Mechanism of mechanical strength degradation and microstructure evolution of anthracite induced by supercritical carbon dioxide
-
摘要:
为揭示深部煤层注入CO2过程中，超临界CO2对无烟煤力学强度与微观结构的影响规律，以无烟煤为研究对象，对2种恒定温度（40、60 ℃）条件下超临界CO2对煤体劣化特性进行探究，利用自主研制的超临界CO2浸泡设备搭配煤体单轴加载装置对其力学强度进行初步测定，借助CT扫描系统表征孔裂隙等结构，通过分析不同浸泡时间（0、1、3、5、7 d）对孔裂隙的物化效应，揭示超临界CO2浸泡后无烟煤宏观强度损失与微观结构演变的内在联系。结果表明：超临界CO2对无烟煤宏观强度的劣化具有一定的时间效应，伴随着浸泡时间的增加，劣化效应逐渐减弱，逐渐趋于某一定值，其劣化主要时期为浸泡0～5 d，同时破坏模式改变，破坏颗粒的平均尺寸逐渐增大。同比恒温60 ℃，恒温40 ℃状态下的超临界CO2对煤体劣化作用较为明显；借助CT 扫描系统发现，经超临界CO2浸泡后白色矿物质消失，“溶蚀孔洞”逐渐扩大，新生孔裂纹不断发育，裂隙开度增加。煤样内部孔裂隙在0～5 d迅速发育成较为连续的孔隙团，此后内部孔裂隙缓慢发育，逐渐趋于稳定；超临界CO2侵入煤体内部，其通过萃取煤基质中的有机物与溶蚀碳酸盐矿物组分，形成“溶蚀孔洞”，破坏晶体结构，导致内部孔隙团逐渐发育。伴随着比表面积的增大，煤体吸附能力增加，其“溶胀效应”进一步增加孔裂隙发育，最终导致宏观力学强度的改变；由宏观强度损失数学模型分析得到，煤体经过超临界CO2浸泡后，强度包络线向右偏移，摩尔应力圆向左偏移，内摩擦角与黏聚力均变小，最终导致煤体宏观强度的损失。
Abstract:In order to reveal the effect of supercritical carbon dioxide on the mechanical strength and microstructure of anthracite in the process of CO2 injection into deep coal seams, takes anthracite as the research object, the degradation characteristics of coal by supercritical carbon dioxide under two constant temperatures (40 ℃ and 60 ℃) were investigated. The self-developed supercritical carbon dioxide immersion equipment combined with coal uniaxial loading device was used to preliminarily determine its mechanical strength. The structures such as pores and cracks were characterized by CT scanning system, and the physicochemical effects of different soaking days (0, 1, 3, 5, 7 d) on pores and cracks were analyzed. The intrinsic relationship between macroscopic strength loss and microstructure evolution of anthracite after supercritical carbon dioxide immersion was revealed. The results show that supercritical carbon dioxide has a certain time effect on the deterioration of the macroscopic strength of anthracite. With the increase of soaking time, the deterioration effect gradually weakens and gradually reaches a certain value. The main period of the deterioration is within 0−5 days of soaking, and the average size of the damaged particles gradually increases with the change of failure mode. Compared with the constant temperature of 60 ℃, the supercritical carbon dioxide under constant temperature of 40 ℃ has a more obvious degradation effect on coal. With the help of CT scanning system, it was found that after the supercritical carbon dioxide immersion, the white minerals disappeared, the “solution holes” gradually expanded, the cracks in the new holes continued to develop, and the crack opening increased. The internal pore and fissure of the coal sample developed rapidly into a relatively continuous pore group within 0−5 days, and then the internal pore and fissure developed slowly and gradually became stable. The supercritical carbon dioxide intrudes into the coal, and by extracting organic matter in the coal matrix and dissolution of carbonate mineral components, it forms “dissolution pores”, destroys the crystal structure, and leads to the gradual development of internal pore groups. With the increase of specific surface area, the adsorption capacity of coal increases, and the“swelling effect”further increases the development of pore and fracture, and finally leads to the change of macroscopic mechanical strength. According to the analysis of the macroscopic strength loss mathematical model, after the coal is soaked in supercritical CO2, the strength envelope shifts to the right, the molar stress circle shifts to the left, and the internal friction Angle and cohesion become smaller, resulting in the macroscopic strength loss of the coal.
