杜秋浩，劉曉麗,2，王維民，王恩志,2，鐘建文，王思敬,3

(1.清華大學 水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室，北京 100084; 2.清華大學 三江源協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100084; 3.中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所,北京 100029)

化石燃料燃燒后CO2排放造成溫室效應導致全球氣候變暖是當前面臨的首要挑戰(zhàn)。據(jù)統(tǒng)計，1970—2011年，化石能源燃燒和工業(yè)排放的CO2大約占總CO2排放的78%[1]，大氣中的CO2平均體積分數(shù)以每年1.5%的速率在增加[2]。此外，到2030年，煤炭預計將供應全球28%的能源，其燃燒產(chǎn)生的CO2排放量占CO2排放增加量的57%[3]。CO2地質(zhì)封存潛力巨大，安全性高，受到全球范圍的高度關(guān)注。我國有大量礦井因資源枯竭而關(guān)停報廢，廢棄礦井具有巨大的地下空間資源，而這些地下空間尚未得到有效開發(fā)利用。CO2注入關(guān)閉/廢棄礦井利用采空區(qū)和留設(shè)煤柱封存具有一定的可行性和實用意義[4-6]。CO2以超臨界態(tài)注入封存，根據(jù)地層壓力和地溫梯度，開采深度超過800 m的礦井是CO2封存的潛在對象。

關(guān)閉/廢棄礦井在停采后含水層受周邊補給，水位逐漸恢復至穩(wěn)定，遺留煤炭資源處于復雜的應力場、水動力場和化學場。將CO2注入關(guān)閉/廢棄礦井中，一方面由于煤基質(zhì)大分子交聯(lián)體結(jié)構(gòu)具有玻璃態(tài)特性，在吸附CO2后發(fā)生結(jié)構(gòu)重排引起溶脹效應，CO2作為增塑劑使煤樣從玻璃態(tài)向橡膠態(tài)轉(zhuǎn)變，導致煤體的性能改變;另一方面，煤中裂隙孔隙中充填有原生沉積礦物，CO2溶解于水中形成碳酸，酸性環(huán)境將擾亂原有平衡并引發(fā)一系列化學反應，導致原始礦物溶蝕和次生礦物生成。已有研究表明，CO2-水-巖石間發(fā)生化學反應會造成原生礦物溶解引發(fā)孔隙變化，同時反應中次生礦物的生成及運移則會阻止孔喉并降低滲透能力[7-9]。在CO2-水-煤系統(tǒng)中，物理吸附和化學反應共同作用改變煤的物理力學性質(zhì)。而大規(guī)模的CO2注入地質(zhì)儲存體后，流體加壓影響半徑將超過100 km[10]，可能會引發(fā)一系列的地質(zhì)問題，如斷層活化誘發(fā)地震和動力災害事件[11-12]。

目前，一些學者研究分析了煤在動載作用下的變形破壞過程，郭德勇等[13]指出在不同沖擊速度下煤樣的力學響應具有分段特性，沖擊速度由低到高變化時煤樣的變形依次為壓密變形、塑性變形、塑性軟化(硬化)變形。龔爽和趙毅鑫[14]對不同層理傾角煤樣的動態(tài)斷裂韌度特征進行分析，并得到其響應的能量耗散規(guī)律。趙毅鑫等[15]分析了動態(tài)拉伸變形作用下煤樣的吸收能密度、耗散能密度受沖擊速度、層理傾角及飽和含水的影響規(guī)律。此外，有學者對鹽巖、紅砂巖受沖擊載荷時的耗散能量特征進行研究[16-17]。然而，無論是CO2強化煤層氣開采，還是CO2注入深部煤層或廢棄礦井封存的研究中，對CO2-水-煤作用后留設(shè)煤柱受動力作用時的能量特征的研究鮮有報道。因此，有必要就CO2-水-煤相互作用后煤在沖擊載荷作用下的耗散能量特性進行研究。由于CO2是以超臨界態(tài)注入地層進行封存，本次研究以超臨界CO2-水-煤作用后煤樣為代表。

