超臨界CO2作用后無煙煤力學(xué)損傷演化特性及機(jī)理

肖 暢，王 開，張小強(qiáng)，姜玉龍，閆建兵，岳少飛，王文偉，詹 傲

(太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024)

二氧化碳的捕獲與封存(Carbon Dioxide Capture and Storage,CCS)是將大氣中的CO進(jìn)行捕獲，并存儲(chǔ)到深部地下當(dāng)中。目前能源低碳減排是中國及世界其他各國提上日程的重要議題，CO被認(rèn)為是導(dǎo)致全球氣候變暖的主要元兇之一?，F(xiàn)關(guān)于CO的地質(zhì)處置方式有很多，如：深部不可開采煤層儲(chǔ)存CO、深部鹵水封存CO、CO強(qiáng)化采油、CO強(qiáng)化采氣等。由此可見深部不可開采煤層進(jìn)行的地質(zhì)封存既可減少大氣中CO的含量，又可以驅(qū)替抽采煤層中的瓦斯，一舉雙效，具有重要意義。在深部不可開采煤層中，當(dāng)溫度和壓力達(dá)到CO的臨界點(diǎn)(31.1 ℃和7.38 MPa)時(shí)，CO就會(huì)呈現(xiàn)超臨界態(tài)，同時(shí)表現(xiàn)出氣體以及液體的部分性質(zhì)。當(dāng)CO特別是超臨界CO與煤相互作用時(shí)，會(huì)引起煤體物理性質(zhì)和化學(xué)結(jié)構(gòu)的改變，進(jìn)而導(dǎo)致煤層的結(jié)構(gòu)損傷，改變其力學(xué)性能。因此，煤體力學(xué)性質(zhì)的變化直接關(guān)系CO地質(zhì)封存的有效性和安全性問題。

在超臨界CO作用后引起煤體力學(xué)特性發(fā)生改變的方面，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。張俊超研究發(fā)現(xiàn)超臨界CO的注入壓力越大對(duì)煤體的力學(xué)強(qiáng)度弱化越大，釋放了其中的表面能，使得煤體的塑性增強(qiáng)。VIETE D R等研究發(fā)現(xiàn)超臨界CO在煤體上的吸附弱化了其力學(xué)性能，從而導(dǎo)致煤體滲透率增加。在引起煤體孔裂隙結(jié)構(gòu)方面，岳立新等研究發(fā)現(xiàn)超臨界態(tài)CO對(duì)煤體有萃取作用，煤體滲透率與超臨界CO注入時(shí)孔隙壓力有關(guān)。LIU等認(rèn)為煤和CO之間的反應(yīng)會(huì)改變孔隙結(jié)構(gòu)，增大孔隙的體積和連通性，改變其分形維數(shù)等。SAMPATH和PIRZADA等認(rèn)為煤飽和CO之后會(huì)引起煤體的損傷，具體地，吸附引起的膨脹會(huì)產(chǎn)生微裂縫，故反應(yīng)后煤樣的裂隙密度明顯增大。在引起煤體變形進(jìn)而影響滲透率方面，白冰等從膨脹應(yīng)力的公式入手得出了煤體在相同吸附量的情況下，吸附CO引起的膨脹變形要大于吸附CH下產(chǎn)生的變形。賀偉等通過試驗(yàn)對(duì)不同煤階煤體吸附CO后引起的變形進(jìn)行研究，研究表明超臨界CO作用時(shí)間越長，煤體的滲透率越大。牛慶合進(jìn)行了8，16，24 h的注氣實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)CO的作用壓力、作用時(shí)間以及水都會(huì)對(duì)煙煤的力學(xué)強(qiáng)度與滲透率產(chǎn)生影響。

盡管如此，關(guān)于含水煤層CO注入過程中煤巖的力學(xué)性質(zhì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)仍顯不足，存在超臨界CO作用時(shí)間較短及損傷模型不明確等問題，鑒于此，筆者從水分含量、超臨界CO浸泡時(shí)間2個(gè)方面入手，通過開展不同試驗(yàn)條件下無煙煤的單軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)，以探討CO注入含水煤儲(chǔ)層的力學(xué)響應(yīng)特征，揭示CO注入煤層過程中，煤體力學(xué)性質(zhì)及聲發(fā)射的演化規(guī)律。最終，從力學(xué)角度為煤儲(chǔ)層CO-ECBM的有效性和安全性提供理論基礎(chǔ)。

1 超臨界CO2浸泡試驗(yàn)設(shè)置

試樣選取山西省晉城市海天煤業(yè)15號(hào)煤層(無煙煤)。將取好的煤塊放入充滿木屑的木箱中運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，拆封后用巖石取芯機(jī)將其加工為標(biāo)準(zhǔn)試件，尺寸為50 mm×100 mm，試件如圖1所示，煤樣的基本參數(shù)見表1。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)試樣

表1 無煙煤的基本參數(shù)

