煤炭学报

作者：刘敏轩, 王亮, 郑思文, 吴淞玮, 赵月辰, 张保勇, 刘超,

关键词：超临界CO₂, 时间效应, 颗粒煤, 力学特性, 断裂机制,

深部不可采煤层的CO2增强煤层气采收率技术(CO2-ECBM)是实现“双碳”目标的重要途径之一，但其涉及的CO2在煤层中的长期封存安全性问题亟待解决，解决该问题的关键在于研究超临界CO2(ScCO2)作用下的不同尺度煤力学性能演化和破坏机理，而颗粒煤力学特性及断裂机制方面相关研究较少。本文选取陕西省郭家河煤矿烟煤为研究对象，开展了不同ScCO2浸润时间下的颗粒煤力学特性研究，基于颗粒单轴压缩试验研究颗粒煤力学参数随浸润时间的变化规律，结合扫描电镜实验(SEM)探讨不同ScCO2浸润时间作用颗粒煤力学性能的时间效应和断裂机制的演化过程。研究结果表明：颗粒煤力学性能随ScCO2浸润时间的不同具有显著差异，基于24 h为时间分界线，将ScCO2对颗粒煤力学特性的影响分为短时物理速劣效应和长时化学缓劣效应，在短时物理速劣效应中，ScCO2的吸附膨胀引起的微裂纹对颗粒煤弹性变形阶段产生快速影响；而在长时化学缓劣效应中，煤分子结构的变化、有机质萃取和矿物溶蚀作用成为主导，这些作用影响颗粒煤力学性能的速度较为缓慢且影响能力较小。ScCO2的膨胀变形、有机质萃取和矿物溶蚀作用使颗粒煤的弹性应变能释放和表面能降低，从而加速了裂纹扩展过程中的能量释放；通过构建颗粒煤断裂机制演化模型，进一步阐释了ScCO2时间效应对颗粒煤断裂机制的影响，短时物理速劣效应颗粒煤的断裂主要受微裂纹密度增加的影响，长时化学缓劣效应对颗粒煤断裂机制的影响以模型内部应力集中点位和孔隙数量增加为主。

来源：2025年第9期

《煤炭学报》期刊编辑部

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