煤田地质与勘探

作者：林柏泉, 施宇, 刘厅, 沈扬, 黄涛,

关键词：热烟气, 温度效应, 侵蚀煤体, 破裂演变, 竞争劣化,

背景瓦斯发电厂产排的热烟气注入深部难抽煤层具有瓦斯增产与CO2封存双重效益，但热烟气载热特性引起的煤储层稳定性问题亟待解决，解决该问题的关键在于阐明CO2-H2O体系温度效应下侵蚀煤体破裂演变机制。方法采用自主搭建的考虑温度−压力耦合效应的CO2-H2O-煤相互作用平台，进行不同温度下单轴、三轴与巴西劈裂试样预处理。基于力学强度测试结果研究不同CO2-H2O体系温度下煤体强度非线性劣化规律。对比加载过程声发射(AE)与非接触式全场应变监测(DIC)结果，分析CO2-H2O体系温度对侵蚀煤体破裂演变的影响。结合能谱扫描电镜(SEM-EDS)，探讨不同侵蚀温度下侵蚀煤体热破裂与矿物溶蚀效应的竞争劣化机制。结果和结论(1)侵蚀温度升高时，单轴试样渐进破裂阶段从峰前向峰后转变，而热破裂与矿物溶蚀产生的竞争劣化效应导致峰值强度非线性降低。矿物溶蚀影响下劈裂试样抗拉强度显著降低，而热破裂并未显著加剧其劣化。(2)低温侵蚀煤体中，矿物溶蚀形成微观缺陷，加载时连通产生大量新生裂隙，导致声发射振铃突变点显现频率及累计声发射振铃数均增大。高温侵蚀煤体中，热破裂形成大量连通裂隙，声发射振铃突变点频率和累计振铃数显著降低，试样破裂由迅速、突然地张拉破裂逐渐向渐进、缓慢地剪切破裂转变。(3)侵蚀温度升高时，单轴试样宏观破裂形态经历片状分离、剪切块分离与混合破裂模式，导致试样宏观裂隙分布更复杂、破裂更充分。侵蚀试样内产生大量微观缺陷并促进剪切破裂，但峰值应力时仍以拉伸破裂为主，滞后区域压应变集中且应变场复杂。劈裂试样宏观破裂形态从中央破裂逐渐向更为曲折的非中央断裂发展，拉应变分布复杂，集中区域范围增大且向试样一侧偏转。(4)矿物溶蚀效应仅能在煤样内部产生溶蚀坑与孔洞，而形成大尺度裂隙需要相当长的侵蚀时间。高温侵蚀条件下矿物溶蚀效应大幅减弱，但热破裂效应会形成大量具有更大尺度的新生裂隙导致煤体力学强度大幅降低。研究成功可为热烟气瓦斯增产与地质封存过程储层稳定性评价提供理论参考。

来源：2025年第8期

《煤田地质与勘探》期刊编辑部

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