-
0. 引 言
青藏高原地区高海拔、气温低、广泛分布冻土，冻土的存在使青藏高原气候变化(尤其是气温升高)更加敏感[1]。冻土作为浅部地下水含隔水层的实质载体和支撑地表植被、湿地等生态环境的基础，同时兼具多重生态地质功能作用[2–5]，对高原高寒地区生态系统的稳定和演化起着重要作用[6]。
木里矿区是青海省最大的煤炭矿区，也是西北地区重要的炼焦煤资源产地，大规模的露天开采对生态环境产生显著破坏并引起社会广泛关注，为此，政府开展了大面积矿山环境恢复治理工作。期间，研究以“山水林田湖草”为一个生命共同体的理念，从煤炭生态地质勘查角度，针对矿区生态环境与资源的破坏和扰动，在前人的生态环境修复研究基础上[7–13]，结合高原高寒特点开展生态地质勘查及生态修复关键技术研究。王佟等[14-15]以煤炭生态地质勘查基本构架为基础提出了生态地质层理论，指出矿山生态环境治理的关键是构建和修复生态地质层。根据治理修复对象的不同，生态地质层可划分为土壤层、地形重塑层、煤层顶板岩层、含水层及冻土层，通过基于生态地质层的研究和工程应用，形成了高原高寒区的生态环境修复治理模式和技术方法[16–23]。实现了木里矿区生态系统质量整体修复提升，与周边自然生态环境有机融合，为高原高寒地区煤矿区生态修复提供借鉴。
在多年冻土发育区域，冻土自身虽具有一定的自我恢复能力，但其自然演化、恢复的时间漫长。根据建立的多年冻土地质剖面原理模型思路，在以往传统的露天采坑回填治理工程中按照冻土人工重构设计进行有序的分层回填等系列工程措施，超前性实现冻土隔水层的水文地质功能并提升其工程力学稳定性，能够更显著地提高多年冻土的恢复速率，同时通过抑制沉降巩固露天采坑回填工程的治理效果，并为后期覆土复绿工程奠定良好、稳定的基础，为高原高寒特殊自然环境下生态系统的恢复和稳固提供有力保障。生态修复战略主要包括地质勘探、矿山设计、矿山生产、闭矿4个阶段的生态修复，其中冻土的修复与保护也应包含在矿山的全生命周期中。此外，生态修复是矿山环境保护和综合治理、增加碳储量、提升区域生态系统固碳能力的有效途径[3,5]，这在冻土地区意义更为深远。
1. 木里矿区自然地理
木里矿区地处祁连山脉的中南部地区，大通山以北，托莱山以南的断陷盆地内，呈现为“两山夹一谷”地貌特征，山脊、谷地走向NWW。盆地总体上呈东南低，西北高的趋势，海拔标高+4 000～+4 300 m。本区地处高寒地带，四季不明显，气候寒冷，昼夜温差大，西南部笔架山一带雪线4 500 m以上常年积雪，属典型的高原大陆性气候。6—8月为雨季，11月至来年5月以降雪为主。矿区地表水系较发育，区内主要有常年性流水上哆嗦河、下哆嗦河和次要常年性流水交合根曲(努日寺沟)，都是大通河的发源地之一(图1)，主要由大气降水和冰雪融化补给。
![]()
图 1 木里煤田位置及聚乎更井田分布Figure 1. Muli Coalfield position and Juhugeng Minefield distributions2. 木里矿区冻土分布特征
2.1 平面分布
青藏高原多年冻土是我国冻土分布面积最广的冻土区。祁连山多年冻土面积约7.66×104 km2，约占中西部地区总冻土面积的28.37%。地处祁连山高寒山地多年冻土区中西部的木里矿区是典型的高海拔多年冻土区[24]。木里矿区除了在局部的断层构造、湖泊及矿山采坑活动影响下存在冻土融区或不同程度剥离破坏外，其他地区基本连续有冻土分布。区内分布有亚稳定型多年冻土，冻土年平均地温在–1.5～–3.0 ℃；少量稳定型多年冻土，冻土年平均地温＜–3.0 ℃。其中，聚乎更3、4、7、8号井田主要处于山前缓坡高含冰量冻土区；5号井田中部处于基岩山区低含冰量冻土区，其东西部分处在缓坡高含冰量冻土区；9号井田主要处于基岩山区低含冰量冻土区(图2)。
![]()
2.2 垂向分布
多年冻土在受当年季节性气候变化影响下，随着每年5月至9月地表温度上升多年冻土表层开始融化。在多年冻土上部从冰水混合层到冻结层，一般在7～8 m内冻土层的地温呈现急剧变化的趋势。在该地温“急剧变化”区段还可以细分为上部受太阳辐射影响为主的温度剧降的AB段和下部地表环境因素影响逐渐减弱的相对急剧升温的BC段。矿区多年冻土层厚度大。在多年冻土层上部地温“急剧变化”区段和下部地温“稳定变化”区段的屏蔽下，厚大的多年冻土层中部受外界环境的影响基本被消除，相应出现了地温相对“恒定”变化的CD区段。矿区这一相对“恒定”区段厚度约15 m。在多年冻土下部至其底界之下的一定深度段内，其地温呈较稳定的速率逐渐上升的DF区段规律变化，最终趋近于正常地层的温度规律。多年冻土与下部正常地层在充分热交换前提下即相对稳定连续温度平衡下呈现出的稳定变化趋势。一般以0.016 ℃/100 m的地温梯度变化逐渐上升至正常的地温梯度，呈现多年冻土地温稳定变化的规律(图3)。
2.3 多年冻土层顶底界
根据已知的冻土常观孔多年地温测量数据，多年冻土的顶界最深的在木里矿区聚乎更东部1号井为3.2 m，哆嗦公马多年冻土顶界在1.0 m以浅。据木里矿区以往钻孔测温记录，该区多年冻土厚度西部厚度大，中部厚度小，东部厚度又逐渐变大。多年冻土呈连续分布，厚度介于50～136 m，冻土厚度变化主要与区内地形地貌、矿业活动等关系密切。
3. 冻土层的构建修复方法
按照防季节性冻土、多年冻土及其在生态环境功能的思路，通过人工有针对性干预，制定出针对木里矿区开采破坏冻土的具体构建修复方法，主要包括冻土概况调查、剖面模型建立、搭接融合、确定回填时间、设计表层保水、布设截排水沟、地貌重塑共7个环节(图4)。
1)冻土概况调查。通过遥感监测、专项勘查、以往冻土资料搜集或采用钻探、温度监测、测温、地质测量等方法调查认识冻土的基本特征、岩层序列以及原始冻土层破损情况。
木里矿区多年冻土顶界深度一般在3.2 m以浅，局部顶界深度约到7.0 m，个别湖泊及河流等自然因素影响下多年冻土的顶界深度更深。木里矿区三号井、四号井、五号井、七号井、八号井、九号井和哆嗦公马7个井田中，开挖深度最浅的九号井露天采坑深度一般在6～20 m，基本挖穿了多年冻土的活动层。按照几个井田露天采坑的面积统计，多年冻土上部的活动层因露天采坑开挖直接造成的破坏面积累计1 272.86万m2(表1)。木里矿区三号井、四号井、五号井和八号井4个井田的开采最深处的深度在87～200 m，基本揭穿了多年冻土层的底界，形成了多年冻土层洞穿破坏性“天窗”。相比之下，其他几个井开采最深处的深度为32 m，基本只对多年冻土的中上部造成挖损破坏，未造成洞穿或明显改变其地质条件。按照冻土底界的平均深度93 m统计，三号井3951标高多年冻土直接性破坏区位于三号井露天采坑中西部，长957.13 m，宽747.01 m，面积为64.38×104 m2；四号井3893标高多年冻土直接性破坏区位于四号井露天采坑中部及西部(即西采坑)，长2 201.61 m，宽442.58 m，面积为92.45×104 m2；五号井多年冻土直接性破坏区位于五号井露天采坑中部，长1 927.29 m，宽132.18～355.08 m，面积为72.75 m2。