浸泡超臨界CO試驗(yàn)之前，將煤樣進(jìn)行干燥處理，當(dāng)其質(zhì)量不再發(fā)生變化時(shí)，可認(rèn)為煤樣含水率為0(干燥狀態(tài))，其余煤樣在水中進(jìn)行飽水處理，飽水處理的水為煤礦地下水。每隔8 h取出試件進(jìn)行一次稱重，當(dāng)最終質(zhì)量不變后，即可認(rèn)為煤樣處于飽水狀態(tài)。據(jù)式(1)得到試樣達(dá)到飽水狀態(tài)的含水率=3.21%(飽水狀態(tài))。

(1)

之后進(jìn)行超臨界CO浸泡試驗(yàn)，一般而言，在CO注入半天之內(nèi)煤巖的單軸抗壓強(qiáng)度就降低了60%左右，隨后，隨著時(shí)間的增加抗壓強(qiáng)度降低幅度趨緩，這說明超臨界CO注入的初始階段對(duì)煤巖力學(xué)性質(zhì)影響較大，故本試驗(yàn)超臨界CO浸泡時(shí)間設(shè)為3，5，7 d；浸泡壓力為10 MPa，浸泡溫度為50 ℃，為降低試驗(yàn)誤差，各組設(shè)3個(gè)煤樣進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果取3者均值。超臨界CO浸泡方案見表2。

表2 浸泡試驗(yàn)方案

浸泡超臨界CO試驗(yàn)裝置示意如圖2所示，該儀器可以滿足20～100 ℃，20 MPa試驗(yàn)條件下的浸泡試驗(yàn)，力學(xué)試驗(yàn)示意如圖3所示，巖石試驗(yàn)系統(tǒng)采用STYE-2000 KN型壓力機(jī)；聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)采用北京聲華科技生產(chǎn)的SWAE4設(shè)備對(duì)煤樣破壞過程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由測微計(jì)系統(tǒng)、位移傳感器和應(yīng)力傳感器共同組成，分別對(duì)煤樣軸向、徑向變形及載荷進(jìn)行采集。

圖2 超臨界CO2浸泡裝置

圖3 試驗(yàn)加載與數(shù)據(jù)采集示意

最后對(duì)不同試驗(yàn)方案下的煤體進(jìn)行單軸加載試驗(yàn)，加載方式采用0.1 mm/min位移控制加載，試件加載過程中聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)需即時(shí)采集聲發(fā)射信號(hào)。加載過程中聲發(fā)射信號(hào)的采集是由4個(gè)SR105M型傳感器完成的，每個(gè)傳感器均配置PAI型前置放大器。將4個(gè)傳感器用黃膠帶將聲發(fā)射探頭均勻地固定在試件的上下兩端，保證兩兩互相垂直，并在接觸位置涂抹凡士林，具體位置如圖3所示。根據(jù)聲發(fā)射斷鉛試驗(yàn)的結(jié)果，將聲發(fā)射探頭采集頻率設(shè)為60～400 kHz，門檻值設(shè)為45 dB，主放設(shè)為40 dB，采樣頻率設(shè)為10 MHz。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 超臨界CO2作用后煤體應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖4可以看出，各試驗(yàn)條件下煤體的應(yīng)力-軸向應(yīng)變、應(yīng)力-徑向應(yīng)變2者的變化趨勢基本相同，均表現(xiàn)出4個(gè)典型階段：初始?jí)好茈A段、彈性變形階段、屈服階段、峰后破壞階段。

圖4 不同試驗(yàn)條件下煤體軸、徑向應(yīng)力-應(yīng)變曲線

(1)初始?jí)好茈A段。在該階段中隨軸壓逐漸增大，初始曲線較為平穩(wěn)隨后開始上揚(yáng)，呈現(xiàn)上凹陷狀，說明曲線的斜率逐漸增大，煤體的剛度增大。由圖4可見應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線的凹陷現(xiàn)象較為明顯，而徑向應(yīng)力應(yīng)變幾乎呈直線變化。隨著位移的逐漸增大，煤樣中預(yù)先存在的孔裂隙受到壓縮以及閉合，這個(gè)過程中發(fā)生較小應(yīng)變所需的應(yīng)力越大，因而導(dǎo)致應(yīng)力-應(yīng)變曲線在初始階段呈現(xiàn)上凹陷狀。然而C，D，E，F(xiàn)，G，H六組較A，B兩組有較明顯的上凹，且C，D，E較F，G，H三組有較大上凹，原因是水+超臨界CO作用下造成煤體力學(xué)弱化，較易壓密。

(2)彈性變形階段。煤樣在得到充分的壓實(shí)之后，原始孔裂隙度迅速降低，且新的裂隙尚未產(chǎn)生，煤樣的密度變大，此階段煤樣等同于彈性體。煤樣的軸向應(yīng)變和應(yīng)力之間呈正線性關(guān)系，基本可視為直線，符合Hooke定律。

