煤炭学报

作者：张小强, 王文伟, 姜玉龙, 王开, 闫建兵, 岳少飞, 蔚默然,

关键词：超临界CO₂, 煤岩组合体, 力学损伤, 能量演化, 失稳破坏, 裂隙扩展,

将CO2注入到深部不可采煤层是实现CO2地质封存的有效途径之一，但CO2在高压、高温作用下会处于超临界状态，为了探究超临界CO2作用对煤系储层结构的影响，基于自主研发的超临界CO2浸泡实验系统，结合声发射测试系统及RFPA3D数值模拟，研究了3种煤层厚度和3种顶底板岩性的“岩−煤−岩”(RCR)组合试件在超临界CO2作用下的力学损伤特性及其裂隙扩展演化规律。研究结果表明：① 超临界CO2作用后，随煤厚增加RCR组合体抗压强度劣化幅度逐渐增大，弹性模量劣化幅度逐渐降低，而当岩煤强度比不同时，抗压强度和弹性模量劣化幅度基本一致，未呈现较大差异；② 超临界CO2作用会促进煤体塑性破坏，加剧RCR组合体由拉伸劈裂破坏向剪切塑性破坏转变的趋势，RCR组合体塑性破坏程度与煤厚和岩煤强度比均成正相关关系；③ 超临界CO2浸泡作用促使RCR组合体更早进入弹性变形阶段，且经历更为短暂的弹性变形后发生失稳破坏，煤厚越大影响越大，而岩煤强度比影响较小；④ RCR组合体失稳态势与煤厚成正比、与岩煤强度比成反比，破坏时动力显现强度与煤厚成反比，与岩煤强度比成正比；⑤ RCR组合体总能量、耗散能、弹性能、盈余能随煤体厚度增加而逐渐降低，随岩煤强度比的增大而逐渐增大，超临界CO2作用会使RCR组合体试件弹性能占比降低，耗散能占比升高，盈余能占比降低。综合上述研究成果可知，煤层越厚的地层越容易发生失稳，顶底板岩层强度越高的地层越不容易发生失稳，地层失稳破坏时动力显现强度与煤厚成反比、与岩煤强度比成正比。故在满足CO2注入封存量前提的一定区域地层内，应选择顶底板岩层强度较高、煤层厚度较薄的区域地层封存CO2安全性更高。该研究成果可为CO2注入到深部不可采煤层进行地质封存的安全性提供一定的理论借鉴。

来源：2023年第11期

《煤炭学报》期刊编辑部

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