表 1 多年冻土上部的活动层直接破坏统计Table 1. Direct damage statistics of active layer in upper permafrost序号 井田 面积/104 m2 1 三号井 377.05 2 四号井 304.64 3 五号井 171.53 4 七号井 149.40 5 八号井 101.32 6 九号井 116.66 7 哆嗦公马 52.26 合计 1 272.86 2)构建二元结构冻土生态地质层剖面模型。针对季节性冻土和多年冻土，确定冻土的层状结构特征，构建再造层和回填层的二元结构冻土生态地质层剖面模型。回填层以参照临近原始多年冻土剖面通过工程手段分层回填和压实，利用大气降水或注水，形成有利于多年冻土快速恢复的环境，恢复对水、气的封存和隔绝功能。再造层以有利于增加水源涵养为目的，以季节性冻土底界为参照通过分层回填和一次性压实的工程措施形成再造层，以恢复地下水的渗流场和与周围完好土壤层等生态地质层的联系。再造层之上到地表称为冻土的保护层，主要指地表土壤层再造和复绿，土壤层复绿后的植被可调节地表能量(热辐射)、水分、湿度等，可对冻土起到保护作用(图5)。
![]()
图 5 冻土层二元结构构建修复剖面(据王佟等[15]修改)Figure 5. Construction and restoration profile of permafrost dual structure3)人造冻土层与原始冻土层之间的搭接融合。冻土层与原始地层搭接面的修复，以往治理中未考虑原始地层与新建冻土层连接处的搭接面构建，后期在连接处通常发生冻融或出现热融，搭接面成为水流通道，形成和断层带一样的导通结构。因此冻土层修复时，搭接面的构建是冻土生态地质层修复的关键。为防止冻融，选择泥质细渣土和导水措施、上部碎石散热层等措施实现对考虑剖面上冻土层与原始地层的搭建面处有效衔接。
季节性冻土层(0～3 m)重构，需要通过分层回填、压实、覆土复绿等工程措施实现物质结构、地下含水层结构、水源涵养能力等相似并与原始季节性冻土能搭接融合，如图6所示。多年冻土层重构(3 m至采坑底部)，需要通过选择泥质细渣土导水措施和上部构建碎石散热层等措施实现对已经破坏的原始冻土层与重构冻土层有机搭接融合，如图7所示。
通过上述构建方法，实现重构冻土层物质结构、地下含隔水层结构及水力联系、水源涵养能力相似与原始冻土层及其功能搭接融合的冻土层修复。
4)回填时间。李金平等[25]采用数值模拟方法对高原高寒露天采坑回填后对一定初始温度条件和不同边界条件下露天开挖回填后的冻土恢复速度进行预测分析，认为当填土温度由0 ℃以上降低为0 ℃以下时，冻土的恢复速率明显加快，厚度明显增大；当填土表面温度为正温时，坑底内的冻土恢复速率慢；当填土表面温度为负温时，坑底内的冻土恢复速率更快，冻土厚度更厚；随着天然地表温度的降低，冻土恢复速率逐渐加快，冻土厚度也逐渐增厚。本次木里矿区生态修复时间选定在10—12月，最低气温低于–20 ℃，保证了冻土快速恢复并保持稳定，有利于矿区的生态环境恢复。
5)表层保水设计。以上针对性的冻土层层状结构构建思路中重点体现了强化冻土层储水、蓄水的能力。尤其是基于季节性冻土上部蓄水能力提升和底部水侧流抑制思路设计的再造结构，其次是在土壤基质层重构中对基质层内渣土粒级和土质含量在垂向自下向上的递变等设计，更有利于雨水下渗和保持(图8)。
对基质层进行人工或机械耙犁，干预构建5.0 cm左右“波状”土层顶面，以有效消减大气降水的地表径流流失量、增加壤中流(图8)，提升重构保护层的保水能力。其次，在筛选复绿草籽时，在考虑气候、环境适应性的同时，优选宽叶类植被也可以降低雨水的冲刷作用和地表径流量，增强大气降水下渗转化为壤中流，提升保水能力。
6)截排水沟布设。在相对平整的渣山顶面，尤其是在回填的采坑面，主要设计布设排水沟和蓄水型截水沟，沟壁保持自然裸露、较平顺。蓄水型截水沟基本上沿等高线布设。整个截排水沟的设计不能因造成地表显著积水进而引起冻土局部融化并逐步向热融湖塘演变，同时可以大幅减少大气降水的径流流失。
7)地貌重塑。在矿山恢复治理过程时，一般都要对渣山进行消顶，对采坑进行和填平补齐，在此过程中同步达到对地貌的重塑，使其与周边地形、地貌相协调。地貌重塑时，可以从地形和坡面控制2个方面进行冻土保护。通过地形的干预控制，减小采坑垂深落差、边坡削坡、改变坡面朝向、渣山削顶降高，以提升治理区地表空气流通性，增加地气间的热交换，强化对冻土的保护作用。通过控制渣山顶部、采坑回填面等平面区域场地坡面平整至微斜坡(坡度0.5°～2°)及采取小平距缓坡与大平距平面相结合的坡面设计可以减弱大气降雨坡面流速，减弱地表径流量，增强大气降雨的保水能力，减少水土流失，促进植被生长发育，间接促进冻土的保护。
4. 冻土层修复效果验证与对比
4.1 探坑验证
木里矿区采坑回填于2020年10月至12月完成，2021年5—6月进行了覆土、土壤改良及种草复绿，至2022年6月地表植被草全部返青，复绿成效显著。2022年7月对四号井东采区坑底渣石回填区、五号井东采区坑底渣石回填区和七号井东采区煤层露头封堵区等有代表性的回填地段同步揭露和观测，如图9所示。在探坑中使用SOIL TESTER土壤测温仪(型号DT–001)和高精度玻璃棒红水温度计进行测温，其中四号井探坑深度为210 cm，五号井探坑深度为230 cm，七号井探坑深度为230 cm，见表2。
![]()
图 9 采坑回填区渣土冻结状况探坑观测Figure 9. Freezing observation of dregs in backfill area of mining pit由表2可以看出，随着探坑深度不断加大，渣土温度逐渐降低，其中四号井探坑在210 cm深度处降至0 ℃，五号井探坑在230 cm深度处降至0 ℃，七号井在180 cm深度处降至0 ℃，充分说明通过两年度的回冻，采坑渣土回填区冻土已经开始形成。测温结果表明：裸露地表气温明显高于有植被覆盖的地表气温；随着探坑深度不断加大，回填渣土温度逐渐降低至零度，不仅说明回填区冻土已经开始形成，同时也说明在回暖季节，因热融作用形成了活动层，冻土保护与修复成效显著。