(3)屈服階段。此時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線轉(zhuǎn)為非線性變化，煤樣進(jìn)入新裂紋的擴(kuò)展時(shí)期，該過程曲線的斜率有所降低，煤樣的剛度開始下降，由于新裂隙的產(chǎn)生，煤樣的徑向應(yīng)變增加速率增大。

(4)峰后破壞階段。當(dāng)載荷加至煤樣峰值強(qiáng)度后煤樣發(fā)生破壞，應(yīng)力開始大幅下降，出現(xiàn)應(yīng)力跌落現(xiàn)象，此階段煤體內(nèi)部產(chǎn)生大量微裂紋并且相互貫通最終連接形成宏觀裂縫，失去承載能力。

2.2 超臨界CO2作用后煤體強(qiáng)度劣化規(guī)律分析

定義試件在超臨界CO作用過程中力學(xué)參數(shù)降低程度為劣化度，它在一定程度上反映了試樣經(jīng)歷超臨界CO作用過程后的損傷程度。其中，總劣化度表示超臨界CO作用之前與超臨界CO作用后的力學(xué)參數(shù)降低程度，可表示為

(2)

其中，為試件經(jīng)歷超臨界CO作用后的總劣化度；為試樣在超臨界CO作用之前的初始力學(xué)參數(shù)值，力學(xué)參數(shù)主要包括抗壓強(qiáng)度、彈性模量和泊松比等；為超臨界CO作用之后的力學(xué)參數(shù)值,下角為超臨界CO浸泡的不同時(shí)間。為了更好的表征超臨界CO在某一實(shí)驗(yàn)條件作用下與上一實(shí)驗(yàn)條件作用下相比,力學(xué)參數(shù)的降低程度(以初始力學(xué)參數(shù)為基準(zhǔn))，設(shè)階段劣化度Δ為

(3)

煤體在不同水分含量及不同浸泡時(shí)間下的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表3。為了更加直觀的分析煤樣在超臨界CO作用下的強(qiáng)度特征及劣化規(guī)律，得到如圖5～7所示結(jié)果。

表3 煤體在不同試驗(yàn)條件下的抗壓強(qiáng)度及劣化度

圖5反映了無煙煤強(qiáng)度在不同含水狀態(tài)下隨浸泡時(shí)間的變化規(guī)律。結(jié)合表3和圖5可知，各組煤樣在超臨界CO浸泡0，3，5，7 d后，干燥組煤樣抗壓強(qiáng)度分別為19.88，14.61，13.16，12.18 MPa，較浸泡前降低了7.7 MPa；飽水組煤樣抗壓強(qiáng)度分別為17.49，10.25，9.23，8.67 MPa，較浸泡前降低了8.82 MPa,由此可見，通過超臨界CO的作用使煤體的抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)出明顯的劣化效應(yīng)，且隨超臨界CO作用時(shí)間的增加，干、飽2組煤樣的抗壓強(qiáng)度均出現(xiàn)了減小的情況。

圖5 煤體在不同試驗(yàn)條件下的抗壓強(qiáng)度

圖6為不同試驗(yàn)條件下煤體隨超臨界CO作用不同時(shí)間下抗壓強(qiáng)度的總劣化度。由圖6可知，2組煤體的抗壓強(qiáng)度總劣化度逐漸增大。在超臨界CO浸泡3 d之后，C，F(xiàn)兩組煤樣的總劣化度分別為26.51%，41.39%，浸泡5 d之后D，G兩組煤樣的總劣化度分別為33.8%，47.23%，浸泡7 d后，E，H兩組煤體抗壓強(qiáng)度總劣化度為38.73%，50.43%，由此可見，飽水組較干燥組在超臨界CO作用后的劣化效應(yīng)更加明顯。這是因?yàn)榈V井水本身與煤基質(zhì)就會(huì)發(fā)生反應(yīng)導(dǎo)致煤體孔裂隙增多，且超臨界CO溶于礦井水之后與煤基質(zhì)產(chǎn)生更加激烈的化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致在超臨界CO作用下飽水組的總劣化度大于干燥組。

圖6 煤體在不同試驗(yàn)條件下抗壓強(qiáng)度的總劣化度

由圖6還可以看出，飽水組超臨界作用3 d后的總劣化度為41.39%，較干燥組超臨界CO作用7 d后的總劣化度38.73%還要大，故各試驗(yàn)條件下煤樣強(qiáng)度總劣化度情況為：H組煤樣>G組煤樣>F組煤樣>E組煤樣>D組煤樣>C組煤樣>B組煤樣>A組煤樣。由此可以得出，水+超臨界CO對(duì)煤體劣化度的影響>超臨界CO對(duì)煤體劣化度的影響>水對(duì)煤體劣化度的影響，即水+超臨界CO的耦合作用下對(duì)抗壓強(qiáng)度總劣化比單因素條件(超臨界CO、水)下更為突出。

