度和 3种顶底板岩性的"岩-煤-岩"(RCR)组合试件在超临界CO2 作用下的力学损伤特性及其裂隙扩展演化规律.研究结果表明:①超临界CO2 作用后,随煤厚增加RCR组合体抗压强度劣化幅度逐渐增大,弹性模量劣化幅度逐渐降低,而当岩煤强度比不同时,抗压强度和弹性模量劣化幅度基本一致,未呈现较大差异;②超临界CO2 作用会促进煤体塑性破坏,加剧RCR组合体由拉伸劈裂破坏向剪切塑性破坏转变的趋势,RCR组合体塑性破坏程度与煤厚和岩煤强度比均成正相关关系;③超临界CO2 浸泡作用促使RCR组合体更早进入弹性变形阶段,且经历更为短暂的弹性变形后发生失稳破坏,煤厚越大影响越大,而岩煤强度比影响较小;④RCR组合体失稳态势与煤厚成正比、与岩煤强度比成反比,破坏时动力显现强度与煤厚成反比,与岩煤强度比成正比;⑤RCR组合体总能量、耗散能、弹性能、盈余能随煤体厚度增加而逐渐降低,随岩煤强度比的增大而逐渐增大,超临界CO2 作用会使RCR组合体试件弹性能占比降低,耗散能占比升高,盈余能占比降低.综合上述研究成果可知,煤层越厚的地层越容易发生失稳,顶底板岩层强度越高的地层越不容易发生失稳,地层失稳破坏时动力显现强度与煤厚成反比、与岩煤强度比成正比.故在满足CO2 注入封存量前提的一定区域地层内,应选择顶底板岩层强度较高、煤层厚度较薄的区域地层封存CO2 安全性更高.该研究成果可为CO2 注入到深部不可采煤层进行地质封存的安全性提供一定的理论借鉴.
关键词：超临界CO2煤岩组合体力学损伤能量演化失稳破坏裂隙扩展
分类号：TD313(矿山压力与支护)
资助基金：国家自然科学基金(52104097)国家自然科学基金(51974194)山西省基础研究计划资助项目(20210302124352)
论文发表日期：2023-11-28
在线出版日期：2025-08-15（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：16( 4049-4064 )
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