利用φ50 mm的SHPB試驗系統(tǒng)對自然狀態(tài)、飽水狀態(tài)以及超臨界CO2-水-煤作用后煤樣進行不同沖擊速度下的動態(tài)壓縮試驗，探討沖擊載荷作用下3種狀態(tài)煤樣試件的動態(tài)響應特征，分析超臨界CO2-水-煤作用后煤樣受動力載荷時的特征規(guī)律。

1 煤樣動態(tài)壓縮試驗

1.1 試件制備和煤樣性質(zhì)

煤樣試件取自陜西榆林小紀汗煤礦2號煤層，煤樣夾矸，中等硬度，性較脆，煤樣內(nèi)生裂隙和外生裂隙均較為發(fā)育，裂隙被礦物充填。將大塊煤樣進行密封包裹運至實驗室后，垂直煤樣層理面進行鉆芯、切割、加工，制作成φ50 mm×25 mm圓柱體試樣，如圖1所示，保證端面垂直軸線，偏差小于±0.25°，兩端面不平整度在±0.05 mm內(nèi)，以滿足試驗要求。共制作得到煤樣試件60塊，隨機分成3組，每組20塊。將3組煤樣分別進行處理，第1組直接作為自然狀態(tài)煤樣;第2組進行飽水3 d處理;第3組在反應釜中進行超臨界CO2-水-煤相互作用3 d。取破碎煤樣進行研磨，篩分出粒徑為180～200目粉末進行XRD檢測(圖2)，結(jié)果顯示煤樣含有方解石、高嶺石、石英、長石等礦物[18]。碎塊的SEM-EDS顯示(圖3)，裂隙周邊有礦物聚集，部分充填裂隙，主要為含S和Ca的礦物，同時含有Si，F(xiàn)e，Al，K，Na，Mg等元素。

圖1 煤樣試件

圖2 XRD檢測圖譜

1.2 試驗系統(tǒng)和試驗過程

本次試驗使用兩種試驗系統(tǒng)進行試驗:高溫高壓反應釜系統(tǒng)(圖4)和SHPB試驗系統(tǒng)(圖5)。

圖3 SEM-EDS微觀結(jié)構(gòu)掃描及其面元素分布

圖4 高溫高壓反應釜試驗系統(tǒng)示意

反應釜最高使用溫度和壓力分別為300 ℃和16 MPa，釜體容積為500 mL，可設(shè)定反應溫度、反應時間以及CO2氣體壓力。本次試驗設(shè)置的溫-壓條件為45 ℃-8 MPa，該溫壓條件下CO2處于超臨界態(tài)(臨界壓力Pc=7.38 MPa，臨界溫度Tc=31.4 ℃)，反應時間為3 d。反應時每3塊試樣為1組，使用300 mL去離子水作為初始反應液完全浸泡煤樣，充入CO2氣體至設(shè)定值，釜體中煤樣與溶液完全接觸反應。反應結(jié)束后，待冷卻至室溫，打開閥門進行緩慢排氣卸壓，煤樣取出后立即密封包裹。

圖5 SHPB試驗系統(tǒng)

使用中國礦業(yè)大學(北京)深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室SHPB系統(tǒng)進行動態(tài)沖擊壓縮試驗。在以往的SHPB實驗中，大多采用圓柱形子彈進行矩形波加載，但該方法存在兩個缺點:① 矩形波上升階段過快，容易導致脆性巖石試件在矩形波上升階段就發(fā)生破壞，試件因未達到應力平衡而結(jié)果失效;② 矩形波在傳播過程中會受到彌散效應作用，產(chǎn)生P-C震蕩?；谏鲜鲈?，本次試驗中使用變截面紡錘形子彈，以便產(chǎn)生半正弦波加載。實驗中鋼質(zhì)壓桿的彈性模量E0=210 GPa，波速C0=5 080 m/s，輸入桿長2 000 mm，輸出桿長1 800 mm，直徑為50 mm。

