超臨界CO2作用后無煙煤力學損傷演化特性及機理

肖 暢，王 開，張小強，姜玉龍，閆建兵，岳少飛，王文偉，詹 傲

(太原理工大學 礦業工程學院，山西 太原 030024)

二氧化碳的捕獲與封存(Carbon Dioxide Capture and Storage,CCS)是將大氣中的CO進行捕獲，并存儲到深部地下當中。目前能源低碳減排是中國及世界其他各國提上日程的重要議題，CO被認為是導致全球氣候變暖的主要元兇之一。現關于CO的地質處置方式有很多，如：深部不可開采煤層儲存CO、深部鹵水封存CO、CO強化采油、CO強化采氣等。由此可見深部不可開采煤層進行的地質封存既可減少大氣中CO的含量，又可以驅替抽采煤層中的瓦斯，一舉雙效，具有重要意義。在深部不可開采煤層中，當溫度和壓力達到CO的臨界點(31.1 ℃和7.38 MPa)時，CO就會呈現超臨界態，同時表現出氣體以及液體的部分性質。當CO特別是超臨界CO與煤相互作用時，會引起煤體物理性質和化學結構的改變，進而導致煤層的結構損傷，改變其力學性能。因此，煤體力學性質的變化直接關系CO地質封存的有效性和安全性問題。

在超臨界CO作用后引起煤體力學特性發生改變的方面，國內外學者進行了大量的研究。張俊超研究發現超臨界CO的注入壓力越大對煤體的力學強度弱化越大，釋放了其中的表面能，使得煤體的塑性增強。VIETE D R等研究發現超臨界CO在煤體上的吸附弱化了其力學性能，從而導致煤體滲透率增加。在引起煤體孔裂隙結構方面，岳立新等研究發現超臨界態CO對煤體有萃取作用，煤體滲透率與超臨界CO注入時孔隙壓力有關。LIU等認為煤和CO之間的反應會改變孔隙結構，增大孔隙的體積和連通性，改變其分形維數等。SAMPATH和PIRZADA等認為煤飽和CO之后會引起煤體的損傷，具體地，吸附引起的膨脹會產生微裂縫，故反應后煤樣的裂隙密度明顯增大。在引起煤體變形進而影響滲透率方面，白冰等從膨脹應力的公式入手得出了煤體在相同吸附量的情況下，吸附CO引起的膨脹變形要大于吸附CH下產生的變形。賀偉等通過試驗對不同煤階煤體吸附CO后引起的變形進行研究，研究表明超臨界CO作用時間越長，煤體的滲透率越大。牛慶合進行了8，16，24 h的注氣實驗，發現CO的作用壓力、作用時間以及水都會對煙煤的力學強度與滲透率產生影響。

盡管如此，關于含水煤層CO注入過程中煤巖的力學性質動態響應仍顯不足，存在超臨界CO作用時間較短及損傷模型不明確等問題，鑒于此，筆者從水分含量、超臨界CO浸泡時間2個方面入手，通過開展不同試驗條件下無煙煤的單軸力學實驗，以探討CO注入含水煤儲層的力學響應特征，揭示CO注入煤層過程中，煤體力學性質及聲發射的演化規律。最終，從力學角度為煤儲層CO-ECBM的有效性和安全性提供理論基礎。

1 超臨界CO2浸泡試驗設置

試樣選取山西省晉城市海天煤業15號煤層(無煙煤)。將取好的煤塊放入充滿木屑的木箱中運回實驗室，拆封后用巖石取芯機將其加工為標準試件，尺寸為50 mm×100 mm，試件如圖1所示，煤樣的基本參數見表1。

圖1 標準試樣

表1 無煙煤的基本參數

浸泡超臨界CO試驗之前，將煤樣進行干燥處理，當其質量不再發生變化時，可認為煤樣含水率為0(干燥狀態)，其余煤樣在水中進行飽水處理，飽水處理的水為煤礦地下水。每隔8 h取出試件進行一次稱重，當最終質量不變后，即可認為煤樣處于飽水狀態。據式(1)得到試樣達到飽水狀態的含水率=3.21%(飽水狀態)。

(1)

