超臨界CO2 作用下煤巖組合體力學(xué)特性損傷及裂隙演化規(guī)律

張小強(qiáng) ， 王文偉 ， 姜玉龍 ， 王 開(kāi) ， 閆建兵 ， 岳少飛 ， 蔚默然

(1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院, 山西 太原 030024；2.太原理工大學(xué) 原位改性采礦教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山西 太原 030024)

溫室氣體的過(guò)量排放是導(dǎo)致全球變暖的主要原因，而CO2則是其罪魁禍?zhǔn)字?，尋求能有效控制并減少空氣中CO2的方法是當(dāng)前國(guó)際社會(huì)的聚焦點(diǎn)。CO2捕集與封存技術(shù)作為減少大氣中CO2的重要方法，被認(rèn)為是當(dāng)前及未來(lái)階段處置CO2的安全、有效手段[1-3]。CO2注入深部煤層既可實(shí)現(xiàn)對(duì)甲烷的驅(qū)替，又起到對(duì)CO2地質(zhì)封存的目的，擁有開(kāi)采能源和保護(hù)環(huán)境的雙重效益[4-5]。但值得注意的是，隨著儲(chǔ)層深度的增加，壓力與溫度不斷升高，當(dāng)開(kāi)采深度達(dá)到1 500 m時(shí)(溫度T> 31.1 ℃，壓力P> 7.38 MPa)，CO2注入過(guò)程中由氣態(tài)逐漸過(guò)渡到超臨界狀態(tài)。已有研究表明：隨著CO2的不斷注入，煤體力學(xué)特性大幅弱化，容易引發(fā)煤巖破裂、蓋層破壞，甚至誘發(fā)斷層滑移，進(jìn)而導(dǎo)致CO2泄漏，造成封存失敗且引起一系列伴生地質(zhì)災(zāi)害[6]。因此，研究不同煤巖組合體在超臨界CO2(簡(jiǎn)稱“ScCO2”)作用下煤巖組合體力學(xué)性能的劣化損傷、裂隙演化擴(kuò)展規(guī)律、失穩(wěn)破壞特征和能量演化規(guī)律對(duì)ScCo2地質(zhì)封存具有重要意義。

近年來(lái)，眾多學(xué)者通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬等研究手段針對(duì)ScCO2作用后煤體的損傷特性展開(kāi)較為詳細(xì)的研究。張倍寧[7]研究了不同變質(zhì)程度煤體在ScCO2作用后力學(xué)特性的損傷規(guī)律。張俊超[8]研究了不同注氣壓力下ScCO2對(duì)煤體力學(xué)性能的劣化程度，發(fā)現(xiàn)隨著注氣壓力的升高煤體的力學(xué)強(qiáng)度逐漸降低。何立國(guó)等[9]發(fā)現(xiàn)煤體在ScCO2作用下，不同的浸泡時(shí)間和溫度會(huì)改變其破壞形式和失穩(wěn)類型。楊磊等[10]研究了不同強(qiáng)度比組合煤巖的力學(xué)響應(yīng)和能量演化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)組合煤巖的力學(xué)強(qiáng)度和應(yīng)變能密度與煤巖強(qiáng)度比有著密切關(guān)系。李波等[11]研究了ScCO2作用下煤的孔隙結(jié)構(gòu)變化規(guī)律。王磊、孫可明等[12-13]研究了ScCO2作用下煤巖體壓裂時(shí)的裂縫擴(kuò)展規(guī)律，發(fā)現(xiàn)其對(duì)起裂壓力弱化較大且裂隙擴(kuò)展更復(fù)雜。樊玉峰、肖曉春等[14-15]研究了煤高度對(duì)組合煤巖力學(xué)性質(zhì)、沖擊傾向性和能量耗散特征的影響，發(fā)現(xiàn)巖石或煤的高度和彈性模量對(duì)組合煤巖力學(xué)性質(zhì)和能量累積-耗散情況有重要影響。李回貴等[16]研究了不同煤厚煤巖體破裂過(guò)程的聲發(fā)射特征，發(fā)現(xiàn)煤厚與聲發(fā)射累積計(jì)數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系。左建平、鞠文君等[17-18]對(duì)組合體的沖擊傾向性進(jìn)行了研究，指出煤巖組合體沖擊傾向性指數(shù)大于純煤樣。還有一些學(xué)者[19-22]研究了真三軸下不同傾角組合體損傷失穩(wěn)過(guò)程和界面效應(yīng)，不同加載速率下煤巖體的失穩(wěn)過(guò)程。付斌等[23]通過(guò)RFPA2D數(shù)值模擬對(duì)煤巖體沖擊傾向性進(jìn)行了研究，分析了煤巖高度比和組合體傾角對(duì)沖擊能量指數(shù)的影響。郭偉耀等[24]采用PFC2D顆粒流軟件開(kāi)展了不同煤巖強(qiáng)度比、高度比的煤巖組合體壓縮試驗(yàn)，分析了其對(duì)組合體沖擊傾向性、破壞形態(tài)及極限抗壓強(qiáng)度的影響。

已有研究成果對(duì)揭示CO2注入后煤巖體的力學(xué)損傷特性規(guī)律具有重要的工程實(shí)際意義，但值得注意的是，CO2地質(zhì)封存過(guò)程中，隨著時(shí)間的遷移，CO2不斷向頂、底板巖體運(yùn)移，因此考慮CO2地質(zhì)封存對(duì)地層的影響時(shí)，不能單一考慮其對(duì)煤體或巖體的力學(xué)弱化，而是將頂板巖體-煤體-底板巖體看成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)。目前，已有的研究主要分為2 個(gè)方面：一方面針對(duì)單一煤體或巖體進(jìn)行ScCO2浸泡實(shí)驗(yàn)，探究其損傷演化特性；另一方面，研究未進(jìn)行ScCO2浸泡的煤巖組合體試件的力學(xué)特性。然而針對(duì)巖體-煤體-巖體(RCR)組合體ScCO2浸泡條件下力學(xué)損傷特性及裂隙演化擴(kuò)展規(guī)律的研究較少。為此，筆者通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)值模擬，研究不同RCR 組合體在ScCO2浸泡前后力學(xué)性能的劣化程度與能量演化規(guī)律，并結(jié)合聲發(fā)射系統(tǒng)對(duì)試件失穩(wěn)破壞時(shí)的形態(tài)和裂隙擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行研究。

