基于纳米压痕和XRD-EPMA技术的超临界CO2注入煤体力学损伤演化机制
聂百胜1
赵丹2
刘鹏1
王磊3
王大琳1
涂庆毅3
杨靖韬1
朱熹阳4
1.重庆大学资源与安全学院,重庆 400044;重庆大学煤矿灾害动力学与控制全国重点实验室,重庆 4000442.重庆大学资源与安全学院,重庆 400044;中国矿业大学(北京)应急管理与安全工程学院,北京 1000833.安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室,安徽 淮南 2320014.中国矿业大学(北京)应急管理与安全工程学院,北京 100083
摘要：CO2 地质封存技术是实现碳减排和废弃矿井资源再利用的有效技术之一,为揭示注入过程中超临界CO2 与煤体的相互作用机制及对煤体力学性质的影响规律,利用纳米压痕、XRD、SPM及EPMA综合表征技术,研究了深部煤层ScCO2 封存条件下煤体表面形貌、矿物组分及微观力学性能随溶浸时间的变化规律,分析了煤体力学损伤与CO2 矿化反应的关联机制.结果表明:ScCO2 具有溶剂特性,会与煤体发生溶蚀作用,碳酸盐和硫酸盐相比于硅酸盐具有更高的溶解度和溶解速率,随着浸泡时间的增加,煤中碳酸盐和硫酸盐矿物含量缓慢持续减少.ScCO2 溶浸显著改变了煤体微观力学性质,弹性模量和硬度均随ScCO2 溶浸作用时间的增加呈指数下降趋势,弹性模量降至原煤的 85.71%～90.33%,硬度降至 76.07%～84.70%,其中溶浸 2d后煤体弹性模量和硬度衰减最为显著,分别下降超过 86.9%和 81.2%.由于溶浸过程中部分矿物质被溶解,导致煤体矿物种类和分布较为均一稳定,煤样力学性质均质性增强.在ScCO2 溶浸过程中,煤逐渐由弹性变形转变为塑性变形,纳米压痕裂纹迅速拓展,煤表面微观形貌损伤严重,蠕变变形量线性增加.溶蚀反应对煤体孔隙结构的改变和煤体弹-塑性的转变,增强了纳米压痕载荷曲线的离散性,造成弹出事件发生频率增加.研究可为煤层气增产开发、深部煤层CO2 储存安全性评估提供科学依据.
关键词：碳封存纳米压痕力学损伤微观力学劣化机制
分类号：TD713(矿山安全与劳动保护)
资助基金：国家自然科学基金(52204206)国家重点研发计划(2023YFC3009005)国家重点实验室开放基金(SKLMRDPC21KF12)
论文发表日期：2025-07-31
在线出版日期：2025-08-22（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：15( 3265-3279 )
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