為避免半導體應變片靈敏度產(chǎn)生誤差影響，試驗前先進行無試件空撞標定試驗，根據(jù)子彈沖擊速度v得到壓桿應變ε0，結(jié)合超動態(tài)應變儀記錄的電壓值U，依照式(1)求得標定系數(shù)K。

(1)

經(jīng)試驗測定，輸入桿系數(shù)KI=0.000 187 02，輸出桿系數(shù)KT=0.000 190 19。

試驗時，將煤樣試件夾放在輸入桿與輸出桿之間，為消除界面摩擦效應，在彈性桿與試件接觸界面間涂抹凡士林潤滑，如圖6所示。

圖6 SHPB沖擊試驗

2 試驗數(shù)據(jù)處理

SHPB動態(tài)力學試驗的有效性是基于兩個假定:一維應力波傳播假定和應力均勻性假定。認為在試驗中試件及輸入桿、輸出桿始終處于一維應力狀態(tài)且只存在軸向應力。應力均勻性假定是為了將加載過程中的慣性效應和率效應進行解耦，達到準靜態(tài)加載的目的。根據(jù)一維應力波假定可知試件上的應力、應變和應變率[19]為

(2)

式中，A0為壓桿的橫截面積;u1和u2分別為輸入桿、輸出桿與試件相接觸的端面位移;P1和P2分別為輸入桿和輸出桿作用在試件兩端的力;ls和As分別為試件的長度和橫截面積；εin,εre和εtr分別為入射、反射和透射應變，其值可根據(jù)入射電壓、反射電壓及透射電壓與壓桿標定系數(shù)的乘積求得。

加載時，入射、反射和透射應力波所攜帶的能量分別為Win,Wre和Wtr，3者的計算公式為

(3)

式中，σin，σre和σtr分別為入射、反射和透射應力。

耗散能量Wdi為

Wdi=Win-Wre-Wtr

(4)

試件的總耗散能量Wdi主要包括破碎耗能Wb、試塊彈射動能We和其他耗能Wo[20]。以往研究認為，破碎耗能Wb占總耗散能Wdi的95%左右，且兩者呈線性關(guān)系，試塊彈射動能We和其它耗能Wo占總耗散能Wdi的5%左右[21]。本次試驗中，以耗散能量Wdi近似等于破碎耗能Wb進行分析。基于耗散能量Wdi，采用耗散能密度wd表示試件能量耗散的變化情況[22]。耗散能密度wd由式(5)計算得到，其物理意義為單位體積巖石試件的吸收破碎耗能。

(5)

式中，Vs為試件體積。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 SHPB試驗結(jié)果

SHPB試驗中，通過調(diào)整沖擊氣壓實現(xiàn)不同加載速率，本次試驗沖擊氣壓p選用0.43，0.44，0.45，0.46 MPa四個不同等級。圖7為隨機選取的試件編號為SC-6(沖擊速度v=8.89 m/s)的動態(tài)加載力平衡曲線。從圖中入射力、反射力、透射力及入射與反射和力隨時間的變化曲線可以看出，在整個動態(tài)加載過程中，煤樣試件兩端的動態(tài)加載力幾乎一致[23]，可忽略動態(tài)加載中的慣性效應。

圖7 煤樣試件SHPB測試力平衡曲線

經(jīng)過對試件兩端加載力平衡驗證分析，共得到30個有效數(shù)據(jù)，其中自然狀態(tài)10個，飽水狀態(tài)9個，超臨界CO2-水-煤作用后11個。通過式(1)～(7)，得到試驗中各部分的計算結(jié)果，見表1。統(tǒng)計得出，自然狀態(tài)的入射能為9.80～62.45 J，反射能為8.79～59.06 J，透射能為0.25～1.96 J，耗散能為0.76～1.69 J;飽水狀態(tài)的入射能為7.44～46.16 J，反射能為6.13～37.66 J，透射能為0.26～1.81 J，耗散能為1.05～11.20 J;超臨界CO2-水-煤相互作用后入射能為4.51～45.78 J，反射能為2.63～37.21 J，透射能為0.12～1.42 J，耗散能為1.76～7.78 J。