1 CO2 地質(zhì)封存原理及前景

CO2地質(zhì)封存作為一種典型的負(fù)碳排放技術(shù)，將CO2注入到油氣田、咸水層或不可采煤層等封閉構(gòu)造中可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間或永久性的地質(zhì)封存。煤炭是CO2的天然吸附劑，吸附能力約為CH4的2 倍[25-26]，據(jù)統(tǒng)計(jì)不可采煤層CO2地質(zhì)封存量可達(dá)120×108t[27]，通過(guò)CO2的競(jìng)爭(zhēng)吸附不僅可實(shí)現(xiàn)其地質(zhì)封存，還能實(shí)現(xiàn)煤層氣的高效開(kāi)采。而當(dāng)煤層埋藏深度達(dá)1 500 m 時(shí)，在高溫-高壓作用下CO2注入煤層后將處于超臨界狀態(tài)，儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)以“巖-煤-巖”組合體結(jié)構(gòu)型為主，如圖1 所示。

圖1 組合體結(jié)構(gòu)及CO2 相態(tài)Fig.1 Composition structure and CO2 phase diagram

已有研究結(jié)果表明[7,28]，ScCO2浸泡條件下，煤體0～5 d 內(nèi)強(qiáng)度劣化損傷較大；而巖體在30 d 以后才逐漸發(fā)生損傷，一般在60 d 時(shí)達(dá)到最大。故CO2注入到深不可采煤層中，可將ScCO2對(duì)“巖-煤-巖”組合結(jié)構(gòu)體的損傷作用劃分為3 個(gè)階段研究：① 0～7 d，煤體損傷階段；② 8～60 d，煤體損傷后及巖體損傷階段；③ 60 d 后，煤巖體損傷后階段。本文重點(diǎn)針對(duì)第1 階段展開(kāi)研究，故將試件進(jìn)行ScCO2浸泡時(shí)間定為7 d。

2 RCR 組合體單軸壓縮試驗(yàn)方案

2.1 RCR 組合體試件加工分組

試驗(yàn)煤、巖樣品均取自同一礦區(qū)，煤樣為沁水煤田無(wú)煙煤，巖樣為對(duì)應(yīng)煤系頂?shù)装鍘r層(泥巖、中粗砂巖和石灰?guī)r)。取樣時(shí)鉆取方向垂直煤巖層理，采用切割機(jī)將煤巖樣品制備成直徑為50 mm，高度分別為10、20、30 mm 的煤樣和直徑為50 mm，高度分別為35、40、45 mm 的巖石樣品。將制作好的單元試件端面打磨，使其平整度在0.05 mm 以內(nèi)，斷面垂直度小于0.25°。RCR 組合體直徑為50 mm，高度為100 mm 的標(biāo)準(zhǔn)圓柱試樣。為減小試驗(yàn)誤差，對(duì)制作好的所有RCR 組合體試件進(jìn)行縱波波速測(cè)定，將同一類型RCR 組合體試件波速離散較大的值予以剔除。

將試件依次編號(hào)，形式如S10-Y，其中，S 代表砂巖(SH 代表石灰?guī)r，N 代表泥巖)，10 表示煤層厚度為10 mm，Y 表示進(jìn)行了ScCO2浸泡(N 則為未進(jìn)行ScCO2浸泡)，RCR 組合體標(biāo)準(zhǔn)試樣如圖2 所示。

圖2 RCR 組合體標(biāo)準(zhǔn)試樣Fig.2 Standard sample of coal-rock combined specimen

分組方案為：

A：砂巖-煤-砂巖(煤厚分別為10、20、30 mm)3 組，每組3 個(gè)；

B：泥巖/石灰?guī)r-煤-泥巖/石灰?guī)r2 組，每組3 個(gè)；

C：砂巖-煤-砂巖(煤厚分別為10、20、30 mm)3 組，每組3 個(gè)；

D：泥 巖/石 灰?guī)r-煤-泥巖/石灰?guī)r2 組，每組3 個(gè)。

試驗(yàn)分組方案見(jiàn)表1。

2.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)采用太原理工大學(xué)自主研制的ScCO2浸泡試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖3 所示。試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)主要包括單軸加載系統(tǒng)及聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如圖4 所示。

圖4 試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.4 Experimental system

試驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)介如下：

(1)加載系統(tǒng)為TSE105D 型微機(jī)控制電液伺服巖石試驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)時(shí)采用位移加載控制，加載速率為1.2 mm/min。

(2)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用北京聲華科技生產(chǎn)的SWAE4 型聲發(fā)射，對(duì)RCR 組合體損傷失穩(wěn)全過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，試驗(yàn)時(shí)采用4 個(gè)SR105M 型傳感器采集聲發(fā)射信號(hào)，聲發(fā)射探頭工作頻率設(shè)為60～400 kHz。為了減少試件表面彈性波的損失，使聲發(fā)射探頭和試件更好的接觸，在探頭與試件接觸處涂抹凡士林并用膠帶固定。每個(gè)傳感器均配置PAI 型號(hào)的前置放大器，試驗(yàn)中聲發(fā)射測(cè)試系統(tǒng)的門檻值設(shè)為45 dB，主放設(shè)為40 dB，采樣頻率設(shè)為10 mHz。

2.3 試驗(yàn)步驟

(1)將C、D 兩組試件置于60 ℃的恒溫箱中干燥24 h，取出后放入CO2高壓浸泡釜中，啟動(dòng)真空泵，將浸泡釜抽真空后并注入CO2，通過(guò)增壓泵將釜內(nèi)增壓至8 MPa，然后將浸泡斧放入恒溫箱，加熱至40 ℃，使CO2處于超臨界狀態(tài)，浸泡7 d。

(2)浸泡結(jié)束取出試件后用酒精擦拭試件表面并用保鮮膜包裹，然后逐個(gè)開(kāi)展單軸壓縮試驗(yàn)，并通過(guò)聲發(fā)射對(duì)試件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

(3)對(duì)破壞后的RCR 組合體試件拍照，分析其裂紋擴(kuò)展規(guī)律。

3 RCR 組合體試件力學(xué)損傷特性

3.1 抗壓強(qiáng)度和彈性模量演化規(guī)律

室內(nèi)試驗(yàn)和模擬所得力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2，單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量隨煤厚和巖煤強(qiáng)度比變化的曲線如圖5 所示。