4.2 钻探揭露对比
2020年11月在五号井采坑南边帮施工的地温监测孔HF–4，拟稳态测温解释初步判定多年冻土上限深度为9.40 m，原第四系顶界孔深14.90 m，表明该孔处多年冻土上限已抬升至原地表以上5.40 m。
矿区开采过程中堆放形成的渣山，堆放过程未开展任何构建和压实工作，渣堆在降水淋滤并经过多年融冻，渣山浅部逐渐形成新的冻土，2020年在聚乎更四号井南渣山上施工的ZK–5等6个勘察钻孔的岩心观察编录中，在25～32 m孔深后均可直接观察到冰层和冰砾(图10)，证明四号井南渣山重新形成了冻土，其顶界深度在25～32 m。以上钻探揭露的冻土信息表明，木里矿区重新堆填的渣山经过一定时间，渣山中已经开始形成新的冻土，同时渣山的存在并未造成压覆地原冻土顶界下移，在木里高原高寒气候条件下，冻土层具有较好的自然恢复能力。
4.3 钻孔地温监测
以钻探工程为基础手段，一般以控制季节性冻土底界和多年冻土底界不同界面为参照确定常观孔深度，随后通过在常观孔内按0.20～20 m不同点距布设温度传感器和数据采集装置，通过无线信号发送装置定期发送测温数据，实现对冻土地温的实时高频率监测。本次研究在木里矿区部署了2个地温监测孔，其中01号孔监测深度150 m，位于五号井采坑南侧，距采坑50 m；02号孔监测深度30 m，位于四号井采坑北侧，距离采坑20 m，如图11和图12所示。
表 2 探坑揭露采坑回填渣土冻结–热融情况Table 2. Freeze-heat melting of backfill dregs revealed by pit exploration深度/cm 温度/℃ 备 注 四号井坑底回填区
高程：+3 998 m五号井坑底回填区
高程：+4 013 m七号井坑底回填区
高程：+4 105 m四号井坑底回填区
高程：+3 998 m五号井坑底回填区
高程：+4 013 m七号井坑底回填区
高程：+4 105 m0 0 0 19 21 26 裸露地表气温 0 0 0 17 19 13 植被覆盖地表气温 2 2 2 15 18 19 裸露表土温度 2 2 2 14 13 11 植被覆盖表土温度 20 20 10 10 10 9 重构土壤底部温度 25 25 20 10 10 6 — 35 35 45 10 10 4 — 55 55 60 8 8 3 — 80 80 80 7 6 3 — 100 100 100 6 5 2 — 130 130 130 4 2 1 — 170 200 180 3 0 0 — 210 230 230 0 −1 −1 见冰花，挖掘面为白痕 ![]()
图 11 01号地温监测孔测温曲线Figure 11. Temperature measuring curve of No. 01 ground temperature monitoring hole![]()
图 12 02号地温监测孔测温曲线Figure 12. Temperature measuring curve of No. 02 ground temperature monitoring hole经过一年多的监测，通过不同孔一年多后持续地层温度监测对比分析认为： 01号孔多年冻土层顶界为3 m，底界深度为63 m，02号孔多年冻土层顶界为3.5 m，多年冻土的顶界已基本恢复至区域多年冻土的顶界深度，该顶界深度以下，低温基本能稳定维持在零摄氏度以下；但相比矿区及区域上多年冻土的底界深度还略显偏小，仍需一个持续逐步恢复的过程才能逐步趋向于原始多年冻土的厚度。
5. 结 论
1)在冻土层修复关键技术研究中利用了二元结构冻土生态地质层剖面模型，采用模拟原始冻土层结构的方法，通过实践科可以修复出一个与开采破坏前的原始地层成分、结构、功能作用相似的人造冻土层。
2)从冻土概况调查、剖面模型建立、搭接融合、确定回填时间、设计表层保水，布设截排水沟，地貌重塑共7个方面思考总结了冻土构建的具体方法。
3)探坑、钻探等方法揭露观测表明，通过对冻土人工构建和修复，在为治理区内冻土自我恢复能力的塑造和提升奠定坚实基础的同时，冻土的保护将为植被再生能力的提升提供水源涵养、水土保持等更为有利的条件，促进高原高寒生态修复区生态系统快速稳定。
4)冻土层构建技术作为高原高寒生态地质层修复关键技术之一，在木里生态环境修复治理项目中得到了良好的应用，生态治理恢复成效显著，证明冻土层构建思路和技术方法正确性，具有较大的实践意义，也为高原高寒地区同类地区冻土成重构和大面积生态地质层修供参考和借鉴。
-
![]()
图 2 ScCO2浸泡条件力学测试与微观结构测试系统
Figure 2. ScCO2 soaking condition mechanical test and microstructure test system
![]()
图 3 各试验条件下代表性煤样应力－应变曲线
Figure 3. Stress-strain curves of representative coal samples under various test conditions
![]()
图 6 煤样典型宏观破坏及过渡示意
Figure 6. Typical macroscopic failure and transition diagram of coal sample
![]()
图 7 煤样宏观破坏碎屑分布统计
Figure 7. Distribution Statistical distribution of macroscopic failure fragments in coal samples
![]()
图 9 ScCO2浸泡后煤样三维孔隙渲染图
Figure 9. 3D pore rendering of coal sample after ScCO2 immersion
![]()
图 11 ScCO2对煤体强度劣化示意
注：C0与C分别为考虑ScCO2吸附前、后的煤样黏聚力。$ r_0^{\mathrm{e}} $与$ r_{\mathrm{p}}^{\mathrm{e}} $分别代表煤样内部有、无ScCO2的摩尔应力圆半径。
Figure 11. Schematic diagram of strength deterioration of coal by ScCO2
![]()
图 12 基于工程尺度CO2地质封存构想示意
Figure 12. Schematic diagram of CO2 geological storage based on engineering scale
表 1 浸泡实验方案