3.2 試件破壞形態(tài)

圖8是3種狀態(tài)煤樣在不同平均應變率下的破壞形態(tài)。隨應變率增高，煤樣破碎塊度數(shù)量增加，破壞形態(tài)與應變率之間具有明顯的相關(guān)性。

對于自然狀態(tài)和飽水狀態(tài)煤樣，在沖擊載荷應變率較低時，煤巖材料中新生細觀裂紋未能充分擴展貫通，破壞主要是由原生微裂隙發(fā)生滑移擴展貫通形成宏觀裂隙造成，此過程中形成的微裂紋數(shù)目較少，碎塊的粒徑較大。隨著應變率的增大，微裂紋群萌發(fā)，無序微裂紋形成宏觀有序裂隙前，煤巖試件吸收的能量增多，用于破壞的能量增大，破碎塊度數(shù)量增多，粒徑減小。

表1 煤樣試件SHPB試驗數(shù)據(jù)

Table 1 SHPB test data of coal specimens

試件編號加載速度/(m·s-1)最大應變率/s-1平均應變率/s-1峰值應力/MPaWin/JWre/JWtr/JWdi/Jwd/(J·cm-3)破壞情況NS-19.08174.8981.5111.7239.2537.510.970.770.01569粉碎NS-38.24164.0284.0012.7838.7936.521.031.240.02527粉碎NS-44.6994.0147.608.5112.1010.970.510.620.01264損傷NS-75.59109.8254.1410.7716.6815.420.610.650.01325粉碎NS-84.2080.2839.445.999.808.790.250.760.01549損傷NS-95.82105.8752.409.1316.8114.960.531.320.02690損傷NS-106.61131.1861.9612.4621.8620.330.680.850.01733粉碎NS-1110.04199.9292.4320.0749.4545.801.961.690.03445粉碎NS-1411.15220.16100.6118.4762.4559.061.741.650.03363粉碎NS-185.8792.1533.439.5016.7814.671.190.920.01875粉碎SS-26.97117.2854.6411.4723.5516.800.726.030.12290破裂SS-39.54180.3483.9016.2243.9437.661.245.040.10273粉碎SS-69.83167.9377.2117.7446.1633.151.8111.200.22828粉碎SS-77.73127.7265.5013.0428.6919.970.688.040.16387粉碎SS-98.63145.6572.7315.3735.8225.750.949.130.18609粉碎SS-114.3482.7246.193.019.987.550.332.100.04280損傷SS-158.12141.6176.4414.7132.1024.920.796.390.13024粉碎SS-176.81115.2738.034.8622.1217.081.034.010.08173破裂SS-184.6568.2835.315.757.446.130.261.050.02140損傷SC-25.8186.7730.165.2616.0111.170.694.150.08459破裂SC-38.17138.0367.7411.4032.1324.900.716.520.13289粉碎SC-68.89166.2660.0414.8338.2930.361.246.690.13636粉碎SC-87.02119.8731.9513.6523.4316.760.905.770.11761粉碎SC-97.24132.4243.1810.1525.1220.290.454.380.08927粉碎SC-113.0140.9819.493.504.512.630.121.760.03587損傷SC-1410.13200.1792.8615.4545.7837.211.427.150.14573粉碎SC-159.30192.6789.2715.8245.7536.801.177.780.15857粉碎SC-177.21133.4371.4110.0325.1619.830.664.670.09518粉碎SC-187.77132.5244.5110.8729.0722.580.735.760.11740粉碎SC-207.05125.3869.8612.1823.5418.430.814.300.08764破裂

注:NS表示自然狀態(tài);SS表示飽水狀態(tài)樣;SC表示超臨界態(tài)CO2-水-煤相互作用。

圖8 3種狀態(tài)煤樣試件在不同應變率下破壞形態(tài)