圖7反映了超臨界CO浸泡不同時(shí)間下煤體抗壓強(qiáng)度的階段劣化度，干燥條件下隨浸泡時(shí)間的增加，階段劣化度分別為26.51%，7.29%，4.93%，階段劣化程度不斷降低；飽水條件下隨浸泡時(shí)間的增加，階段劣化度分別為41.39%，5.84%，3.2%，劣化程度也呈降低趨勢。由此可知煤樣在干燥和飽和狀態(tài)下，抗壓強(qiáng)度階段劣化度隨著浸泡時(shí)間的增加，階段劣化度均不斷降低，隨著浸泡時(shí)間的增加，煤體抗壓強(qiáng)度總劣化度逐漸平穩(wěn)，最終會(huì)趨向于一個(gè)定值。煤體在超臨界長期作用下強(qiáng)度劣化到一定程度后，基本不再發(fā)生變化。

圖7 不同試驗(yàn)條件下煤體抗壓強(qiáng)度的階段劣化度

2.3 超臨界CO2作用后煤體彈性模量及泊松比劣化規(guī)律分析

圖8為煤體不同浸泡時(shí)間下的彈性模量變化趨勢，干燥組試樣從1.89 GPa減小到1.10 GPa，減小了41.79%；飽水組試樣從1.65 GPa減小到0.61 GPa，減小了63.03%。各試驗(yàn)條件下煤樣的彈性模量均出現(xiàn)不同程度的降低，其中在H組試驗(yàn)條件下，試樣的彈性模量減小較明顯。煤是一種具有諸多封閉裂縫的特殊巖石，裂縫接觸面摩擦因數(shù)的增加會(huì)導(dǎo)致彈性模量的增大，摩擦因數(shù)越高，裂紋接觸面越難滑動(dòng)。隨著浸泡超臨界CO時(shí)間的增加，對(duì)煤體的損傷逐漸增大，新裂紋的增加使裂紋接觸面的摩擦因數(shù)降低，造成接觸面的滑移阻力降低，從而導(dǎo)致了彈性模量的減小。

圖8 煤體在不同試驗(yàn)條件下的彈性模量

對(duì)干燥、飽水2組煤樣的彈性模量與浸泡時(shí)間關(guān)系進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)2者之間符合=+exp(-)的關(guān)系式(其中，為超臨界CO浸泡不同時(shí)間后的彈性模量；為初始狀態(tài)的彈性模量；，為擬合參數(shù)；為超臨界CO浸泡時(shí)間)，見表4，擬合程度良好。根據(jù)式(2)，(3)可計(jì)算出煤體彈性模量的總劣化度和階段劣化度，分別如圖9，10所示。

表4 煤體在不同試驗(yàn)條件下彈性模量與浸泡時(shí)間的函數(shù)關(guān)系式

圖9 不同試驗(yàn)條件下煤體彈性模量的總劣化度

圖10 不同試驗(yàn)條件下煤體彈性模量的階段劣化度

2組煤體彈性模量的總劣化度隨浸泡時(shí)間增加而不斷增大，但浸泡時(shí)間不同，劣化程度不同。由圖9，10可知，0～3 d內(nèi)，干燥、飽水2組試樣的彈性模量總劣化度分別為31.13%，42.51%；3～5 d內(nèi)，2組的總劣化度分別為37.69%，56.49%，階段劣化度分別為6.57%，14.06%；5～7 d內(nèi)，2組的總劣化度分別為41.63%，63.38%，階段劣化度分別為4.19%，6.57%。在超臨界CO浸泡前期，試樣彈性模量的劣化速度較快，隨著超臨界CO浸泡時(shí)間的增加，煤體彈性模量的損傷效應(yīng)逐漸減弱，這與超臨界CO對(duì)煤體抗壓強(qiáng)度的損傷演化規(guī)律基本一致。

泊松比是指煤巖壓縮過程中徑向應(yīng)變與軸向應(yīng)變的比值，也是表征試樣力學(xué)性質(zhì)的重要參數(shù)之一，泊松比越大，表示試件的彈性越小、塑性越大。泊松比隨超臨界CO浸泡時(shí)間的增加呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，干燥組煤樣的泊松比分別為0.263，0.318，0.325，0.331；飽水組煤樣的泊松比分別為0.307，0.342，0.356，0.364，干燥組煤樣的泊松比分別增長了20.91%，23.57%，25.85%；飽水組煤樣的泊松比分別增長了11.41%，15.96%，18.56%，由以上試驗(yàn)結(jié)果可知，隨超臨界CO浸泡時(shí)間的增加，泊松比呈升高趨勢，但增長幅度逐漸降低。這進(jìn)一步說明了隨超臨界CO浸泡時(shí)間的增加煤體的變形由脆性變形轉(zhuǎn)換到塑性變形，說明損傷程度逐漸增大。