Table 1 Immersion experiment scheme
组号 温度/℃ 浸泡时间/d A 20（室温） 0 B，C，D，E 40 1，3，5，7 F，G，H，I 60 1，3，5，7 
下载: 导出CSV
表 2 煤样试件在不同实验条件下的峰值强度及劣化程度
Table 2 Peak strength and deterioration degree of coal samples under different experimental conditions
浸泡时间/d 恒定温度40 ℃ 恒定温度60 ℃ 抗压强度/MPa 总劣化度/% 阶段劣化度/% 抗压强度/MPa 总劣化度/% 阶段劣化度/% 0 15.321 0 0 15.321 0 0 1 9.391 38.71 38.71 10.214 33.33 33.33 3 6.467 57.79 19.08 8.164 46.71 13.38 5 5.154 66.36 8.59 7.268 52.56 5.85 7 4.247 72.28 5.92 6.543 57.29 4.73
下载: 导出CSV
表 3 煤样试件在不同实验条件下的破坏特征
Table 3 Failure characteristics of coal samples under different experimental conditions
组号 恒定温度/℃ 浸泡时间/d 破坏特征 失稳类型 A 20 0 拉剪破坏 突发失稳 B 40 1 拉剪破坏 突发失稳 C 40 3 拉剪破坏 突发失稳 D 40 5 剪切破坏 准突发失稳 E 40 7 剪切破坏 渐进失稳 F 60 1 拉剪破坏 突发失稳 G 60 3 拉剪破坏 突发失稳 H 60 5 拉剪破坏 渐进失稳 I 60 7 剪切破坏 渐进失稳
下载: 导出CSV
表 4 不同ScCO2浸泡时间CT扫描图像切片
Table 4 CT scan image sections for different supercritical CO2 soaking days
CT扫描 浸泡时间/d 0 1 3 5 7 第1层 
第2层 
第3层 
第4层 
第5层 
第6层 
下载: 导出CSV
表 5 不同ScCO2浸泡时间试件内部孔裂隙分布
Table 5 Distribution of internal pore cracks in specimens with different supercritical CO2 soaking days
样品 恒定温度/℃ 浸泡时间/d 孔裂隙数量/条 孔隙率/% 样品1 20(室温) 0 10019 3.275 40 1 23048 8.972 40 3 35328 10.882 40 5 39751 12.633 40 7 42623 13.784 样品2 20(室温) 0 10325 3.395 60 1 21642 8.021 60 3 30912 9.181 60 5 36142 11.883 60 7 38956 12.386
下载: 导出CSV
-
[1] 桑树勋,牛庆合,曹丽文,等. 深部煤层CO2注入煤岩力学响应特征及机理研究进展[J]. 地球科学,2022,47(5):1849−1864. doi: 10.3321/j.issn.1000-2383.2022.5.dqkx202205022 SANG Shuxun,NIU Qinghe,CAO Liwen,et al. Mechanical response characteristics and mechanism of coal-rock with CO2 injection in deep coal seam:A review[J]. Earth Science,2022,47(5):1849−1864. doi: 10.3321/j.issn.1000-2383.2022.5.dqkx202205022
[2] 张鸿翔,李小春,魏宁. 二氧化碳捕获与封存的主要技术环节与问题分析[J]. 地球科学进展,2010,25(3):335−340. ZHANG Hongxiang,LI Xiaochun,WEI Ning. The major technology track and analysis about carbon dioxide capture and storage[J]. Advances in Earth Science,2010,25(3):335−340.
[3] 桑树勋,袁亮,刘世奇,等. 碳中和地质技术及其煤炭低碳化应用前瞻[J]. 煤炭学报,2022,47(4):1430−1451. SANG Shuxun,YUAN Liang,LIU Shiqi,et al. Geological technology for carbon neutrality and its application prospect for low carbon coal exploitation and utilization[J]. Journal of China Coal Society,2022,47(4):1430−1451.
[4] 李宁,金之钧,张士诚,等. 水/超临界二氧化碳作用下的页岩微观力学特性[J]. 石油勘探与开发,2023,50(4):872−882. doi: 10.11698/PED.20220710 LI Ning,JIN Zhijun,ZHANG Shicheng,et al. Micro-mechanical properties of shale due to water/supercritical carbon dioxide-rock interaction[J]. Petroleum Exploration and Development,2023,50(4):872−882. doi: 10.11698/PED.20220710
[5] 梁卫国,张倍宁,韩俊杰,等. 超临界CO2驱替煤层CH4装置及试验研究[J]. 煤炭学报,2014,39(8):1511−1520. LIANG Weiguo,ZHANG Beining,HAN Junjie,et al. Experimental study on coal bed methane displacement and recovery by super critical carbon dioxide injection[J]. Journal of China Coal Society,2014,39(8):1511−1520.