圖5 RCR 組合體力學(xué)參數(shù)Fig.5 Mechanical parameters of RCR combinations

從圖5 可知，數(shù)值模擬與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果吻合度較高。依據(jù)試驗(yàn)與模擬結(jié)果，不同煤厚和巖煤強(qiáng)度對(duì)RCR 組合體試件抗壓強(qiáng)度及彈性模量的影響呈現(xiàn)如下規(guī)律：

(1)隨煤厚增加，RCR 組合體試件抗壓強(qiáng)度和彈性模量逐漸減小。煤體作為組合體試件薄弱載體，其力學(xué)強(qiáng)度是組合體試件力學(xué)強(qiáng)度的主導(dǎo)因素，故煤層越厚RCR 組合體抗壓強(qiáng)度和彈性模量越低。ScCO2浸泡7 d 后煤體力學(xué)強(qiáng)度大幅下降，但巖體基本無(wú)較大變化，故組合體試件整體趨勢(shì)變化較小。

(2)隨巖煤強(qiáng)度比增加，RCR 組合體試件抗壓強(qiáng)度和彈性模量逐漸增大，當(dāng)巖煤強(qiáng)度比從1∶1 增至5∶1 時(shí)，其試件力學(xué)強(qiáng)度幾乎呈線性增長(zhǎng)，其主因是巖-煤-巖結(jié)構(gòu)型的組合體相較于巖-煤和煤-巖更具穩(wěn)定性，且由于煤厚較小，作為薄弱載體的煤層變形不會(huì)引起組合體試件整體的瞬間失穩(wěn)，故巖煤強(qiáng)度比對(duì)RCR 組合體整體力學(xué)強(qiáng)度影響較大。

(3) ScCO2未浸泡時(shí)，當(dāng)煤厚從10 mm 增至20 mm時(shí)，RCR 組合體試件抗壓強(qiáng)度下降較小，但在煤體厚度增大至30 mm 時(shí)，其抗壓強(qiáng)度顯著下降，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主因是煤厚為10 mm 和20 mm 時(shí)組合體發(fā)生整體破壞，而煤厚為30 mm 時(shí)破壞基本只發(fā)生在煤體中。值得注意的是，當(dāng)RCR 組合體試件采用ScCO2浸泡后，隨煤厚增加，其組合體試件抗壓強(qiáng)度均顯著下降，其中煤體強(qiáng)度降幅明顯，當(dāng)煤厚為10 mm 時(shí)煤巖均發(fā)生破壞，當(dāng)煤厚為20 mm 時(shí)巖體破壞較小，此后，隨著煤厚的增加，RCR 組合體強(qiáng)度受煤厚影響較大。

3.2 抗壓強(qiáng)度和彈性模量劣化度

試件在水巖作用后力學(xué)參數(shù)降低程度稱為劣化度[29]，其在ScCO2作用后的力學(xué)參數(shù)降低程度也可用劣化度表征，它可以在一定程度上反映試件經(jīng)歷ScCO2作用的損傷程度。其中，T0為ScCO2作用前的力學(xué)參數(shù)；Ti為ScCO2作用后的力學(xué)參數(shù)，則試件力學(xué)參數(shù)的劣化度S可表示為

為進(jìn)一步分析ScCO2浸泡對(duì)RCR 組合體試件力學(xué)強(qiáng)度的影響，根據(jù)圖5 與表2 所得結(jié)果，繪制RCR組合體力學(xué)特性劣化規(guī)律，如圖6 所示。

由圖6 可知，S10、S20、S30 在ScCO2浸泡后其抗壓強(qiáng)度和彈性模量劣化度分別為19.42%、23.23%、31.39%和28.53%、24.90%、12.59%。煤作為一種非均勻分布封閉裂縫的特殊巖體，經(jīng)過(guò)ScCO2的浸泡，其內(nèi)部有機(jī)物會(huì)被萃取，使原有封閉裂隙增多并延伸擴(kuò)展，新裂紋增加和舊裂紋擴(kuò)展使得裂隙間接觸面系數(shù)降低，造成接觸面滑移阻力降低，煤體表面能開(kāi)始下降，從而導(dǎo)致煤體抗壓強(qiáng)度和彈性模量降低。故RCR 組合體煤層越厚整體力學(xué)性能越低，抗壓強(qiáng)度隨煤厚增加劣化幅度逐漸增大，但由于巖-煤-巖組合體的特殊結(jié)構(gòu)型，彈性模量受整體變形影響，其劣化幅度呈現(xiàn)隨煤厚的增加而逐漸降低。

此外，N20、S20、SH20 組合體試件在ScCO2浸泡后其抗壓強(qiáng)度和彈性模量劣化度分比為23.50%、23.23%、23.29%和24.39%、24.90%、28.90%，表明在煤層厚度為20 mm 時(shí)，抗壓強(qiáng)度和彈性模量劣化幅度與巖煤強(qiáng)度比無(wú)關(guān)聯(lián)，劣化幅度基本一致。

3.3 單軸壓縮應(yīng)力–應(yīng)變曲線演化規(guī)律

RCR 組合體試件在ScCO2浸泡前后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖7 所示。

圖7 RCR 組合體軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.7 Axial stress-strain curves of RCR composite

總體而言，RCR 組合體試件在單軸壓縮破壞過(guò)程中符合經(jīng)典巖石力學(xué)4 階段破壞特征，但煤層厚度、巖煤強(qiáng)度比對(duì)其應(yīng)變變形及破壞時(shí)間影響較大。

由圖7(a)可知，如S10、S20、S30 試件浸泡前應(yīng)變分別為0.012 5、0.013 1、0.015 5，浸泡后應(yīng)變分別為0.011 7、 0.010 7、 0.011 8， 分 別 下 降 了6.40%、18.32%、23.87%?？梢?jiàn)，未浸泡時(shí)，不同煤厚的RCR組合體失穩(wěn)破壞時(shí)的應(yīng)變變形和時(shí)間隨煤厚增大而增大。但對(duì)于同一煤厚試件，當(dāng)采用ScCO2浸泡后，其失穩(wěn)破壞時(shí)的應(yīng)變變形和時(shí)間明顯變小。這是由于ScCO2對(duì)煤體的損傷使得裂隙發(fā)育，導(dǎo)致組合體試件更早進(jìn)入彈性變形階段，且經(jīng)歷短暫的彈性變形后發(fā)生失穩(wěn)破壞。

