超临界CO₂-水-煤相互作用后冲击载荷下煤的动态响应

杜秋浩¹，刘晓丽^1,2，王维民¹，王恩志^1,2，钟建文¹，王思敬^1,3

1. 清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室2. 清华大学三江源协同创新中心3. 中国科学院地质与地球物理研究所

摘 要：为研究CO₂注入关闭/废弃矿井中煤的力学行为,利用?50 mm分离式Hopkinson压杆（SHPB）试验装置,对自然状态、饱水状态和超临界CO₂-水-煤作用后煤样分别进行动态压缩试验,分析3种状态煤样试件在冲击载荷作用下的破坏形态、能量特征以及动态力学参数。试验结果表明:①随应变率增高,相对于自然和饱水状态煤样,超临界CO₂-水-煤相互作用后煤样的破碎块度数量更多,碎块粒径更小;②随入射能增大,3种状态煤样的能量反射率、透射率及耗散率的线性变化趋势不同,超临界CO₂-水-煤相互作用后煤样的能量反射率显著增高,能量耗散率显著降低;③超临界CO₂-水-煤作用后煤岩材料性质发生弱化,在冲击载荷下通过微裂隙萌发扩展来提高耗散能密度,其动态抗压强度和动态弹性模量与耗散能密度间关系介于自然和饱水状态煤样之间。本次试验证实CO₂-水-煤作用过程中发生的矿物化学反应、吸附膨胀诱导微观结构改变、裂隙表面能降低等因素能够明显影响煤样的动态响应特征。尽管本文的试验不能完全反映关闭/废弃封存CO₂的真实情况,但为后续CO₂-水-煤相互作用下煤样动态响应特征研究提供了借鉴。

关键词：CO₂封存;CO₂-水-煤作用;分离式霍普金森压杆;冲击荷载;能量;