[6] 张俊超. 模拟超临界CO2注入高阶煤体积应变及力学性质变化特征研究[D]. 徐州:中国矿业大学,2016. ZHANG Junchao. Study on the volume strain and mechanical property variation with simulation of supercritical CO2 injection into the high rank coal[D]. Xuzhou:China University of Mining and Technology,2017.
[7] 牛庆合. 超临界CO2注入无烟煤力学响应机理与可注性试验研究[D]. 徐州:中国矿业大学,2020. NIU Qinghe. Experimental study on the mechanical response mechanism and injectivity with supercritical CO2 injection in anthracite cite[D]. Xuzhou:China University of Mining and Technology,2020.
[8] 贺伟,梁卫国,张倍宁,等. 不同煤阶煤体吸附储存CO2膨胀变形特性试验研究[J]. 煤炭学报,2018,43(5):1408−1415. HE Wei,LIANG Weiguo,ZHANG Beining,et al. Experimental study on swelling characteristics of CO2 adsorption and storage in different coal rank[J]. Journal of China Coal Society,2018,43(5):1408−1415.
[9] VIETE D R,RANJITH P G. The effect of CO2 on the geomechanical and permeability behaviour of brown coal:Implications for coal seam CO2 sequestration[J]. International Journal of Coal Geology,2006,66(3):204−216. doi: 10.1016/j.coal.2005.09.002
[10] SAMPATH K H S M,PERERA M S A,LI D Y,et al. Characterization of dynamic mechanical alterations of supercritical CO2-interacted coal through gamma-ray attenuation,ultrasonic and X-ray computed tomography techniques[J]. Journal of Petroleum Science and Engineering,2019,174:268−280. doi: 10.1016/j.petrol.2018.11.044
[11] PIRZADA M A,ZOORABADI M,LAMEI RAMANDI H,et al. CO2 sorption induced damage in coals in unconfined and confined stress states:a micrometer to core scale investigation[J]. International Journal of Coal Geology,2018,198:167−176. doi: 10.1016/j.coal.2018.09.009
[12] 白冰,李小春,刘延锋,等. CO2-ECBM中气固作用对煤体应力和强度的影响分析[J]. 岩土力学,2007,28(4):823−826. doi: 10.3969/j.issn.1000-7598.2007.04.037 BAI Bing,LI Xiaochun,LIU Yanfeng,et al. Preliminary theoretical study on impact on coal caused by interactions between CO2 and coal[J]. Rock and Soil Mechanics,2007,28(4):823−826. doi: 10.3969/j.issn.1000-7598.2007.04.037
[13] 岳立新,孙可明,张凤嘉,等. 超临界CO2作用下有效应力对煤体渗透性影响[J]. 辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2013,32(9):1157−1160. YUE Lixin,SUN Keming,ZHANG Fengjia,et al. Effect of effective stress on coal sample permeability under supercritical carbon dioxide[J]. Journal of Liaoning Technical University (Natural Science),2013,32(9):1157−1160.
[14] LIU S Q,MA J S,SANG S X,et al. The effects of supercritical CO2 on mesopore and macropore structure in bituminous and anthracite coal[J]. Fuel,2018,223:32−43. doi: 10.1016/j.fuel.2018.03.036
[15] LIU C J,WANG G X,SANG S X,et al. Fractal analysis in pore structure of coal under conditions of CO2 sequestration process[J]. Fuel,2015,139:125−132. doi: 10.1016/j.fuel.2014.08.035
[16] 肖畅,王开,张小强,等. 超临界CO2作用后无烟煤力学损伤演化特性及机理[J]. 煤炭学报,2022,47(6):2340−2351. XIAO Chang,WANG Kai,ZHANG Xiaoqiang,et al. Mechanical damage evolution characteristics and mechanism of anthracite treated with supercritical CO2[J]. Journal of China Coal Society,2022,47(6):2340−2351.
[17] 刘佳佳,聂子硕,于宝种,等. 超临界二氧化碳对煤体增透的作用机理及影响因素分析[J]. 煤炭科学技术,2023,51(2):204−216. LIU Jiajia,NIE Zishuo,YU Baozhong,et al. Analysis of the mechanism and influencing factors of supercritical carbon dioxide on coal permeability enhancement[J]. Coal Science and Technology,2023,51(2):204−216.
[18] 王磊,陈礼鹏,刘怀谦,等. 不同初始瓦斯压力下煤体动力学特性及其劣化特征[J]. 岩土力学,2023,44(1):144−158. WANG Lei,CHEN Lipeng,LIU Huaiqian,et al. Dynamic behaviors and deterioration characteristics of coal under different initial gas pressures[J]. Rock and Soil Mechanics,2023,44(1):144−158.
[19] WANG G,QIN X J,SHEN J N,et al. Quantitative analysis of microscopic structure and gas seepage characteristics of low-rank coal based on CT three-dimensional reconstruction of CT images and fractal theory[J]. Fuel,2019,256:115900. doi: 10.1016/j.fuel.2019.115900
[20] 王登科,张平,浦海,等. 温度冲击下煤体裂隙结构演化的显微CT实验研究[J]. 岩石力学与工程学报,2018,37(10):2243−2252. WANG Dengke,ZHANG Ping,PU Hai,et al. Experimental research on cracking process of coal under temperature variation with industrial micro-CT[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2018,37(10):2243−2252.
[21] JIANG C B,YANG Y,WEI W H,et al. A new stress-damage-flow coupling model and the damage characterization of raw coal under loading and unloading conditions[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2021,138:104601. doi: 10.1016/j.ijrmms.2020.104601
[22] 张艳博,徐跃东,刘祥鑫,等. 基于CT的岩石三维裂隙定量表征及扩展演化细观研究[J]. 岩土力学,2021,42(10):2659−2671. ZHANG Yanbo,XU Yuedong,LIU Xiangxin,et al. Quantitative characterization and mesoscopic study of propagation and evolution of three-dimensional rock fractures based on CT[J]. Rock and Soil Mechanics,2021,42(10):2659−2671.