由 圖7(b)可 知，N20(1∶1)、S20(3∶1)、SH20(5∶1)在浸泡前后失穩(wěn)破壞時(shí)的應(yīng)變分別為0.013 5、0.013 1、0.013 3 和0.010 0、0.010 7、0.010 9，下降幅度為25.93%、18.32%、18.05%。由此可見(jiàn)，當(dāng)試件未浸泡時(shí)，巖煤強(qiáng)度比對(duì)組合體失穩(wěn)破壞的應(yīng)變變形和時(shí)間影響較為微弱，但采用ScCO2浸泡后，組合體試件失穩(wěn)破壞的應(yīng)變變形和時(shí)間顯著減小。

4 RCR 組合體破壞能量演化規(guī)律

4.1 RCR 組合體單軸破壞聲發(fā)射特征

目前常用的聲發(fā)射定位算法有最小二乘法[30]、Bayesian 算法[31]、相對(duì)定位法[32]、單純性定位算法[33]及Geiger 定位算法[34]。Geiger 定位法是Gauss-Newton 最小擬合函數(shù)的應(yīng)用之一，適用于小區(qū)域地震事件。本文為實(shí)驗(yàn)室尺度的煤巖組合體破壞，故采用Geiger 定位算法反演確定聲發(fā)射事件空間位置。由于RCR 組合體材料的不同，導(dǎo)致其聲波波速存在差異，而波速又對(duì)于聲發(fā)射的響應(yīng)特征至關(guān)重要，在進(jìn)行震源定位時(shí)，通常計(jì)算方法是通過(guò)探頭接收相應(yīng)信號(hào)的時(shí)間差進(jìn)行反演，由于材料波速不同從而導(dǎo)致了時(shí)間上存在誤差。但本文重點(diǎn)通過(guò)聲發(fā)射研究ScCO2作用前后RCR 組合體的最終聲發(fā)射事件累積情況及裂隙在煤巖界面的擴(kuò)展情況，又因ScCO2作用7 d 主要為煤體損傷，故著重考慮煤體中聲發(fā)射源定位的準(zhǔn)確性。因此，將波速設(shè)置為煤體的傳播波速，即2 200 m/s。此外，為了減小監(jiān)測(cè)誤差，試驗(yàn)前將聲發(fā)射探頭按照相應(yīng)的布置方式(圖4)置于上下部煤體兩側(cè)，然后通過(guò)斷鉛實(shí)驗(yàn)進(jìn)行聲發(fā)射源定位誤差校驗(yàn)，進(jìn)步保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

基于RFPA3D數(shù)值模擬對(duì)RCR 組合體單軸壓縮破裂時(shí)的聲發(fā)射情況進(jìn)行模擬，RFPA3D可將表征拉伸破壞和壓剪破壞的聲發(fā)射進(jìn)行區(qū)別分類[35]，通過(guò)對(duì)相應(yīng)聲發(fā)射數(shù)據(jù)導(dǎo)出處理可反演并分類RCR 組合體聲發(fā)射三維定位圖內(nèi)表征拉伸和剪切破壞的聲發(fā)射事件。其中，綠色球體代表拉伸破壞和裂隙壓密時(shí)產(chǎn)生的聲發(fā)射事件，紅色球體代表剪切破壞時(shí)產(chǎn)生的聲發(fā)射事件。

筆者基于聲發(fā)射(AE)事件數(shù)分析RCR 組合體的損傷程度、能量的積聚和釋放。以S20 為例，其在單軸壓縮過(guò)程中AE 時(shí)空演化規(guī)律與應(yīng)力-應(yīng)變曲線關(guān)系如圖8 所示。不同煤厚和巖煤強(qiáng)度比RCR 組合體在ScCO2浸泡前后失穩(wěn)破壞時(shí)的聲發(fā)射三維定位如圖9 所示。

圖8 RCR 組合體聲發(fā)射時(shí)空演化(S20–N)Fig.8 Spatial and temporal evolution diagram of RCR composite AE(S20–N)

圖9 不同RCR 組合體浸泡前后破壞時(shí)聲發(fā)射數(shù)Fig.9 Number of acoustic emission before and after soaking of different coal-rock combinations

由圖8 可知，OA段為試件的裂隙壓密階段，此時(shí)AE 事件主要由試件內(nèi)部原生裂隙閉合和微小裂隙擴(kuò)展發(fā)出的彈性波引起，其AE 事件大部分位于煤體，累計(jì)占比可達(dá)25%；AB段為彈性變形階段，該階段主要為彈性能積累階段，并未產(chǎn)生明顯裂隙，此時(shí)AE 事件數(shù)增長(zhǎng)緩慢，且大部分位于煤體，累計(jì)占比達(dá)35%；BC段為屈服破壞階段，此時(shí)煤體中產(chǎn)生大量裂隙，并向巖體中擴(kuò)展，AE 事件數(shù)急劇增加，直到到達(dá)峰值載荷點(diǎn)C，AE 事件數(shù)占比達(dá)85%；CD段為破壞后階段，試件失穩(wěn)破壞，產(chǎn)生微小裂隙，此時(shí)AE 事件數(shù)仍有增長(zhǎng)，直到完全破壞，AE 事件數(shù)占比達(dá)100%。

由圖9 可知，S10、S20、S30 試件在ScCO2浸泡前后其破壞時(shí)AE 事件大部分發(fā)生在煤體中，這是由于煤體強(qiáng)度遠(yuǎn)低于砂巖且自身松散破碎所致。此外，RCR 組合體在單軸壓縮時(shí)巖石與煤體間存在變形協(xié)調(diào)過(guò)程，這一過(guò)程也是吸收能量的過(guò)程，變形協(xié)調(diào)結(jié)束時(shí)已有部分聲發(fā)射積聚在煤巖交界處，之后隨著載荷達(dá)到峰值煤體發(fā)生大面積劈裂破壞，釋放的動(dòng)態(tài)斷裂能導(dǎo)致上部巖體破壞及裂隙延伸擴(kuò)展，直至能量消耗殆盡時(shí)裂隙擴(kuò)展結(jié)束，大量AE 事件積聚在煤巖交界面處并上下貫穿，這也是自煤體產(chǎn)生的裂隙延展到巖體的有力證據(jù)。