3 煤體聲發(fā)射及損傷演化特征

3.1 煤體聲發(fā)射特征分析

聲發(fā)射是研究煤樣損傷演化過程的有效手段，能有效的監(jiān)測煤樣內(nèi)部微裂隙貫通與發(fā)展的各過程，其中聲發(fā)射累計(jì)數(shù)反映了煤樣在破壞過程中內(nèi)部結(jié)構(gòu)的演化。在每組的3個(gè)試樣中選取具有代表性的曲線繪制了隨超臨界CO作用下煤樣的應(yīng)力-應(yīng)變-聲發(fā)射累計(jì)數(shù)關(guān)系曲線，如圖11所示。

由圖11可以發(fā)現(xiàn)，各試驗(yàn)條件下煤樣的聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)曲線與第2節(jié)中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線有良好的一致性，亦可分為4個(gè)階段：① 聲發(fā)射微弱階段，在該階段聲發(fā)射信號(hào)微弱甚至沒有聲發(fā)射信號(hào)的產(chǎn)生，與應(yīng)力-應(yīng)變曲線的壓密階段相對(duì)應(yīng)；② 聲發(fā)射慢速上升階段，此時(shí)開始有聲發(fā)射信號(hào)的產(chǎn)生，但速度較慢，煤樣發(fā)生彈性變形，與應(yīng)力-應(yīng)變曲線中的彈性階段相對(duì)應(yīng)；③ 聲發(fā)射快速上升階段，聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生的速度較上一階段有了明顯的增加，此時(shí)煤樣內(nèi)會(huì)重新出現(xiàn)大量微裂隙，使得煤樣由彈性向塑性過渡，進(jìn)而使聲發(fā)射信號(hào)的增長速率得以提升，與屈服階段相對(duì)應(yīng)。且隨超臨界CO浸泡時(shí)間的增加，煤樣聲發(fā)射累計(jì)曲線的斜率呈降低趨勢，這是因?yàn)槌R界CO的煤體的弱化效應(yīng)抑制聲發(fā)射信號(hào)的產(chǎn)生；④ 聲發(fā)射突增階段，與峰后破壞階段相對(duì)應(yīng)，該階段載荷達(dá)到煤樣極限強(qiáng)度，煤樣發(fā)生破壞，導(dǎo)致聲發(fā)射信號(hào)急劇增加達(dá)到最大值，由于超臨界CO和水的損傷作用，導(dǎo)致C～H組聲發(fā)射累計(jì)數(shù)出現(xiàn)降低的現(xiàn)象。

圖11 不同試驗(yàn)條件下煤樣的全應(yīng)力-應(yīng)變-聲發(fā)射累計(jì)數(shù)曲線

表5為不同浸泡時(shí)間下煤樣的聲發(fā)射累計(jì)數(shù)。為了更加清晰直觀地反映聲發(fā)射累計(jì)數(shù)與浸泡時(shí)間的關(guān)系，得到如圖12所示結(jié)果。

表5 煤體不同浸泡時(shí)間下的聲發(fā)射累計(jì)數(shù)

圖12 不同浸泡時(shí)間下煤樣聲發(fā)射累計(jì)數(shù)

由表5和圖12可以看出，浸泡時(shí)間對(duì)煤樣聲發(fā)射累計(jì)數(shù)具有顯著影響。干燥組煤體在未浸泡超臨界CO時(shí)的聲發(fā)射累計(jì)數(shù)最大，為6.46×10；浸泡7 d后，聲發(fā)射累計(jì)數(shù)最小，為3.01×10，下降53.41%。飽水組煤體在未浸泡超臨界CO時(shí)，煤樣的聲發(fā)射累積數(shù)最大，為5.38×10；浸泡7 d后，聲發(fā)射累積數(shù)最小，為0.34×10，下降93.68%。隨浸泡超臨界CO時(shí)間的增加，煤體聲發(fā)射累計(jì)數(shù)顯著降低，且飽水組煤體的聲發(fā)射累計(jì)數(shù)均小于干燥組煤體，究其原因，是因?yàn)槊后w內(nèi)部存在大量的黏土礦物，在礦井水及超臨界CO的作用下，使得黏土礦物的微觀結(jié)構(gòu)和成分發(fā)生改變，造成其內(nèi)部的膠結(jié)程度及粒子強(qiáng)度明顯下降，導(dǎo)致了煤體在水+超臨界CO作用下聲發(fā)射累積數(shù)減少及聲發(fā)射現(xiàn)象減弱的情況。