之后進行超臨界CO浸泡試驗，一般而言，在CO注入半天之內煤巖的單軸抗壓強度就降低了60%左右，隨后，隨著時間的增加抗壓強度降低幅度趨緩，這說明超臨界CO注入的初始階段對煤巖力學性質影響較大，故本試驗超臨界CO浸泡時間設為3，5，7 d；浸泡壓力為10 MPa，浸泡溫度為50 ℃，為降低試驗誤差，各組設3個煤樣進行試驗，試驗結果取3者均值。超臨界CO浸泡方案見表2。

表2 浸泡試驗方案

浸泡超臨界CO試驗裝置示意如圖2所示，該儀器可以滿足20～100 ℃，20 MPa試驗條件下的浸泡試驗，力學試驗示意如圖3所示，巖石試驗系統采用STYE-2000 KN型壓力機；聲發射監測系統采用北京聲華科技生產的SWAE4設備對煤樣破壞過程中產生的聲發射信號進行監測；數據采集系統由測微計系統、位移傳感器和應力傳感器共同組成，分別對煤樣軸向、徑向變形及載荷進行采集。

圖2 超臨界CO2浸泡裝置

圖3 試驗加載與數據采集示意

最后對不同試驗方案下的煤體進行單軸加載試驗，加載方式采用0.1 mm/min位移控制加載，試件加載過程中聲發射監測系統需即時采集聲發射信號。加載過程中聲發射信號的采集是由4個SR105M型傳感器完成的，每個傳感器均配置PAI型前置放大器。將4個傳感器用黃膠帶將聲發射探頭均勻地固定在試件的上下兩端，保證兩兩互相垂直，并在接觸位置涂抹凡士林，具體位置如圖3所示。根據聲發射斷鉛試驗的結果，將聲發射探頭采集頻率設為60～400 kHz，門檻值設為45 dB，主放設為40 dB，采樣頻率設為10 MHz。

2 試驗結果與分析

2.1 超臨界CO2作用后煤體應力-應變曲線

由圖4可以看出，各試驗條件下煤體的應力-軸向應變、應力-徑向應變2者的變化趨勢基本相同，均表現出4個典型階段：初始壓密階段、彈性變形階段、屈服階段、峰后破壞階段。

圖4 不同試驗條件下煤體軸、徑向應力-應變曲線

(1)初始壓密階段。在該階段中隨軸壓逐漸增大，初始曲線較為平穩隨后開始上揚，呈現上凹陷狀，說明曲線的斜率逐漸增大，煤體的剛度增大。由圖4可見應力-軸向應變曲線的凹陷現象較為明顯，而徑向應力應變幾乎呈直線變化。隨著位移的逐漸增大，煤樣中預先存在的孔裂隙受到壓縮以及閉合，這個過程中發生較小應變所需的應力越大，因而導致應力-應變曲線在初始階段呈現上凹陷狀。然而C，D，E，F，G，H六組較A，B兩組有較明顯的上凹，且C，D，E較F，G，H三組有較大上凹，原因是水+超臨界CO作用下造成煤體力學弱化，較易壓密。

(2)彈性變形階段。煤樣在得到充分的壓實之后，原始孔裂隙度迅速降低，且新的裂隙尚未產生，煤樣的密度變大，此階段煤樣等同于彈性體。煤樣的軸向應變和應力之間呈正線性關系，基本可視為直線，符合Hooke定律。

(3)屈服階段。此時應力-應變曲線轉為非線性變化，煤樣進入新裂紋的擴展時期，該過程曲線的斜率有所降低，煤樣的剛度開始下降，由于新裂隙的產生，煤樣的徑向應變增加速率增大。

(4)峰后破壞階段。當載荷加至煤樣峰值強度后煤樣發生破壞，應力開始大幅下降，出現應力跌落現象，此階段煤體內部產生大量微裂紋并且相互貫通最終連接形成宏觀裂縫，失去承載能力。

2.2 超臨界CO2作用后煤體強度劣化規律分析

定義試件在超臨界CO作用過程中力學參數降低程度為劣化度，它在一定程度上反映了試樣經歷超臨界CO作用過程后的損傷程度。其中，總劣化度表示超臨界CO作用之前與超臨界CO作用后的力學參數降低程度，可表示為

(2)

