基于时间效应的超临界CO2浸润颗粒煤力学特性及断裂机制
刘敏轩1
王亮1
郑思文1
吴淞玮1
赵月辰1
张保勇2
刘超3
1.中国矿业大学煤矿灾害防控全国重点实验室,江苏 徐州 221116;中国矿业大学煤岩动力灾害防控理论与技术国家矿山安全监察局重点实验室,江苏 徐州 221116;中国矿业大学煤矿瓦斯治理国家工程研究中心,江苏 徐州 2211162.黑龙江科技大学安全工程学院,黑龙江 哈尔滨 1500223.中国矿业大学力学与土木工程学院,江苏 徐州 221116
摘要：深部不可采煤层的CO2 增强煤层气采收率技术(CO2-ECBM)是实现"双碳"目标的重要途径之一,但其涉及的CO2 在煤层中的长期封存安全性问题亟待解决,解决该问题的关键在于研究超临界CO2(ScCO2)作用下的不同尺度煤力学性能演化和破坏机理,而颗粒煤力学特性及断裂机制方面相关研究较少.本文选取陕西省郭家河煤矿烟煤为研究对象,开展了不同ScCO2 浸润时间下的颗粒煤力学特性研究,基于颗粒单轴压缩试验研究颗粒煤力学参数随浸润时间的变化规律,结合扫描电镜实验(SEM)探讨不同ScCO2 浸润时间作用颗粒煤力学性能的时间效应和断裂机制的演化过程.研究结果表明:颗粒煤力学性能随ScCO2 浸润时间的不同具有显著差异,基于 24h为时间分界线,将ScCO2 对颗粒煤力学特性的影响分为短时物理速劣效应和长时化学缓劣效应,在短时物理速劣效应中,ScCO2 的吸附膨胀引起的微裂纹对颗粒煤弹性变形阶段产生快速影响;而在长时化学缓劣效应中,煤分子结构的变化、有机质萃取和矿物溶蚀作用成为主导,这些作用影响颗粒煤力学性能的速度较为缓慢且影响能力较小.ScCO2 的膨胀变形、有机质萃取和矿物溶蚀作用使颗粒煤的弹性应变能释放和表面能降低,从而加速了裂纹扩展过程中的能量释放;通过构建颗粒煤断裂机制演化模型,进一步阐释了ScCO2 时间效应对颗粒煤断裂机制的影响,短时物理速劣效应颗粒煤的断裂主要受微裂纹密度增加的影响,长时化学缓劣效应对颗粒煤断裂机制的影响以模型内部应力集中点位和孔隙数量增加为主.
关键词：超临界CO2时间效应颗粒煤力学特性断裂机制
分类号：TD313(矿山压力与支护)
资助基金：国家自然科学基金(52474260)江苏省研究生科研与实践创新计划资助项目(KYCX24_2907)中国矿业大学研究生创新计划资助项目(2024WLKXJ132)
论文发表日期：2025-09-27
在线出版日期：2025-10-22（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：11( 4405-4415 )
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