值得注意的是，對(duì)比分析S10-N、S20-N 和S30-N試件的AE 事件分布可知，隨煤厚的增大，AE 事件在煤中逐漸增多，在巖體中逐漸減少，并由開(kāi)始的貫穿煤巖交界面逐漸演變到積聚在煤巖交界面附近。當(dāng)采用ScCO2浸泡后，煤體損傷劣化，致使AE 事件數(shù)較未浸泡時(shí)顯著下降，且由于煤體彈性應(yīng)變能變小，失穩(wěn)破壞時(shí)的動(dòng)態(tài)斷裂能變小，表現(xiàn)出以下規(guī)律：在S10-Y 試件中，AE 事件可伴隨裂隙的擴(kuò)展貫穿煤巖交界面，在S20-Y 試件中大部分AE 事件明顯止步于煤巖交界面，只有小部分可穿過(guò)煤巖交界面，而在S30-Y 試件中AE 事件集中位于煤體，并不能伴隨裂隙擴(kuò)展延伸到巖體。此外，分析N20、S20、SH20 三個(gè)試件聲發(fā)射事件規(guī)律可知，在巖煤強(qiáng)度比為1∶1的N20-N 試件中，由于泥巖質(zhì)地松軟，破壞時(shí)煤體與巖體裂隙各自延伸交互擴(kuò)展，采用ScCO2浸泡后，AE試件略微減少，但煤體與巖體仍呈貫穿破壞；對(duì)于巖煤強(qiáng)度比為3∶1 時(shí)的S20 試件浸泡前AE 事件由煤體貫穿煤巖交界面，浸泡后集中于煤體和煤巖交界面附近；當(dāng)巖煤強(qiáng)度比為5∶1 時(shí)(試件SH20-N)，聲發(fā)射事件同樣大部分位于煤體內(nèi)，而巖體中少量AE 事件主要是由于原生裂隙的壓密和微小裂隙的細(xì)微擴(kuò)展導(dǎo)致。

4.2 RCR 組合體變形破壞能量演化規(guī)律

RCR 組合體的變形破壞是由能量驅(qū)動(dòng)引起的一種形態(tài)失穩(wěn)現(xiàn)象，其能量的變化規(guī)律及力學(xué)強(qiáng)度損傷與試樣整體的破壞情況和失穩(wěn)狀態(tài)聯(lián)系密切。故此，本文通過(guò)RCR 組合體的能量演化規(guī)律表征試件破壞的本質(zhì)特征和強(qiáng)度變化特性。

如圖10 所示，外界對(duì)組合試件所做功之和等于系統(tǒng)輸入的總能量U，根據(jù)熱力學(xué)第一定律[36]得

圖10 煤巖體單元中能量轉(zhuǎn)化關(guān)系Fig.10 Energy transformation relationship in coal and rock mass unit

式中，Ud為組合體自身的耗散能，kJ/m3；Ue為組合體儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能，kJ/m3。

故在單軸壓縮過(guò)程中外部輸入的能量可表示為

式中，σi為應(yīng)力應(yīng)變曲線上任一點(diǎn)的應(yīng)力，kPa；ε為試件所發(fā)生應(yīng)變；εc為峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變；εe為可恢復(fù)應(yīng)變；E為組合體的彈性模量，kPa；σc為試件峰值強(qiáng)度，kPa。

組合試樣破壞后的峰后釋放能Uf由應(yīng)力-應(yīng)變曲線可得

式中，εf為試件完全破壞時(shí)發(fā)生的最大應(yīng)變，即應(yīng)力-應(yīng)變曲線的最大應(yīng)變。

組合體發(fā)生承載失效后[37]，峰前彈性應(yīng)變能Ue一部分轉(zhuǎn)化為峰后釋放能Uf，一部分轉(zhuǎn)化為盈余能Uy，盈余能大小與煤巖組合體破壞時(shí)動(dòng)力顯現(xiàn)強(qiáng)度直接相關(guān)。盈余能Uy計(jì)算式為

由式(3)～(7)可計(jì)算組合體加載過(guò)程中各能量，其能量取每組試件平均值，詳見(jiàn)表3。

表3 RCR 組合體加載破壞過(guò)程能量Table 3 Energy of RCR composite loading failure process

不同煤巖組合體ScCO2浸泡前后耗散能占比、彈性能占比、盈余能占比的變化規(guī)律曲線如圖11所示。

圖11 不同煤巖組合體能量演化曲線Fig.11 Energy evolution curves of different coal-rock assemblage

由表3 和圖11 可知，隨著煤厚增加，組合體總能量、耗散能、彈性能、盈余能均逐漸降低；隨著巖煤強(qiáng)度比增高，組合體總能量、耗散能、彈性能、盈余能均逐漸增大，ScCO2浸泡對(duì)不同組合體的各類能量劣化明顯。

對(duì)比S10、S20、S30 試件可知，ScCO2浸泡前后彈性能和耗散能占比基本在60%和40%左右，說(shuō)明煤厚與組合體試件彈性能和耗散能占比無(wú)線性關(guān)系，但ScCO2作用會(huì)使彈性能占比降低，耗散能占比升高。此外，盈余能占比隨著煤厚的增加逐漸變小，且降幅較大。隨著煤厚增加，RCR 組合體內(nèi)存儲(chǔ)的彈性能、耗散能和盈余能均逐漸降低，說(shuō)明RCR 組合體達(dá)到峰值強(qiáng)度發(fā)生宏觀破壞時(shí)所需輸入的外界能量逐漸降低，即越來(lái)越容易失穩(wěn)，失穩(wěn)時(shí)的動(dòng)力強(qiáng)度顯現(xiàn)也逐漸降低。

為分析巖煤強(qiáng)度比的影響，以N20、S20、SH20試件為例。由上述結(jié)果可知ScCO2浸泡前后彈性能和耗散能占比也均維持在60%和40%左右，隨著巖煤強(qiáng)度比增大，彈性能占比略微降低，耗散能占比略微升高，盈余能占比略微增大。ScCO2作用會(huì)使彈性能占比降低，耗散能占比升高，這與不同煤厚RCR 組合體規(guī)律一致。由于隨巖煤強(qiáng)度比增加RCR 組合體內(nèi)存儲(chǔ)的彈性能、耗散能和盈余能均逐漸升高，說(shuō)明RCR 組合體達(dá)到峰值強(qiáng)度發(fā)生宏觀破壞時(shí)所需輸入的外界能量逐漸升高，即巖煤強(qiáng)度比越大，RCR 組合體越不易失穩(wěn)，而失穩(wěn)時(shí)的動(dòng)力強(qiáng)度顯現(xiàn)也越高。