其中，為試件經歷超臨界CO作用后的總劣化度；為試樣在超臨界CO作用之前的初始力學參數值，力學參數主要包括抗壓強度、彈性模量和泊松比等；為超臨界CO作用之后的力學參數值,下角為超臨界CO浸泡的不同時間。為了更好的表征超臨界CO在某一實驗條件作用下與上一實驗條件作用下相比,力學參數的降低程度(以初始力學參數為基準)，設階段劣化度Δ為

(3)

煤體在不同水分含量及不同浸泡時間下的抗壓強度試驗結果見表3。為了更加直觀的分析煤樣在超臨界CO作用下的強度特征及劣化規律，得到如圖5～7所示結果。

表3 煤體在不同試驗條件下的抗壓強度及劣化度

圖5反映了無煙煤強度在不同含水狀態下隨浸泡時間的變化規律。結合表3和圖5可知，各組煤樣在超臨界CO浸泡0，3，5，7 d后，干燥組煤樣抗壓強度分別為19.88，14.61，13.16，12.18 MPa，較浸泡前降低了7.7 MPa；飽水組煤樣抗壓強度分別為17.49，10.25，9.23，8.67 MPa，較浸泡前降低了8.82 MPa,由此可見，通過超臨界CO的作用使煤體的抗壓強度表現出明顯的劣化效應，且隨超臨界CO作用時間的增加，干、飽2組煤樣的抗壓強度均出現了減小的情況。

圖5 煤體在不同試驗條件下的抗壓強度

圖6為不同試驗條件下煤體隨超臨界CO作用不同時間下抗壓強度的總劣化度。由圖6可知，2組煤體的抗壓強度總劣化度逐漸增大。在超臨界CO浸泡3 d之后，C，F兩組煤樣的總劣化度分別為26.51%，41.39%，浸泡5 d之后D，G兩組煤樣的總劣化度分別為33.8%，47.23%，浸泡7 d后，E，H兩組煤體抗壓強度總劣化度為38.73%，50.43%，由此可見，飽水組較干燥組在超臨界CO作用后的劣化效應更加明顯。這是因為礦井水本身與煤基質就會發生反應導致煤體孔裂隙增多，且超臨界CO溶于礦井水之后與煤基質產生更加激烈的化學反應，進而導致在超臨界CO作用下飽水組的總劣化度大于干燥組。

圖6 煤體在不同試驗條件下抗壓強度的總劣化度

由圖6還可以看出，飽水組超臨界作用3 d后的總劣化度為41.39%，較干燥組超臨界CO作用7 d后的總劣化度38.73%還要大，故各試驗條件下煤樣強度總劣化度情況為：H組煤樣>G組煤樣>F組煤樣>E組煤樣>D組煤樣>C組煤樣>B組煤樣>A組煤樣。由此可以得出，水+超臨界CO對煤體劣化度的影響>超臨界CO對煤體劣化度的影響>水對煤體劣化度的影響，即水+超臨界CO的耦合作用下對抗壓強度總劣化比單因素條件(超臨界CO、水)下更為突出。

圖7反映了超臨界CO浸泡不同時間下煤體抗壓強度的階段劣化度，干燥條件下隨浸泡時間的增加，階段劣化度分別為26.51%，7.29%，4.93%，階段劣化程度不斷降低；飽水條件下隨浸泡時間的增加，階段劣化度分別為41.39%，5.84%，3.2%，劣化程度也呈降低趨勢。由此可知煤樣在干燥和飽和狀態下，抗壓強度階段劣化度隨著浸泡時間的增加，階段劣化度均不斷降低，隨著浸泡時間的增加，煤體抗壓強度總劣化度逐漸平穩，最終會趨向于一個定值。煤體在超臨界長期作用下強度劣化到一定程度后，基本不再發生變化。

圖7 不同試驗條件下煤體抗壓強度的階段劣化度

2.3 超臨界CO2作用后煤體彈性模量及泊松比劣化規律分析

圖8為煤體不同浸泡時間下的彈性模量變化趨勢，干燥組試樣從1.89 GPa減小到1.10 GPa，減小了41.79%；飽水組試樣從1.65 GPa減小到0.61 GPa，減小了63.03%。各試驗條件下煤樣的彈性模量均出現不同程度的降低，其中在H組試驗條件下，試樣的彈性模量減小較明顯。煤是一種具有諸多封閉裂縫的特殊巖石，裂縫接觸面摩擦因數的增加會導致彈性模量的增大，摩擦因數越高，裂紋接觸面越難滑動。隨著浸泡超臨界CO時間的增加，對煤體的損傷逐漸增大，新裂紋的增加使裂紋接觸面的摩擦因數降低，造成接觸面的滑移阻力降低，從而導致了彈性模量的減小。