[23] 王磊,刘怀谦,谢广祥,等. 含瓦斯煤孔裂隙结构精细表征及强度劣化机制[J]. 岩土力学,2021,42(12):3203−3216. WANG Lei,LIU Huaiqian,XIE Guangxiang,et al. Fine characterization of the pore and fracture structure and strength degradation mechanism of gas bearing coal[J]. Rock and Soil Mechanics,2021,42(12):3203−3216.
[24] WENG L,WU Z J,LIU Q S,et al. Energy dissipation and dynamic fragmentation of dry and water-saturated siltstones under sub-zero temperatures[J]. Engineering Fracture Mechanics,2019,220:106659. doi: 10.1016/j.engfracmech.2019.106659
[25] 何立国. 超临界CO2作用下煤体宏观力学特性及细观结构研究[D]. 太原:太原理工大学,2022. HE Liguo. Study on macro mechanical properties and micro structure of coal under supercritical CO2[D]. Taiyuan:Taiyuan University of Technology,2022.
[26] 张小东,张瑜,张硕,等. 超临界CO2对高阶构造煤微观结构的影响机制[J]. 煤田地质与勘探,2023,51(5):45−53. doi: 10.12363/issn.1001-1986.22.10.0778 ZHANG Xiaodong,ZHANG Yu,ZHANG Shuo,et al. Influencing mechanisms of SC-CO2 extraction on the microstructures of high-rank tectonic coals[J]. Coal Geology & Exploration,2023,51(5):45−53. doi: 10.12363/issn.1001-1986.22.10.0778
[27] ZHANG G L,RANJITH P G,LI Z S,et al. Application of synchrotron ATR-FTIR microspectroscopy for chemical characterization of bituminous coals treated with supercritical CO2[J]. Fuel,2021,296:120639. doi: 10.1016/j.fuel.2021.120639
[28] CHEN K,LIU X F,WANG L K,et al. Influence of sequestered supercritical CO2 treatment on the pore size distribution of coal across the rank range[J]. Fuel,2021,306:121708. doi: 10.1016/j.fuel.2021.121708
[29] 曾梦茹. 不同温度超临界CO2条件下煤微观结构特征及改造机理研究[D]. 重庆:重庆大学,2020. ZENG Mengru. Study on the coal microstructural characteristics and transformation mechanism treated by supercritical CO2 at different temperatures[D]. Chongqing:Chongqing University,2020.
[30] 张宇杰,郭红光,李治刚,等. 超临界CO2萃取提高褐煤生物甲烷产气模拟实验[J]. 煤炭学报,2021,46(10):3278−3285. ZHANG Yujie,GUO Hongguang,LI Zhigang,et al. Promoted microbial degradation of lignite by supercritical CO2 extraction to enhance coalbed methane production[J]. Journal of China Coal Society,2021,46(10):3278−3285.
[31] 代旭光,王猛,冯光俊,等. 超临界CO2−水−页岩作用矿物溶蚀/沉淀特征及其对页岩吸附性的影响[J]. 煤炭学报,2023,48(7):2813−2826. DAI Xuguang,WANG Meng,FENG Guangjun,et al. Mineralogical erosion and precipitation characteristics and their effects on adsorption property of shale during scCO2-H2O-shale interaction[J]. Journal of China Coal Society,2023,48(7):2813−2826.
[32] 孙可明,吴迪,粟爱国,等. 超临界CO2作用下煤体渗透性与孔隙压力–有效体积应力–温度耦合规律试验研究[J]. 岩石力学与工程学报,2013,32(S2):3760−3767. SUN Keming,WU Di,SU Aiguo,et al. Experimental study on the coupling law of coal permeability and pore pressure-effective volume stress-temperature under the action of supercritical CO2[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2013,32(S2):3760−3767.
[33] 王登科,张航,魏建平,等. 基于工业CT扫描的瓦斯压力影响下含瓦斯煤裂隙动态演化特征[J]. 煤炭学报,2021,46(11):3550−3564. WANG Dengke,ZHANG Hang,WEI Jianping,et al. Dynamic evolution characteristics of fractures in gas-bearing coal under the influence of gas pressure using industrial CT scanning technology[J]. Journal of China Coal Society,2021,46(11):3550−3564.
[34] 卢平,沈兆武,朱贵旺,等. 含瓦斯煤的有效应力与力学变形破坏特性[J]. 中国科学技术大学学报,2001,31(6):686−693. doi: 10.3969/j.issn.0253-2778.2001.06.009 LU Ping,SHEN Zhaowu,ZHU Guiwang,et al. The effective stress and mechanical deformation and damage characteristics of gas-filled coal[J]. Journal of University of Science and Technology of China,2001,31(6):686−693. doi: 10.3969/j.issn.0253-2778.2001.06.009
[35] 李祥春,郭勇义,吴世跃,等. 考虑吸附膨胀应力影响的煤层瓦斯流–固耦合渗流数学模型及数值模拟[J]. 岩石力学与工程学报,2007,26(S1):2743−2748. LI Xiangchun,GUO Yongyi,WU Shiyue,et al. Mathematical model and numerical simulation of fluid-solid coupled flow of coal-bed gas considering swelling stress of adsorption[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2007,26(S1):2743−2748.
[36] 吴世跃,赵文. 含吸附煤层气煤的有效应力分析[J]. 岩石力学与工程学报,2005,24(10):1674−1678. doi: 10.3321/j.issn:1000-6915.2005.10.007 WU Shiyue,ZHAO Wen. Analysis of effective stress in adsorbed methane-coal system[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2005,24(10):1674−1678. doi: 10.3321/j.issn:1000-6915.2005.10.007
[37] 王双明,申艳军,孙强,等. “双碳” 目标下煤炭开采扰动空间CO2地下封存途径与技术难题探索[J]. 煤炭学报,2022,47(1):45−60. WANG Shuangming,SHEN Yanjun,SUN Qiang,et al. Underground CO2 storage and technical problems in coal mining area under the “dual carbon” target[J]. Journal of China Coal Society,2022,47(1):45−60.
