超临界CO2 作用下无烟煤抗拉与抗剪试验研究

肖 畅，王 开，詹 傲，王文伟

（太原理工大学矿业工程学院，山西太原 030000）

越来越多的地下岩土工程受到地下流体的影响，如煤矿安全开采，地下硐室的构筑，CO2地质封存等[1]。其中煤体抗剪与抗拉强度是保证煤岩体稳定的重要力学参数，对地下岩土工程的安全性和有效性有着重要影响[2-6]。在CO2注入煤层的过程中，地下深部的高温高压环境使注入过程始终为超临界态。超临界CO2与地下煤层作用后，使得煤体拉剪力学特性发生改变，有可能会导致地下岩土工程失稳[7-10]，故而研究煤体在超临界CO2作用下的拉剪特性具有重要意义。

针对超临界CO2作用会改变煤体力学特性这一现象，国内外学者进行了大量的研究。张倍宁[11]研究发现：煤阶越高，超临界CO2作用后的力学参数劣化程度越大；李波等[12]就煤体随超临界CO2作用下孔隙结构的变化情况进行研究，结果表明：煤体在超临界CO2作用后渗透率随着作用时间的增加表现出先增大后减小的趋势；岳立新等[13]对比分析了超临界CO2和气态CO2对低渗透煤层渗透性的改变，以及超临界CO2对煤体微观孔隙裂隙发育的影响；牛庆合等[14]研究发现煤体内部的孔隙结构受液态CO2的影响，在低温及相态发生改变的条件下，会促使煤体发生变形收缩；张俊超[15]研究发现随着超临界CO2注气压力的升高，煤体抗压强度会逐渐降低；A S Ranathunga 等[16]研究发现，超临界CO2较亚临界CO2会引起煤基质产生更大的膨胀变形；贾金龙[17]研究发现煤体孔隙内吸附CO2使得煤体表面能降低，且CO2分子在一定压力下容易进入到煤体内部，使得煤体发生溶胀；贺伟等[18]通过试验对不同煤阶煤体吸附CO2后引起的变形进行研究，结果表明不同煤阶煤体具有类似的变化趋势，超临界CO2作用时间越长，煤体的渗透率越大。

尽管如此，含水煤层与超临界CO2作用后抗剪与抗拉力学特性的研究较少，而煤体的破坏形式主要为剪切、拉伸破坏。基于此，以干燥/饱水2 种水分含量及不同超临界CO2的浸泡时间为影响因素，将煤体抗拉强度、抗剪强度、黏聚力、内摩擦角作为研究对象，对煤体在不同试验条件下拉剪特性进行测试；初步揭示了煤体在饱水状态下，超临界CO2浸泡不同时间对其拉剪特性的影响。

1 试 验

1.1 煤样制备

试样选自山西省晋城市海天煤业15#煤层（无烟煤）。煤块从工作面采集，用泡沫塑料密封后送至岩石力学实验室，通过岩石钻孔机对取回来的煤块进行取心，取心方向垂直于层理方向，取心完成后加工成ϕ50 mm×50 mm 和ϕ50 mm×25 mm 2 类圆柱体试样，无烟煤的基本参数见表1。

表1 无烟煤的基本参数Table 1 Basic mechanical parameters of anthracite

1.2 试验仪器

试验所用仪器主要为超临界CO2浸泡装置以及STYE-2000J 微机控制电液伺服岩石试验机。超临界CO2浸泡装置示意图如图1。

图1 超临界CO2 浸泡装置示意图Fig.1 Schematic diagram of supercritical CO2 immersion device

装置主要由以下几部分组成：CO2气瓶、增压系统、高温恒温箱、阀门、高压管线、压力表、三通阀门、浸泡釜[19]。浸泡装置可以进行恒温恒压条件下的超临界CO2浸泡试验。微机控制电液伺服岩石试验系统的荷载量程为2 000 kN，能够进行剪切与巴西劈裂试验，其中剪切试验进行45°、50°、55° 3 种不同角度的剪切试验。

1.3 试验方案

首先将制备好的煤样在恒温箱中进行干燥处理，再将全部煤样的1/2 进行饱水处理，直至煤样的质量不再发生变化时，认为其处于饱水状态；然后进行不同试验条件下的超临界CO2浸泡试验；最后对超临界CO2作用后的煤样进行巴西劈裂试验与变切角试验。具体试验步骤如下：