綜上分析可知，RCR 組合體失穩(wěn)態(tài)勢(shì)與煤厚成正比、與巖煤強(qiáng)度比成反比，RCR 組合體破壞時(shí)動(dòng)力顯現(xiàn)強(qiáng)度與煤厚成反比、與巖煤強(qiáng)度比成正比；峰值前能量占比與煤厚及巖煤強(qiáng)度比無(wú)直接線性關(guān)系；ScCO2作用會(huì)使RCR 組合體試件彈性能占比降低，耗散能占比升高，盈余能占比降低，分別表征破壞前用于試件內(nèi)部裂隙壓密的能量變大，用于彈性勢(shì)能積累變小，試件破壞更為完全即破壞形態(tài)更為細(xì)碎。

5 RCR 組合體裂隙擴(kuò)展規(guī)律及破壞失穩(wěn)形態(tài)

5.1 RCR 組合體數(shù)值模擬參數(shù)校正

利用RFPA3D軟件對(duì)不同煤厚及巖煤強(qiáng)度比RCR 組合體試件開(kāi)展單軸壓縮模擬研究，并與單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析。RFPA3D數(shù)值模擬可將RCR組合體模型轉(zhuǎn)化為平面應(yīng)變問(wèn)題來(lái)研究，考慮到加載方式及組合體的非均質(zhì)性，需確定均質(zhì)度m，通過(guò)將模擬結(jié)果與室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果不斷比對(duì)并重復(fù)進(jìn)行模擬試驗(yàn)以矯正參數(shù)的選取，最終確定巖體的均質(zhì)度為3(泥巖、砂巖、石灰?guī)r均質(zhì)度一致取3)，煤體的均質(zhì)度為2。為準(zhǔn)確建立ScCO2作用前后的RCR組合體模型，需對(duì)抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比、內(nèi)摩擦角、拉壓比、殘余強(qiáng)度參數(shù)不斷校正，最終確定細(xì)觀參數(shù)。根據(jù)已有研究結(jié)果表明[38]，損傷后模型細(xì)觀參數(shù)轉(zhuǎn)化關(guān)系為

式中，fcs和Es分別為宏觀的強(qiáng)度(MPa)和彈性模量(GPa)，fcso和Eso分別為細(xì)觀按Weibull 分布時(shí)的強(qiáng)度(MPa)和彈性模量(GPa)。

通過(guò)式(8)、(9)得到的煤巖體損傷后細(xì)觀參數(shù)需代入模型重復(fù)模擬，直至數(shù)值模擬與室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)量的抗壓強(qiáng)度和彈性模量相近，選取此時(shí)的細(xì)觀參數(shù)作為后續(xù)數(shù)值模擬的參考值。

5.2 RCR 組合體裂隙擴(kuò)展模擬及聲發(fā)射演化特征分析

RFPA3D數(shù)值模擬RCR 組合體單軸壓縮破裂及聲發(fā)射時(shí)空演化如圖12 所示，此處以S20-N 為例分析。在圖12(b)中以球點(diǎn)大小代表聲發(fā)射強(qiáng)度大小，藍(lán)色和紅色分別代表產(chǎn)生拉伸破壞和壓剪破壞時(shí)的聲發(fā)射。

圖12 S20-N 單軸壓縮破壞裂隙及聲發(fā)射演化規(guī)律Fig.12 S20-N uniaxial compression breaks and AE evolution

由圖12 可知，加載初期(Step 10)，煤體中產(chǎn)生少許裂隙，且拉伸和壓剪破壞并存；當(dāng)載荷逐漸增大(Step 20)，試件裂隙顯著增多，聲發(fā)射也明顯增多，此時(shí)試件煤體內(nèi)的壓剪破壞快速上升；當(dāng) Step 為30 時(shí)，產(chǎn)生明顯裂縫，且從煤體漸漸延伸至巖體，發(fā)生明顯的壓剪破壞并伴生許多微小裂隙，聲發(fā)射從無(wú)序向有序發(fā)展，在主裂隙上出現(xiàn)明顯的聚集帶；當(dāng) Step 為40 時(shí)，試件失穩(wěn)破壞，聲發(fā)射聚集在主裂隙附近。這表明煤厚20 mm 的RCR 組合體單軸壓縮破壞時(shí)能量釋放以煤體為主并伴隨極小部分巖體彈性勢(shì)能釋放，即能量伴隨主裂隙在煤體中的擴(kuò)展并穿過(guò)煤巖交界面延伸至部分巖體而進(jìn)行釋放。

5.3 RCR 組合體裂隙擴(kuò)展與數(shù)值模擬對(duì)比

圖13 為不同RCR 組合體試件的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)(其中，破壞形式-1、裂隙素描圖-2、聲發(fā)射模擬圖-3、數(shù)值模擬破壞形式-4、增加輔助線后的數(shù)值模擬破壞形式-5和數(shù)值模擬破壞形式切片-6。由于N20 中泥巖和煤彈性模量較近，建模后煤巖體不易區(qū)分，故在煤巖交界面處添加了黑色輔助線)。

圖13 不同組合體試件破壞形式及聲發(fā)射模擬Fig.13 Failure forms and AE simulation of different assembly specimens

由圖13 可知，隨著煤體厚度的增加，RCR 組合體試件失穩(wěn)破壞時(shí)呈現(xiàn)不同的形式，裂隙擴(kuò)展路徑由貫穿整個(gè)試件逐漸變?yōu)橹褂诿簬r交界面，裂隙剪切角度逐漸減小。此外，對(duì)比分析數(shù)值模擬與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其破壞形態(tài)吻合度較高。

從S10-N 試件破壞形態(tài)可知，其首先在煤體中觀測(cè)到主裂隙，角度接近90°，煤體主裂隙間觀測(cè)到橫向貫通的裂隙帶和大角度剪切帶，然后煤體中裂隙逐步向煤巖界面擴(kuò)展，呈現(xiàn)“八”字型拉伸劈裂，并最終貫穿上部巖體。對(duì)比數(shù)值模擬與室內(nèi)試驗(yàn)，2 者均呈現(xiàn)“H”型破壞。