[38] 张军建,常象春,吕大炜,等. 双碳目标下煤层发育区CO2地质封存研究与评价[J]. 煤炭科学技术,2023,51(S1):206−214. doi: 10.12438/cst.2022-0538 ZHANG Junjian,CHANG Xiangchun,LYU Dawei,et al. Carbon dioxide geological storage system in coal seam development area under the premise of double carbon target[J]. Coal Science and Technology,2023,51(S1):206−214. doi: 10.12438/cst.2022-0538
-
期刊类型引用(23)
1. 李培涛，刘泉声，朱元广，高峰，范利丹. 煤矿深部巷道大变形分步联合控制研究. 岩土力学. 2025(02): 591-612 . 
百度学术
2. 赵增辉，杜佳泽，马庆，何睿喆. 弱胶结巷道围岩全断面锚固支护时机-支护参数综合影响分析. 中国矿业. 2025(03): 134-144 . 百度学术
3. 杭银建，刘洪林，李国栋. 弱胶结膨胀性富水煤巷围岩变形破坏特征及控制技术. 煤炭工程. 2025(02): 54-60 . 百度学术
4. 张闯，杜盼，陈建崇，姚新宇，王博，杨雨默，李瞻领，马耀荣，常震坤，许良珂. 弱胶结含砾岩层覆岩断裂及应力变化特征研究. 煤矿安全. 2025(05): 121-130 . 百度学术
5. 李政委. 某矿大断面软岩顶板巷道围岩支护优化. 现代矿业. 2024(04): 212-215 . 百度学术
6. 李桂臣，邵泽宇，孙元田，李菁华，杨森，郝浩然，沃小芳. 煤矿掘采空间垮塌岩体稳定性与救援通道构建. 绿色矿山. 2024(01): 11-20 . 百度学术
7. 朱铖宇，刘洪林，陈志文，罗文杰，朱俊杰，邹长锋，吴振良. 弱胶结地层富水巷道围岩变形规律研究. 煤炭技术. 2024(06): 43-47 . 百度学术
8. 郑建伟，管增伦，鞠文君，张修峰，薛珊珊，王帅，李海涛，杨国强，李春元，王之禾. 三向应力下支护应力对圆形巷道围岩应力分布规律的影响. 采矿与岩层控制工程学报. 2024(03): 118-127 . 百度学术
9. 高永格，徐振铭，洛锋，陈振，王鹏，李盟，高帅，何团. 高偏应力煤巷围岩拉剪破裂特征及分区控制方法研究. 采矿与岩层控制工程学报. 2024(04): 66-79 . 百度学术
10. 刘家顺，周妮，左建平，郑智勇，金佳旭. 卸围压下弱胶结软岩分数阶蠕变损伤本构模型. 岩土力学. 2024(10): 2937-2948 . 百度学术
11. 张世忠，范钢伟，张东升，李文平，范张磊. 应力-损伤-渗流耦合下采动弱胶结覆岩渗透性演化规律. 采矿与安全工程学报. 2024(06): 1230-1240 . 百度学术
12. 赵明洲，方娟，辛程鹏. 深部高应力半煤岩巷变形机理及跨界高强支护技术. 煤矿安全. 2023(06): 113-122 . 百度学术
13. 王杰，庞建勇，赵正阳，姚韦靖. 软岩巷道中锚杆参数对围岩稳定性的影响分析. 河南城建学院学报. 2023(04): 32-39 . 百度学术
14. 李学彬，谷群涛，温国惠，孙兆冰，朱建平，陈明虎，周玉颖. 侏罗系地层巷道淋水顶板破坏机理及治理研究. 煤炭科学技术. 2023(09): 170-179 . 本站查看
15. 程志斌，王祖洸，李化敏，王文强. 大同矿区回采巷道覆岩稳定性分类及支护参数优化. 矿业安全与环保. 2023(05): 111-115+123 . 百度学术
16. 石垚. 预应力锚杆支护应力场叠加效应试验研究. 能源与环保. 2023(11): 51-60 . 百度学术
17. 黄勇，潘夏辉，林志斌. 深埋弱胶结软岩巷道变形破坏规律与控制对策. 煤矿安全. 2022(02): 210-218 . 百度学术
18. 相啸宇，杨学瑞，马成甫，任强，张闯，房平，罗波远，孙彦宁. 断层影响下弱胶结软岩工作面停采线合理位置确定. 煤炭技术. 2022(06): 29-33 . 百度学术
19. 王波，张海峰，杨张杰，张敦喜，余大军. 工作面断层带静动压分步耦合预注浆加固技术研究. 煤炭科学技术. 2022(06): 186-195 . 本站查看
20. 李桂臣，杨森，孙元田，许嘉徽，李菁华. 复杂条件下巷道围岩控制技术研究进展. 煤炭科学技术. 2022(06): 29-45 . 本站查看
21. 李景涛，马成甫，张闯，任强，于凤海，计鹏举，周凯. 弱胶结软岩地层大巷保护煤柱宽度的优化. 黑龙江科技大学学报. 2022(05): 582-587 . 百度学术
22. 陈康，杨张杰，王福海，王威，王庆牛. 富水弱胶结顶板巷道支护优化设计研究. 煤炭工程. 2022(11): 79-83 . 百度学术
23. 郝明，潘夏辉，张勃阳. 淋水条件下弱胶结软岩巷道变形破坏特征与支护技术. 煤矿安全. 2021(12): 219-228 . 百度学术
其他类型引用(10)
计量
- 文章访问数: 70
- HTML全文浏览量: 9
- PDF下载量: 19
- 被引次数: 33