1）将制备好的煤样分成2 类，分别用于抗拉与抗剪试验，每类试样分成A～H 8 组，并进行编号。

2）将煤样放在浸泡釜中，打开CO2气瓶阀门进行注气，同时打开浸泡釜下阀门进行排空气处理，后将该阀门关闭。

3）排空气处理完成后，对煤样进行浸泡试验，浸泡试验过程中压力设为10 MPa，温度设为50 ℃，以保证在浸泡试验过程中的CO2一直处于超临界态（7.38 MPa、31.1 ℃）。浸泡试验方案见表2。

表2 浸泡试验方案Table 2 Immersion test schemes

4）浸泡试验完成后，立即取出试件，将试件放置在压力机上，分别进行变角剪切与巴西劈裂试验。

5）进行剪切试验时，将试样与夹具放置在压力机上，承压板与夹具之间放置铁质滚轴以减小摩擦力，按照0.1 kN/s 的速度进行加载，直至试样被剪断。依次进行3 个角度的变切角试验；巴西劈裂试验采用力加载的方式，加载速度为0.1 kN/s。

6）按以上步骤分别对每组进行试验，每组试验包含3 个煤样，试验结果取三者均值，以减少由于煤样本身具有的非均质性给试验带来的影响，直至完成所有煤样的测试。

2 试验结果

2.1 剪切试验结果

不同试验条件下煤体的剪切试验数据见表3。

表3 不同试验条件下煤体的剪切试验数据Table 3 Shear test data of coal under different test conditions

由表3 可知：在各组试验条件下，随磨具剪切角度的增大，煤样的峰值破坏载荷逐渐变小，且切应力所占峰值破坏载荷的比值不断增加，正应力的比值不断减小；以A 组为例，在磨具的剪切角度为45°时，切应力所占峰值破坏载荷的28.28%，角度增加至50°时，切应力所占30.64%，直至磨具角度增加至55°时，切应力占比达32.72%；其他各组试验结果与A 组相同。由此可见变角剪切试验中煤样破坏是由压剪2 种方式共同作用导致的，其中剪切破坏为主要方式，随着磨具角度的增大，切应力所占峰值破坏的百分比逐渐增大。

以各试验组中45°剪切角下的切应力为例进行分析，剪切角度为45°时峰值剪切强度与浸泡时间的关系如图2。

图2 剪切角度为45°时峰值剪切强度与浸泡时间的关系Fig.2 Relationship between peak shear strength and soaking time at 45° shear angle

由图2 可知：干燥条件下A、C、D、E 4 组的剪切峰值强度分别为8.10、6.36、5.87、5.53 MPa，较未浸泡超临界CO2（A 组） 前分别降低了21.48%、27.53%、31.73%；饱水条件下B、F、G、H 4 组的峰值剪切强度分别为7.49、5.28、4.51、4.39 MPa，较未浸泡超临界CO2（B 组） 前分别降低了29.51%、39.79%、41.39%。由此可见，干燥/饱水2 种水分含量下，随超临界CO2浸泡时间的增加，煤体的峰值剪切强度均呈减小趋势，但饱水组煤样在超临界CO2作用下，煤样的峰值剪切强度降幅大于干燥组煤样。这是因为水与超临界CO2会发生化学反应产生碳酸，导致煤样中的矿物成分与之再发生反应，导致煤样发生溶蚀现象，使得饱水组煤样在超临界CO2作用下，峰值剪切强度更小。另外2 种剪切角度下的试验规律与45°剪切角的试验规律相同。

此外，在超临界CO2浸泡5 d 时，D、G 2 组较上一浸泡时期（C 组、F 组）的峰值剪切强度分别下降7.7%、14.58%；在超临界CO2作用7 d 时，E、H 2 组较上一时期分别下降5.79%、2.66%，可见随着超临界CO2浸泡时间的增加，对煤样的峰值剪切强度的影响逐渐减弱。

将45°剪切角下各试验组的剪切应力-位移曲线作图，干燥组煤样剪切强度与位移曲线如图3、饱水组煤样剪切强度与位移曲线如图4。

图3 干燥组煤样剪切强度与位移曲线Fig.3 Shear strength and displacement curves of coal samples in dry group

图4 饱水组煤样剪切强度与位移曲线Fig.4 Shear strength and displacement curves of saturated coal samples

由图3、图4 可以看出：各实验组试验曲线的变化趋势有相同规律，初始阶段为弹性变形阶段，后达到煤样的峰值剪切应力，再经应力软化阶段，切应力发生跌落，此时煤样发生剪切破坏；煤样发生破坏之后，由于剪切破坏面之间摩擦力的存在，导致煤样在经过应力软化阶段之后存在一定的残余强度；此外，可以看出超临界CO2对煤样的峰值剪切强度和残余强度有较大影响，但对剪切刚度的影响并不明显。