S20-N 試件中裂隙同樣先于煤體中產(chǎn)生，但由于煤層變厚且受其端面效應(yīng)影響主裂隙傾角減小，呈70°的剪切破壞，主裂隙附近煤體崩出且較為破碎，除煤體中衍生的次生裂隙外，主裂隙穿越煤巖交界面并在巖體中產(chǎn)生70°的剪切裂縫，這主要是煤體剪切破壞角度較大，剪切錯(cuò)動(dòng)時(shí)直接作用于上部巖體內(nèi)部，當(dāng)巖體黏聚力不足以抵消剪切力，導(dǎo)致主裂隙沿巖體進(jìn)一步延伸產(chǎn)生剪切破壞。模擬破裂形式為煤體中產(chǎn)生多條剪切破壞裂隙，并由主裂隙延伸至巖體產(chǎn)生單裂隙剪切破壞，與實(shí)際破裂形式基本相符，較S10-N試件中煤體AE 變得多且集中。

S30-N 試件中煤體呈45°剪切破壞，主裂隙貫穿整個(gè)煤體，并產(chǎn)生眾多次生裂隙，主裂隙延伸至煤巖交界面的外側(cè)，導(dǎo)致巖體外幫有部分薄片剝落，但巖體本身無(wú)明顯裂隙產(chǎn)生，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是RCR組合體試件受煤體尺寸效應(yīng)影響，煤體剪切破壞角度變小，破壞時(shí)主裂隙產(chǎn)生的剪切錯(cuò)動(dòng)僅導(dǎo)致巖體外側(cè)片落。

當(dāng)組合體試件未采用ScCO2浸泡時(shí)，隨著巖煤強(qiáng)度比的增大，RCR 組合體失穩(wěn)破壞形式由試件整體充分破壞逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹挥忻后w的單體破壞。在N20-N試件中，由于巖煤強(qiáng)度比接近，試件破壞時(shí)煤巖體中裂隙無(wú)主次之分，煤體和上部巖體中裂隙幾乎同時(shí)產(chǎn)生，之后裂隙貫通呈“V”型。此外，通過(guò)AE 事件分布可知，不僅在主裂隙附近觀測(cè)到大量聲發(fā)射事件數(shù)，而且在煤體及上部破裂巖體中同樣觀測(cè)到較多的聲發(fā)射事件，說(shuō)明RCR 組合體內(nèi)部裂隙已發(fā)育完全，不再只限于表面的宏觀裂隙；對(duì)于SH20-N 試件，巖煤強(qiáng)度比5∶1，強(qiáng)度差值大，破壞時(shí)自煤體產(chǎn)生的裂隙無(wú)法穿越煤巖界面，煤體發(fā)生剪切張拉而巖體中并未產(chǎn)生裂隙。

當(dāng)組合體試件采用ScCO2浸泡處理后，其失穩(wěn)時(shí)破壞形式發(fā)生顯著改變。如S10-Y 試件中煤體裂隙明顯增多，巖體破裂形式呈大角度剪切破壞，但主裂隙仍能貫穿組合體，聲發(fā)射數(shù)較未浸泡前明顯下降，且分布較為離散；對(duì)于S20-Y 試件，煤體中無(wú)明顯主裂隙，僅觀測(cè)到眾多微裂隙，碎裂塊體小且呈流體狀，表現(xiàn)出典型的塑性破壞，煤體作用于巖體的回彈能量不足以使得巖體破裂，只有內(nèi)部微小裂隙滋生和外側(cè)部分剝落。AE 除集聚于明顯裂隙附近外，在煤體各處離散分布；S30-Y 試件中巖體無(wú)裂隙及AE，煤體依舊表現(xiàn)為典型的塑性破壞，碎裂煤體呈流體狀，AE 集中于煤體中部，于周圍擴(kuò)散環(huán)繞且離散分布。

綜上分析可得：

(1)隨煤層厚度的增加，RCR 組合體裂隙由貫穿試件逐漸止于煤巖界面，破壞形式逐漸由“H”型拉伸劈裂破壞轉(zhuǎn)變?yōu)椤癤”型共軛剪切破壞，主裂隙剪切角由接近90°逐漸趨于45°。當(dāng)采用ScCO2浸泡處理后，煤體彈性變形時(shí)間較為短暫，更多的是塑性破壞，且隨著煤層厚度的增加，RCR 組合體裂隙更早止于煤巖界面，破壞形式由大角度剪切破壞逐漸向無(wú)明顯主裂隙的破碎流體狀碎屑轉(zhuǎn)變。

(2)隨巖煤強(qiáng)度比的增大，RCR 組合體裂隙由貫穿型逐漸止于試件煤巖交界面，破壞形式由“V”型剪切破壞逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹挥忻后w的剪切破壞，主裂隙剪切角度也逐漸變小。采用ScCO2浸泡處理后，其巖煤強(qiáng)度比越低，RCR 組合體破裂形式越破碎，而巖煤強(qiáng)度比越高，破壞失穩(wěn)時(shí)巖體較為完整，煤體較為破碎。

(3)在未進(jìn)行ScCO2浸泡時(shí)，RCR 組合體破壞時(shí)伴隨著煤體碎片的崩落和飛濺，并發(fā)出巨大聲響，尤以巖煤強(qiáng)度比高的SH20-N 試件最為明顯；當(dāng)浸泡處理后，煤體碎屑呈流體狀“垮落”，導(dǎo)致RCR 組合體破壞失穩(wěn)，且無(wú)較大聲響，這說(shuō)明ScCO2作用會(huì)降低煤體的黏聚力和內(nèi)部的膠結(jié)性能，降低其彈性勢(shì)能，增加塑性破壞，進(jìn)而影響整個(gè)組合體的破裂形式、力學(xué)強(qiáng)度、能量釋放和失穩(wěn)態(tài)勢(shì)及時(shí)間。

6 討論與展望

6.1 討 論

不同煤厚和巖煤強(qiáng)度比RCR 組合體在ScCO2作用下力學(xué)性質(zhì)及其破壞特征關(guān)系如圖14 所示。

圖14 ScCO2 作用下RCR 組合體力學(xué)性質(zhì)與破壞特征關(guān)系Fig.14 Relationship between mechanical properties and damage characteristics of RCR assemblies under the action of ScCO2