圖8 煤體在不同試驗條件下的彈性模量

對干燥、飽水2組煤樣的彈性模量與浸泡時間關系進行擬合，發現2者之間符合=+exp(-)的關系式(其中，為超臨界CO浸泡不同時間后的彈性模量；為初始狀態的彈性模量；，為擬合參數；為超臨界CO浸泡時間)，見表4，擬合程度良好。根據式(2)，(3)可計算出煤體彈性模量的總劣化度和階段劣化度，分別如圖9，10所示。

表4 煤體在不同試驗條件下彈性模量與浸泡時間的函數關系式

圖9 不同試驗條件下煤體彈性模量的總劣化度

圖10 不同試驗條件下煤體彈性模量的階段劣化度

2組煤體彈性模量的總劣化度隨浸泡時間增加而不斷增大，但浸泡時間不同，劣化程度不同。由圖9，10可知，0～3 d內，干燥、飽水2組試樣的彈性模量總劣化度分別為31.13%，42.51%；3～5 d內，2組的總劣化度分別為37.69%，56.49%，階段劣化度分別為6.57%，14.06%；5～7 d內，2組的總劣化度分別為41.63%，63.38%，階段劣化度分別為4.19%，6.57%。在超臨界CO浸泡前期，試樣彈性模量的劣化速度較快，隨著超臨界CO浸泡時間的增加，煤體彈性模量的損傷效應逐漸減弱，這與超臨界CO對煤體抗壓強度的損傷演化規律基本一致。

泊松比是指煤巖壓縮過程中徑向應變與軸向應變的比值，也是表征試樣力學性質的重要參數之一，泊松比越大，表示試件的彈性越小、塑性越大。泊松比隨超臨界CO浸泡時間的增加呈現逐漸增大的趨勢，干燥組煤樣的泊松比分別為0.263，0.318，0.325，0.331；飽水組煤樣的泊松比分別為0.307，0.342，0.356，0.364，干燥組煤樣的泊松比分別增長了20.91%，23.57%，25.85%；飽水組煤樣的泊松比分別增長了11.41%，15.96%，18.56%，由以上試驗結果可知，隨超臨界CO浸泡時間的增加，泊松比呈升高趨勢，但增長幅度逐漸降低。這進一步說明了隨超臨界CO浸泡時間的增加煤體的變形由脆性變形轉換到塑性變形，說明損傷程度逐漸增大。

3 煤體聲發射及損傷演化特征

3.1 煤體聲發射特征分析

聲發射是研究煤樣損傷演化過程的有效手段，能有效的監測煤樣內部微裂隙貫通與發展的各過程，其中聲發射累計數反映了煤樣在破壞過程中內部結構的演化。在每組的3個試樣中選取具有代表性的曲線繪制了隨超臨界CO作用下煤樣的應力-應變-聲發射累計數關系曲線，如圖11所示。

由圖11可以發現，各試驗條件下煤樣的聲發射累計計數曲線與第2節中的應力-應變曲線有良好的一致性，亦可分為4個階段：① 聲發射微弱階段，在該階段聲發射信號微弱甚至沒有聲發射信號的產生，與應力-應變曲線的壓密階段相對應；② 聲發射慢速上升階段，此時開始有聲發射信號的產生，但速度較慢，煤樣發生彈性變形，與應力-應變曲線中的彈性階段相對應；③ 聲發射快速上升階段，聲發射信號產生的速度較上一階段有了明顯的增加，此時煤樣內會重新出現大量微裂隙，使得煤樣由彈性向塑性過渡，進而使聲發射信號的增長速率得以提升，與屈服階段相對應。且隨超臨界CO浸泡時間的增加，煤樣聲發射累計曲線的斜率呈降低趨勢，這是因為超臨界CO的煤體的弱化效應抑制聲發射信號的產生；④ 聲發射突增階段，與峰后破壞階段相對應，該階段載荷達到煤樣極限強度，煤樣發生破壞，導致聲發射信號急劇增加達到最大值，由于超臨界CO和水的損傷作用，導致C～H組聲發射累計數出現降低的現象。