不同试验条件下残余强度与浸泡时间的关系如图5。其中干燥组（A、C、D、E 组）的残余强度分别为4.05、3.21、2.84、2.65 MPa；饱水组（B、F、G、H 组）在超临界CO2作用不同时间后的残余强度分别为4.04、3.12、2.73、2.42 MPa。残余强度的变化趋势随超临界CO2作用时间的增加而逐渐降低，且降幅逐渐降低。

图5 不同试验条件下残余强度与浸泡时间的关系Fig.5 Relationship between residual strength and soaking time under different test conditions

2.2 黏聚力与内摩擦角变化规律

岩石的剪切强度表达式如下：

式中：τ 为指抗剪强度，MPa；σ 为岩石破坏面的法向应力（正应力），MPa；φ 为岩石的内摩擦角，（°）；c 为岩石的黏聚力，MPa。

根据式（1），将试验结果进行拟合，不同试验条件下正应力与切应力回归曲线如图6。可以看出，正应力与切应力拟合方程的斜率变化不明显，即内摩擦角变化不明显，拟合方程的截距为黏聚力，其随着超临界CO2作用时间的增加而逐渐减小。

图6 不同试验条件下正应力与切应力回归曲线Fig.6 Regression curves of normal stress and shear stress under different test conditions

不同试验条件下，正应力与切应力的拟合方程见表4。从表4 可以看出：各试验条件下正应力与切应力的拟合方程拟合度良好，能够较好地反应出试验结果。

表4 正应力与切应力的拟合方程Table 4 Fitting equations of normal stress and shear stress

不同试验条件下煤体的黏聚力与内摩擦角见表5。由表5 可以知：黏聚力初始条件的3.9 MPa 降低到饱水+超临界CO2作用7 d 后的2.4 MPa，降幅为38.46%；内摩擦角从28.41°降低到23.89°，降幅为15.91%；由此可知在超临界CO2作用下对煤体黏聚力的影响要大于对内摩擦角的影响；并且，黏聚力的减小幅度随作用时间的增加而减小；说明超临界CO2浸泡前期对二者的弱化作用更明显，随着浸泡时间增加，弱化效应逐渐减弱。

表5 不同试验条件下煤体的黏聚力与内摩擦角Table 5 Coal cohesion and internal friction angles under different test conditions

2.3 抗拉强度试验结果

试件抗拉强度计算如下：

式中：Rt为试件的抗拉强度，MPa；p 为试件的峰值载荷，N；D 为试件的直径，mm；t 为试件的厚度，mm。

浸泡不同时间下煤体的巴西劈裂试验结果见表6，煤体抗拉强度与浸泡时间的关系如图7。煤体在不同水分含量下抗拉强度与浸泡时间的拟合方程见表7。

表6 浸泡不同时间下煤体的巴西劈裂试验结果Table 6 Brazilian splitting test results of coal at different soaking times

图7 煤体抗拉强度与浸泡时间的关系Fig.7 Relationship between tensile strength of coal and soaking time

表7 煤体在不同水分含量下抗拉强度与浸泡时间的拟合方程Table 7 Fitting equation of tensile strength and soaking time of coal under different moisture content

由表6 和图7 可知：煤样的抗拉强度随超临界CO2作用时间的增加而降低，超临界CO2作用3、5、7 d 后干燥组试样的抗拉强度与初始干燥状态相比，分别降低了30.54%、46.71%、54.49%；饱水组试样与初始饱水状态相比，分别降低了52.63%、62.5%、68.42%。可以看出，随浸泡时间的增加，抗拉强度的降低速度逐渐变缓，由拟合公式可知，呈负指数降低，拟合度良好。

3 结 论

1）随超临界CO2浸泡时间的增加，干燥/饱水2组煤样的抗拉、抗剪强度逐渐减小，说明超临界CO2与煤体作用后，劣化了其力学性能。饱水条件下抗拉、抗剪强度的降低幅度较干燥条件下的降幅要大，在超临界CO2浸泡7 d 后，饱水条件下抗拉、抗剪强度降幅分别为68.42%、41.39%，干燥条件下的降幅仅为54.49%、31.73%。

2）随着浸泡时间的增加，煤样的抗拉、抗剪强度降幅呈指数减小趋势，最终将趋于某个定值。煤体的残余强度随浸泡时间的增加呈减小趋势。

3）内摩擦角与黏聚力随超临界CO2作用时间的增加呈减小趋势，但超临界CO2的作用对黏聚力的影响较明显，对内摩擦角的影响较小。