由圖14(a)可知，在ScCO2作用前后RCR 組合體抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨著煤厚的增加逐漸降低，其與煤厚的擬合優(yōu)度R2也相對(duì)較高。在ScCO2作用后，煤厚10、20、30 mm 時(shí)破壞特征形式分別為：由巖煤整體拉伸破壞轉(zhuǎn)向巖體拉伸煤體剪切破壞；由巖體拉伸煤體剪切破壞轉(zhuǎn)向只有煤體的剪切破壞；由煤體整體剪切破壞轉(zhuǎn)向煤體塑性剪切破壞。由圖14(b)可知，在ScCO2作用前后RCR 組合體抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨著巖煤強(qiáng)度比的增加逐漸升高，其與巖煤強(qiáng)度比的擬合優(yōu)度R2也相對(duì)較高。在ScCO2作用后，巖煤強(qiáng)度比1∶1、3∶1、5∶1 時(shí)破壞特征形式分別為：由巖體拉伸煤體剪切破壞轉(zhuǎn)向巖煤整體剪切破壞；由巖體拉伸煤體剪切破壞轉(zhuǎn)向只有煤體的剪切破壞；由煤體整體剪切破壞轉(zhuǎn)向煤體塑性剪切破壞。

綜上所述，ScCO2作用會(huì)大幅弱化煤體力學(xué)強(qiáng)度，基于本文特定實(shí)驗(yàn)條件下研究成果表明，煤層越厚的地層越容易發(fā)生失穩(wěn)，頂?shù)装鍘r層強(qiáng)度越高的地層越不容易發(fā)生失穩(wěn)，地層失穩(wěn)破壞時(shí)動(dòng)力顯現(xiàn)強(qiáng)度與煤厚成反比、與巖煤強(qiáng)度比成正比。故在滿足CO2注入封存量前提的一定區(qū)域地層內(nèi)，應(yīng)選擇頂?shù)装鍘r層強(qiáng)度較高、煤層厚度較薄的區(qū)域地層封存CO2安全性更高。

6.2 展 望

相較于瘦煤，焦煤、貧瘦等低階煤而言[39]，無(wú)煙煤作為一種高階變質(zhì)煤，其微孔隙發(fā)育十分完全，比表面積大，具有更強(qiáng)的儲(chǔ)存CO2能力，故就儲(chǔ)存CO2能力而言，在深部不可采煤層中無(wú)煙煤煤系地層為最優(yōu)。但與此同時(shí)，在相同的有效應(yīng)力下變質(zhì)程度越大的煤體受ScCO2作用后，其力學(xué)強(qiáng)度劣化程度越大。在無(wú)煙煤煤系地層中，蓋層巖性不唯一，故選取泥巖、砂巖、石灰?guī)r這3 種典型蓋層進(jìn)行了研究，研究不同類型“巖-煤-巖”類型組合體在ScCO2作用下的力學(xué)性能劣化程度、能量演化情況、裂隙擴(kuò)展和失穩(wěn)態(tài)勢(shì)。因?yàn)?，在深部不可采煤層注入CO2后，由于CO2與CH4的競(jìng)爭(zhēng)吸附，煤體中存儲(chǔ)大量Sc 狀態(tài)的CO2，導(dǎo)致煤體力學(xué)特性大幅弱化，引發(fā)煤巖破裂，極易導(dǎo)致CO2泄漏，污染地下水資源。此外，由于儲(chǔ)層溫度和壓力的變化、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)所引發(fā)的突發(fā)地質(zhì)事件(火山、地震等)等也會(huì)對(duì)煤巖結(jié)構(gòu)體的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，故對(duì)煤巖組合體在ScCO2作用前后的系列研究很有必要。

筆者對(duì)ScCO2浸泡7 d(第1 階段)進(jìn)行了深入的研究，即煤體為主體損傷階段，對(duì)煤體與巖體共同損傷階段和完全損傷階段仍需進(jìn)行深入的探究。此外，煤層對(duì)CO2、CH4競(jìng)爭(zhēng)吸附時(shí)還存在差異性膨脹效應(yīng)，煤層所處條件為氣-液-固多相耦合環(huán)境，在多相環(huán)境下煤體的損傷也會(huì)導(dǎo)致區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)變化[6]，這些也是實(shí)驗(yàn)需要進(jìn)一步結(jié)合考慮并深入研究的方向。

7 結(jié) 論

(1) RCR 組合體的抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨煤厚增加而降低，隨巖煤強(qiáng)度比增大而升高。ScCO2作用后，隨煤厚的增加，RCR 組合體抗壓強(qiáng)度劣化幅度逐漸增大，彈性模量劣化幅度逐漸降低；而當(dāng)巖煤強(qiáng)度比不同時(shí)，其抗壓強(qiáng)度和彈性模量劣化幅度基本一致，并未呈現(xiàn)較大差異。

(2) ScCO2作用導(dǎo)致RCR 組合體更早進(jìn)入彈性變形階段，且經(jīng)歷短暫的彈性變形后發(fā)生失穩(wěn)破壞，其受煤厚影響較大，受巖煤強(qiáng)度比影響較小。

(3) RCR 組合體總能量、耗散能、彈性能、盈余能隨煤體厚度增加而逐漸降低，隨巖煤強(qiáng)度比的增大而逐漸增大。此外，ScCO2作用會(huì)使RCR 組合體彈性能占比降低，耗散能占比升高，盈余能占比降低。

(4)隨著煤厚的增加，RCR 組合體破壞形式由“H”型拉伸劈裂破壞轉(zhuǎn)變?yōu)椤癤”型共軛剪切破壞；隨著巖煤強(qiáng)度比增大，RCR 組合體試破壞形式由整體的“V”型剪切破壞逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹挥忻后w的剪切破壞，而且ScCO2浸泡會(huì)加劇這兩種趨勢(shì)的轉(zhuǎn)變進(jìn)度。(5) RCR 組合體失穩(wěn)態(tài)勢(shì)與煤厚成正比、與巖煤強(qiáng)度比成反比，破壞時(shí)動(dòng)力顯現(xiàn)強(qiáng)度與煤厚成反比、與巖煤強(qiáng)度比成正比。ScCO2作用會(huì)促進(jìn)煤體發(fā)生塑性破壞，其破壞程度與煤厚和巖煤強(qiáng)度比均成正相關(guān)關(guān)系。