表6為不同試驗(yàn)條件下的煤體聲發(fā)射累計(jì)數(shù)擬合方程，可以發(fā)現(xiàn)煤樣的聲發(fā)射累計(jì)數(shù)與浸泡時(shí)間符合=+exp(-)關(guān)系式，2條曲線的擬合優(yōu)度為0.99，0.97，擬合程度較好。由表5及圖12可以看出，浸泡初期，聲發(fā)射累計(jì)數(shù)下降較快，隨著浸泡時(shí)間的增加，聲發(fā)射累計(jì)數(shù)明顯減少。由此說明，浸泡初期超臨界CO作用對(duì)煤體的損傷比較顯著，浸泡時(shí)間越長，對(duì)煤體的損傷越不明顯。

表6 煤體在不同試驗(yàn)條件下聲發(fā)射累計(jì)數(shù)與浸泡時(shí)間的函數(shù)關(guān)系式

3.2 基于浸泡時(shí)間的煤體損傷模型

超臨界CO的作用對(duì)于煤體損傷、劣化具有重要作用，其中超臨界CO的浸泡時(shí)間是影響煤體強(qiáng)度的重要因素。煤樣的聲發(fā)射表征了煤體內(nèi)部的損傷情況，與煤樣的損傷變量必然存在著關(guān)聯(lián)性，故可以利用損傷理論構(gòu)建基于超臨界CO浸泡時(shí)間的煤體損傷模型。TANG運(yùn)用連續(xù)損傷力學(xué)的理論，提出了損傷變量與聲發(fā)射累積數(shù)相一致的觀點(diǎn)。

損傷變量為

(4)

式中，為由超臨界CO引起的截面損傷面積；為未浸泡超臨界CO時(shí)截面的初始面積。

定義初始試樣完全破壞時(shí)的聲發(fā)射累計(jì)數(shù)為，那么，試件的聲發(fā)射率為

(5)

當(dāng)某一浸泡時(shí)間后，截面的損傷面積為時(shí)聲發(fā)射數(shù)累計(jì)數(shù)為

(6)

聯(lián)立式(4)與式(6)得，某一浸泡時(shí)間下，聲發(fā)射累計(jì)數(shù)與損傷變量間的關(guān)系：

(7)

根據(jù)式(7)可知，試件的聲發(fā)射累計(jì)數(shù)可以充分表征試件的損傷程度。由試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著超臨界CO浸泡時(shí)間的增加，煤體的聲發(fā)射累計(jì)數(shù)逐漸減少，即可認(rèn)為煤體聲發(fā)射數(shù)的減少是因?yàn)槌R界CO作用引發(fā)的，超臨界CO浸泡時(shí)間越長，對(duì)試件損傷就越大。因煤體聲發(fā)射累積數(shù)與作用時(shí)間符合=+exp(-)關(guān)系式，因此可得在超臨界CO作用不同時(shí)間下煤樣損傷變量與聲發(fā)射數(shù)的關(guān)系：

(8)

式中，，，為擬合參數(shù)。

定義初始煤樣的損傷變量為0，當(dāng)煤樣浸泡超臨界CO時(shí)間足夠長時(shí)，=1。從而可以定義超臨界CO浸泡時(shí)間對(duì)煤體的損傷變量′為

(9)

聯(lián)立式(8)與式(9)可得

(10)

式(10)為關(guān)于超臨界CO浸泡時(shí)間的聲發(fā)射累積數(shù)與損傷變量′的關(guān)系，根據(jù)2組試件在不同浸泡時(shí)間下的聲發(fā)射累積數(shù)，可以得到2組試件的損傷變量′與超臨界CO浸泡時(shí)間的關(guān)系，如圖13所示。其擬合關(guān)系見表7，擬合程度良好。

圖13 煤樣損傷變量與浸泡時(shí)間的關(guān)系

表7 煤樣損傷變量與浸泡時(shí)間的函數(shù)關(guān)系式

由圖13可知，干燥/飽水兩組煤樣的損傷變量隨超臨界CO作用時(shí)間的增加而增大。超臨界CO浸泡3～7 d下，干燥組煤樣的損傷變量分別為0.35，0.46，0.54；飽水組煤樣的損傷變量分別為0.59，0.80，0.92。就損傷變量的增幅而言，干燥組煤樣的損傷變量增幅分別為35.23%，31.42%，17.39%，飽水組分別為59.12%，35.59%，15.00%?？梢娫诮萸捌?～3 d時(shí)，損傷變量增幅較大，隨后逐漸減小。由此可知，超臨界CO作用時(shí)間越長，對(duì)煤體的損傷也越大，但增幅逐漸降低。

損傷變量亦可由彈性模量進(jìn)行定義：

(11)

式中，為超臨界CO浸泡不同時(shí)間后煤樣的彈性模量；為未浸泡超臨界CO前煤樣的彈性模量。

將分別由彈性模量定義式(11)聯(lián)立及由聲發(fā)射累計(jì)數(shù)定義的損傷變量式(10)可得

(12)

由式(12)可得隨著作用時(shí)間的增加，彈性模量呈下降的趨勢，并隨著時(shí)間的增加，下降趨勢越慢，且無限趨近于某一定值。

泊松比及彈性模量的定義式分別為

(13)