圖11 不同試驗條件下煤樣的全應力-應變-聲發射累計數曲線

表5為不同浸泡時間下煤樣的聲發射累計數。為了更加清晰直觀地反映聲發射累計數與浸泡時間的關系，得到如圖12所示結果。

表5 煤體不同浸泡時間下的聲發射累計數

圖12 不同浸泡時間下煤樣聲發射累計數

由表5和圖12可以看出，浸泡時間對煤樣聲發射累計數具有顯著影響。干燥組煤體在未浸泡超臨界CO時的聲發射累計數最大，為6.46×10；浸泡7 d后，聲發射累計數最小，為3.01×10，下降53.41%。飽水組煤體在未浸泡超臨界CO時，煤樣的聲發射累積數最大，為5.38×10；浸泡7 d后，聲發射累積數最小，為0.34×10，下降93.68%。隨浸泡超臨界CO時間的增加，煤體聲發射累計數顯著降低，且飽水組煤體的聲發射累計數均小于干燥組煤體，究其原因，是因為煤體內部存在大量的黏土礦物，在礦井水及超臨界CO的作用下，使得黏土礦物的微觀結構和成分發生改變，造成其內部的膠結程度及粒子強度明顯下降，導致了煤體在水+超臨界CO作用下聲發射累積數減少及聲發射現象減弱的情況。

表6為不同試驗條件下的煤體聲發射累計數擬合方程，可以發現煤樣的聲發射累計數與浸泡時間符合=+exp(-)關系式，2條曲線的擬合優度為0.99，0.97，擬合程度較好。由表5及圖12可以看出，浸泡初期，聲發射累計數下降較快，隨著浸泡時間的增加，聲發射累計數明顯減少。由此說明，浸泡初期超臨界CO作用對煤體的損傷比較顯著，浸泡時間越長，對煤體的損傷越不明顯。

表6 煤體在不同試驗條件下聲發射累計數與浸泡時間的函數關系式

3.2 基于浸泡時間的煤體損傷模型

超臨界CO的作用對于煤體損傷、劣化具有重要作用，其中超臨界CO的浸泡時間是影響煤體強度的重要因素。煤樣的聲發射表征了煤體內部的損傷情況，與煤樣的損傷變量必然存在著關聯性，故可以利用損傷理論構建基于超臨界CO浸泡時間的煤體損傷模型。TANG運用連續損傷力學的理論，提出了損傷變量與聲發射累積數相一致的觀點。

損傷變量為

(4)

式中，為由超臨界CO引起的截面損傷面積；為未浸泡超臨界CO時截面的初始面積。

定義初始試樣完全破壞時的聲發射累計數為，那么，試件的聲發射率為

(5)

當某一浸泡時間后，截面的損傷面積為時聲發射數累計數為

(6)

聯立式(4)與式(6)得，某一浸泡時間下，聲發射累計數與損傷變量間的關系：

(7)

根據式(7)可知，試件的聲發射累計數可以充分表征試件的損傷程度。由試驗結果可知，隨著超臨界CO浸泡時間的增加，煤體的聲發射累計數逐漸減少，即可認為煤體聲發射數的減少是因為超臨界CO作用引發的，超臨界CO浸泡時間越長，對試件損傷就越大。因煤體聲發射累積數與作用時間符合=+exp(-)關系式，因此可得在超臨界CO作用不同時間下煤樣損傷變量與聲發射數的關系：

(8)

式中，，，為擬合參數。

定義初始煤樣的損傷變量為0，當煤樣浸泡超臨界CO時間足夠長時，=1。從而可以定義超臨界CO浸泡時間對煤體的損傷變量′為

(9)

聯立式(8)與式(9)可得

(10)

式(10)為關于超臨界CO浸泡時間的聲發射累積數與損傷變量′的關系，根據2組試件在不同浸泡時間下的聲發射累積數，可以得到2組試件的損傷變量′與超臨界CO浸泡時間的關系，如圖13所示。其擬合關系見表7，擬合程度良好。

