煤炭学报

作者：白刚, 王亚东, 苏俊, 周忠杰, 范超军, 陈军典,

关键词：煤层气, 液态CO₂冻融, 变形损伤, CO₂相态转换, 复合应力,

改善煤层透气性是提高煤层瓦斯高效抽采的常用方法，利用液态CO2为压裂介质冻融煤体是改善煤层透气性的方法之一。液态CO2通过对煤体造成变形损伤改变煤层透气性，深入研究液态CO2冻融煤体变形损伤特性，是揭示液态CO2致裂增透煤体强化瓦斯抽采机制的基础。采用物理实验方法，基于自主研发的液态CO2冻融煤体实验系统，开展液态CO2冻融条件下煤体变形损伤特性实验，监测冻融过程中煤样表面温度、应力、应变及罐体压力参数，分析液态CO2冻融对煤体应力、应变的影响规律及罐中CO2相态特征，探究液态CO2冻融过程中热应力、水−冰相变冻胀力及汽化膨胀力对煤体造成的变形损伤贡献程度，揭示液态CO2冻融的三重复合应力对煤体造成变形损伤的机制。研究结果表明：液态CO2冻融煤样体积应变呈现先下降后上升的“U”字型变化趋势，低温冻结阶段煤基质发生收缩变形，融化阶段煤基质收缩变形逐渐恢复，最终形成了不可恢复的变形，总体表现为煤基质收缩变形与应变恢复2个阶段。实验过程中CO2相态呈现气态−液态(气−液共存)−气态的变化趋势，液态CO2冻融过程包括进液、冻结、缓慢卸压及室温融化4个阶段，对应煤样变形特征表现为冻缩变形、冻缩+冻胀+吸附膨胀变形、变形恢复及受热膨胀变形。非密封干燥煤样、密封干燥煤样及非密封饱水煤样的最小应变值绝对值分别为10056.636 ×10−6、11480.186×10−6、7881.893×10−6，残余应变分别为270.191×10−6、154.869×10−6、2033.636×10−6，胀缩率分别为2.686%、1.349%、25.801%。液态CO2冻融复合应力作用对煤样造成的总变形损伤量为2033.636×10−6，热应力、汽化膨胀力及水−冰相变冻胀力分别造成的变形损伤量为154.869×10−6、115.322×10−6、1763.445×10−6，分别占总变形损伤量的7.615%、5.671%与86.714%，水−冰相变冻胀力占据主导地位。随着煤样含水率增加，煤体最小应变值绝对值降低，残余应变增加，水冰相变冻胀力占比增加。研究结果从煤样变形的角度阐明了液态CO2冻融煤体变形损伤机理，丰富了液态CO2致裂增透煤体强化瓦斯抽采技术体系。

来源：2025年第2期

《煤炭学报》期刊编辑部

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