(14)

式中，為徑向應(yīng)變；為軸向應(yīng)變；為軸向應(yīng)力。

聯(lián)立式(13)與式(14)，可得用泊松比表征超臨界CO浸泡后的彈性模量為

(15)

聯(lián)立式(12)，(15)可得

(16)

由式(15)可知，參數(shù)，，，為定值時(shí)，隨著超臨界CO浸泡時(shí)間的增加煤樣的泊松比呈升高趨勢，彈性模量呈下降趨勢，且2者的降增幅度越來越小，最終將會(huì)無限趨近于某一定值，這與本文試驗(yàn)結(jié)果相符合。

3.3 損傷機(jī)理分析

圖14為干燥/飽水2組煤樣在超臨界CO浸泡不同時(shí)間下的電鏡掃描照片，由SEM照片可以明顯看出，煤體在超臨界CO的作用下產(chǎn)生微孔以及礦物質(zhì)因溶蝕而產(chǎn)生“溶蝕坑”的現(xiàn)象。在浸泡超臨界CO前干/飽兩組煤樣表面均較為平整，且煤體顆粒之間的膠結(jié)程度較好，隨著超臨界CO浸泡時(shí)間的增加，煤體顆粒逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬?duì)離散的狀態(tài)，顆粒之間的膠結(jié)程度在逐漸下降，并且伴隨著微孔、微裂隙的產(chǎn)生，直至最后出現(xiàn)含有“坑洞”狀的軟弱結(jié)構(gòu)面。

在超臨界CO浸泡3 d時(shí)，煤體表面呈現(xiàn)出網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)槌R界CO對(duì)煤體中的有機(jī)質(zhì)有萃取作用，使得煤基質(zhì)中原有的微裂隙開始延展，并產(chǎn)生一部分新孔(圖14中紅色圈出的部分)，造成煤體內(nèi)孔容與比表面積的增大，最終導(dǎo)致煤體顆粒表面形成凹凸不平的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。隨著超臨界CO浸泡時(shí)間的增加，出現(xiàn)了圖14中黃色圈出的“坑洞”結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)槌R界CO使得煤體中的礦物質(zhì)產(chǎn)生了溶蝕現(xiàn)象。

圖14 不同試驗(yàn)條件下煤體電鏡掃描結(jié)果

煤中除了含有有機(jī)質(zhì)外，同時(shí)還存在大量的礦物，如白云石、方解石類的碳酸鹽礦物以及高嶺石類的硅酸鹽礦物等。在水與超臨界CO的共同作用下，會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生大量的H，形成的酸性混合溶液又會(huì)與煤中的碳酸鹽及硅酸鹽礦物繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)。化學(xué)反應(yīng)為

(17)

(18)

(19)

在超臨界CO浸泡相同時(shí)間下，飽水組煤樣的劣化效應(yīng)更加明顯，由圖14(b)，(f)兩組照片可以看出，飽水組煤樣因有機(jī)質(zhì)被萃取產(chǎn)生的微孔較干燥組煤樣更多，隨著超臨界CO浸泡時(shí)間的增加到達(dá)5 d時(shí)，可以明顯看出，圖14(g)組煤樣產(chǎn)生微孔的面積較圖14(f)組更大，最終當(dāng)超臨界CO浸泡7 d時(shí)，圖14(h)組因礦物質(zhì)溶蝕產(chǎn)生了大面積的溶坑，較圖14(d)組發(fā)生了更大的劣化效應(yīng)。

由此可知，在水和超臨界CO的共同作用下煤體發(fā)生了一系列的物理、化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致煤體內(nèi)部的原始裂隙開始擴(kuò)展，同時(shí)CO溶蝕煤體中的礦物質(zhì)，產(chǎn)生新的微孔及微裂隙。隨著微裂隙的增大、增多和積累，最終導(dǎo)致煤體力學(xué)性能的劣化，故超臨界CO作用對(duì)煤體的損傷劣化效應(yīng)是從微觀到宏觀的累積過程。

4 討 論

相較于瘦煤、焦煤、1/3焦煤、貧瘦煤此類低階煤而言，無煙煤屬高變質(zhì)煤，超臨界CO對(duì)無煙煤的弱化效果主要集中在浸泡前期(0～5 d)，隨著浸泡時(shí)間的增加，對(duì)煤體各力學(xué)的弱化效果逐漸減弱，在浸泡到7 d時(shí)，各項(xiàng)力學(xué)參數(shù)逐漸趨于平穩(wěn)。低階煤較高階煤而言，煤體中芳香環(huán)縮合程度較低，官能團(tuán)及橋鍵數(shù)量較多，進(jìn)而超臨界CO萃取所需時(shí)間則需更長，故低階煤在浸泡中后期的力學(xué)性能仍在弱化，較無煙煤而言力學(xué)性能趨于平穩(wěn)所需時(shí)間更長。