圖13 煤樣損傷變量與浸泡時間的關系

表7 煤樣損傷變量與浸泡時間的函數關系式

由圖13可知，干燥/飽水兩組煤樣的損傷變量隨超臨界CO作用時間的增加而增大。超臨界CO浸泡3～7 d下，干燥組煤樣的損傷變量分別為0.35，0.46，0.54；飽水組煤樣的損傷變量分別為0.59，0.80，0.92。就損傷變量的增幅而言，干燥組煤樣的損傷變量增幅分別為35.23%，31.42%，17.39%，飽水組分別為59.12%，35.59%，15.00%。可見在浸泡前期0～3 d時，損傷變量增幅較大，隨后逐漸減小。由此可知，超臨界CO作用時間越長，對煤體的損傷也越大，但增幅逐漸降低。

損傷變量亦可由彈性模量進行定義：

(11)

式中，為超臨界CO浸泡不同時間后煤樣的彈性模量；為未浸泡超臨界CO前煤樣的彈性模量。

將分別由彈性模量定義式(11)聯立及由聲發射累計數定義的損傷變量式(10)可得

(12)

由式(12)可得隨著作用時間的增加，彈性模量呈下降的趨勢，并隨著時間的增加，下降趨勢越慢，且無限趨近于某一定值。

泊松比及彈性模量的定義式分別為

(13)

(14)

式中，為徑向應變；為軸向應變；為軸向應力。

聯立式(13)與式(14)，可得用泊松比表征超臨界CO浸泡后的彈性模量為

(15)

聯立式(12)，(15)可得

(16)

由式(15)可知，參數，，，為定值時，隨著超臨界CO浸泡時間的增加煤樣的泊松比呈升高趨勢，彈性模量呈下降趨勢，且2者的降增幅度越來越小，最終將會無限趨近于某一定值，這與本文試驗結果相符合。

3.3 損傷機理分析

圖14為干燥/飽水2組煤樣在超臨界CO浸泡不同時間下的電鏡掃描照片，由SEM照片可以明顯看出，煤體在超臨界CO的作用下產生微孔以及礦物質因溶蝕而產生“溶蝕坑”的現象。在浸泡超臨界CO前干/飽兩組煤樣表面均較為平整，且煤體顆粒之間的膠結程度較好，隨著超臨界CO浸泡時間的增加，煤體顆粒逐漸轉變為相對離散的狀態，顆粒之間的膠結程度在逐漸下降，并且伴隨著微孔、微裂隙的產生，直至最后出現含有“坑洞”狀的軟弱結構面。

在超臨界CO浸泡3 d時，煤體表面呈現出網狀結構，這是因為超臨界CO對煤體中的有機質有萃取作用，使得煤基質中原有的微裂隙開始延展，并產生一部分新孔(圖14中紅色圈出的部分)，造成煤體內孔容與比表面積的增大，最終導致煤體顆粒表面形成凹凸不平的網狀結構。隨著超臨界CO浸泡時間的增加，出現了圖14中黃色圈出的“坑洞”結構，這是因為超臨界CO使得煤體中的礦物質產生了溶蝕現象。

圖14 不同試驗條件下煤體電鏡掃描結果

煤中除了含有有機質外，同時還存在大量的礦物，如白云石、方解石類的碳酸鹽礦物以及高嶺石類的硅酸鹽礦物等。在水與超臨界CO的共同作用下，會發生化學反應產生大量的H，形成的酸性混合溶液又會與煤中的碳酸鹽及硅酸鹽礦物繼續發生反應。化學反應為

(17)

(18)

(19)

在超臨界CO浸泡相同時間下，飽水組煤樣的劣化效應更加明顯，由圖14(b)，(f)兩組照片可以看出，飽水組煤樣因有機質被萃取產生的微孔較干燥組煤樣更多，隨著超臨界CO浸泡時間的增加到達5 d時，可以明顯看出，圖14(g)組煤樣產生微孔的面積較圖14(f)組更大，最終當超臨界CO浸泡7 d時，圖14(h)組因礦物質溶蝕產生了大面積的溶坑，較圖14(d)組發生了更大的劣化效應。

由此可知，在水和超臨界CO的共同作用下煤體發生了一系列的物理、化學反應，導致煤體內部的原始裂隙開始擴展，同時CO溶蝕煤體中的礦物質，產生新的微孔及微裂隙。隨著微裂隙的增大、增多和積累，最終導致煤體力學性能的劣化，故超臨界CO作用對煤體的損傷劣化效應是從微觀到宏觀的累積過程。

4 討 論

相較于瘦煤、焦煤、1/3焦煤、貧瘦煤此類低階煤而言，無煙煤屬高變質煤，超臨界CO對無煙煤的弱化效果主要集中在浸泡前期(0～5 d)，隨著浸泡時間的增加，對煤體各力學的弱化效果逐漸減弱，在浸泡到7 d時，各項力學參數逐漸趨于平穩。低階煤較高階煤而言，煤體中芳香環縮合程度較低，官能團及橋鍵數量較多，進而超臨界CO萃取所需時間則需更長，故低階煤在浸泡中后期的力學性能仍在弱化，較無煙煤而言力學性能趨于平穩所需時間更長。

地下煤層中大多數含有水分，水分本身對煤體的力學性能就有劣化作用。文獻[25]認為水在煤體表面的吸附較大，因而煤對水的吸附能力較吸附CO的能力要強，也就是說在水分的參與下，煤體會降低對CO的吸附能力，那么就會導致在水與CO的共同作用下，煤體力學性質的弱化程度要小于僅在CO作用下煤體的強度。而試驗結果顯示在水與超臨界CO的共同作用下，煤體的劣化有近乎翻倍的效果，這是因為超臨界CO溶于水后會與煤體中的碳酸、硅酸鹽礦物發生更激烈的物理、化學反應，同時水本身具有的劣化作用，這兩方面共同導致了在水+超臨界CO的條件下煤體力學性質更大的劣化效應。

煤體抗壓強度隨超臨界CO浸泡時間的增加出現下降趨勢，且降幅在超臨界CO浸泡前期快速增大，隨著浸泡時間的增加，降幅的增長速率趨于穩定。這反映了煤體抗壓強度的劣化程度與超臨界CO的吸附量有關，煤基質吸附超臨界CO存在極限吸附量，當煤體的吸附量達到峰值之后，超臨界CO對煤體力學性質的劣化效應也就達到最大值，所以抗壓強度并不會無限劣化，彈性模量與泊松比的劣化規律也同理。

文獻[26]認為當超臨界CO的注入壓力大于10 MPa后，抗壓強度的降幅呈現相反的變化趨勢，也就是說在高壓超臨界CO的作用下，煤體抗壓強度會有所恢復。導致這種現象產生的原因可能是在高壓超臨界CO的作用下，煤體在受壓過程中變形模式由脆性變形轉化為塑性變形，這一現象仍有待進行深入研究。

本文雖基于超臨界CO浸泡時間定義了煤體的損傷模型，但CO地質封存時間跨度極大，可達千萬年之久，故進行CO對煤體力學性質軟化的時間效應模型研究時，仍需進行更長時間的超臨界CO注入實驗，以便為現場的工業實踐提供更全面的理論支撐。

5 結 論

(1)超臨界CO對煤體具有一定的時間效應和非均勻性的損傷作用，主要體現在超臨界CO作用前期，隨著超臨界CO浸泡時間的增加，煤體的抗壓強度、彈性模量均出現不同程度的減小，泊松比均出現不同程度的增大，總劣化度逐漸增大，但隨著浸泡時間的增加，劣化效應逐漸較弱，逐漸趨于某一定值。較單因素(水或超臨界CO)對煤體的損傷而言，水+超臨界CO對煤體的損傷效應更強，且煤體各力學參數對超臨界CO的敏感性要大于水的作用。

(2)隨著超臨界CO浸泡時間的增加，單軸壓縮過程中聲發射累計數不斷減少。聲發射累計數曲線與應力-應變曲線有良好的對應關系，反映了超臨界CO作用下煤樣內部損傷演化的階段性規律。基于損傷理論構建了超臨界CO浸泡不同時間下煤體的損傷模型。該模型定量的反映了隨著浸泡時間增加，水+超臨界CO對煤體的損傷不斷增加，但增幅逐漸變小。

(3)討論了水+超臨界CO作用下煤體的損傷機理，在超臨界CO浸泡過程中和煤基質之間發生化學和物理變化。使得煤體形成新的微裂隙，并導致原始裂隙的擴展，隨著裂隙的增大、增多和積累，導致煤體的力學性能大幅降低。由此可見，水+超臨界CO作用對煤體的力學損傷演化效應是從微觀到宏觀的累積過程。