地下煤層中大多數(shù)含有水分，水分本身對(duì)煤體的力學(xué)性能就有劣化作用。文獻(xiàn)[25]認(rèn)為水在煤體表面的吸附較大，因而煤對(duì)水的吸附能力較吸附CO的能力要強(qiáng)，也就是說在水分的參與下，煤體會(huì)降低對(duì)CO的吸附能力，那么就會(huì)導(dǎo)致在水與CO的共同作用下，煤體力學(xué)性質(zhì)的弱化程度要小于僅在CO作用下煤體的強(qiáng)度。而試驗(yàn)結(jié)果顯示在水與超臨界CO的共同作用下，煤體的劣化有近乎翻倍的效果，這是因?yàn)槌R界CO溶于水后會(huì)與煤體中的碳酸、硅酸鹽礦物發(fā)生更激烈的物理、化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)水本身具有的劣化作用，這兩方面共同導(dǎo)致了在水+超臨界CO的條件下煤體力學(xué)性質(zhì)更大的劣化效應(yīng)。

煤體抗壓強(qiáng)度隨超臨界CO浸泡時(shí)間的增加出現(xiàn)下降趨勢，且降幅在超臨界CO浸泡前期快速增大，隨著浸泡時(shí)間的增加，降幅的增長速率趨于穩(wěn)定。這反映了煤體抗壓強(qiáng)度的劣化程度與超臨界CO的吸附量有關(guān)，煤基質(zhì)吸附超臨界CO存在極限吸附量，當(dāng)煤體的吸附量達(dá)到峰值之后，超臨界CO對(duì)煤體力學(xué)性質(zhì)的劣化效應(yīng)也就達(dá)到最大值，所以抗壓強(qiáng)度并不會(huì)無限劣化，彈性模量與泊松比的劣化規(guī)律也同理。

文獻(xiàn)[26]認(rèn)為當(dāng)超臨界CO的注入壓力大于10 MPa后，抗壓強(qiáng)度的降幅呈現(xiàn)相反的變化趨勢，也就是說在高壓超臨界CO的作用下，煤體抗壓強(qiáng)度會(huì)有所恢復(fù)。導(dǎo)致這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因可能是在高壓超臨界CO的作用下，煤體在受壓過程中變形模式由脆性變形轉(zhuǎn)化為塑性變形，這一現(xiàn)象仍有待進(jìn)行深入研究。

本文雖基于超臨界CO浸泡時(shí)間定義了煤體的損傷模型，但CO地質(zhì)封存時(shí)間跨度極大，可達(dá)千萬年之久，故進(jìn)行CO對(duì)煤體力學(xué)性質(zhì)軟化的時(shí)間效應(yīng)模型研究時(shí)，仍需進(jìn)行更長時(shí)間的超臨界CO注入實(shí)驗(yàn)，以便為現(xiàn)場的工業(yè)實(shí)踐提供更全面的理論支撐。

5 結(jié) 論

(1)超臨界CO對(duì)煤體具有一定的時(shí)間效應(yīng)和非均勻性的損傷作用，主要體現(xiàn)在超臨界CO作用前期，隨著超臨界CO浸泡時(shí)間的增加，煤體的抗壓強(qiáng)度、彈性模量均出現(xiàn)不同程度的減小，泊松比均出現(xiàn)不同程度的增大，總劣化度逐漸增大，但隨著浸泡時(shí)間的增加，劣化效應(yīng)逐漸較弱，逐漸趨于某一定值。較單因素(水或超臨界CO)對(duì)煤體的損傷而言，水+超臨界CO對(duì)煤體的損傷效應(yīng)更強(qiáng)，且煤體各力學(xué)參數(shù)對(duì)超臨界CO的敏感性要大于水的作用。

(2)隨著超臨界CO浸泡時(shí)間的增加，單軸壓縮過程中聲發(fā)射累計(jì)數(shù)不斷減少。聲發(fā)射累計(jì)數(shù)曲線與應(yīng)力-應(yīng)變曲線有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，反映了超臨界CO作用下煤樣內(nèi)部損傷演化的階段性規(guī)律?；趽p傷理論構(gòu)建了超臨界CO浸泡不同時(shí)間下煤體的損傷模型。該模型定量的反映了隨著浸泡時(shí)間增加，水+超臨界CO對(duì)煤體的損傷不斷增加，但增幅逐漸變小。

(3)討論了水+超臨界CO作用下煤體的損傷機(jī)理，在超臨界CO浸泡過程中和煤基質(zhì)之間發(fā)生化學(xué)和物理變化。使得煤體形成新的微裂隙，并導(dǎo)致原始裂隙的擴(kuò)展，隨著裂隙的增大、增多和積累，導(dǎo)致煤體的力學(xué)性能大幅降低。由此可見，水+超臨界CO作用對(duì)煤體的力學(xué)損傷演化效應(yīng)是從微觀到宏觀的累積過程。