煤吸附CO2后，會造成煤基質(zhì)分子結(jié)構(gòu)重排，吸附膨脹產(chǎn)生微裂紋，強度和彈性模量降低[24]，低應變率時就能造成煤樣發(fā)生較為嚴重的破壞;隨著應變率增高，耗散能量更大，煤樣內(nèi)部新生微裂紋群更為發(fā)育，導致超臨界CO2-水-煤作用后煤樣破壞最劇烈，碎塊尺度最小。

3.3 能量變化特征

從圖9(a)可以看出，入射波的加載時長約為270 μs;在約加載120 μs后，入射波達到峰值，隨后開始逐漸減弱。入射、反射、透射及耗散能量隨時程變化曲線如圖9(b)所示。在沖擊載荷作用下，初始階段入射、反射及耗散能量均隨時間增加而增大，約120 μs后3種能量的增加趨勢變緩，約230 μs時趨于恒定;透射能量的時程曲線變化并不明顯，近似為一條水平線。

圖9 煤樣試件動態(tài)壓縮過程中波形圖與對應能量變化時程曲線(試件編號SC-6，v=8.89 m/s)

圖10 能量反射率、透射率、耗散率與入射能量間關(guān)系

能量反射率、透射率和耗散率與入射能量的關(guān)系如圖10所示。可以看出，3種狀態(tài)煤樣的能量分配比率隨入射能量增大表現(xiàn)出不同的變化趨勢。自然狀態(tài)的能量反射率處于較高值區(qū)間，平緩增加，能量耗散率逐漸降低;飽水狀態(tài)的反射率呈略微下降，能量耗散率卻是逐漸增大;超臨界CO2-水-煤相互作用后煤樣的能量反射率明顯上升，能量耗散率顯著降低。3種狀態(tài)煤樣的能量透射率隨入射能增加均發(fā)生下降。上述變化說明隨著入射能量增大，自然狀態(tài)和超臨界CO2-水-煤相互作用后煤樣主要是通過增大波阻抗將能量反射回入射桿中進行消耗，且入射能越大，波阻抗增加越快[16]。因此，隨入射能的提高，反射系數(shù)越大，反射率越高。而飽水狀態(tài)煤樣則是在裂隙水的黏結(jié)力效應[25]和Stefan效應[26]作用下，通過提高能量耗散率的形式進行耗能。

3.4 耗散能密度與應變率

耗散能密度與平均應變率變化如圖11所示。3種狀態(tài)煤樣的耗散能密度隨平均應變率增大呈線性增高。沖擊速度增大，應變率增高，入射能增加，各部分能量的分配值越多，耗散能密度也相應增大。入射能增高，自然狀態(tài)的耗散能密度的增速平緩，而飽水狀態(tài)和超臨界CO2-水-煤作用后煤樣的耗散能密度則是快速上升，表現(xiàn)出顯著的應變率相關(guān)性。

圖11 耗散能密度與平均應變率關(guān)系

究其原因，認為自然煤樣裂隙較為發(fā)育，脆性強，較小耗散能量就能使其抵抗破壞的能力失效，導致變形破壞所需的耗散能量值限于特定區(qū)間，與應變率的相關(guān)性較弱。飽水煤樣中裂隙水效應隨應變率的增大其作用逐漸增強，即在沖擊載荷下裂隙中流體沒有充足時間運移到擴容裂隙中，在表面張力影響下自由水在裂隙表面形成黏結(jié)力阻礙裂紋擴展，用于克服水黏結(jié)力的能量增加，導致耗散能量增大。

超臨界態(tài)CO2-水-煤相互作用過程中，一方面，CO2充當塑性劑引發(fā)煤基質(zhì)由玻璃態(tài)向橡膠態(tài)轉(zhuǎn)變，煤體剛度下降，內(nèi)摩擦角減小，抵抗滑移變形的能力弱化[27]。同時，超臨界CO2作為一種萃取劑能夠萃取煤中一定量的小烴分子有機化合物，從而改變煤的微觀結(jié)構(gòu)。另一方面，煤樣原生裂隙內(nèi)充填有部分礦物，在碳酸溶液中，方解石(CaCO3)和鉀長石(KAlSi3O8)等礦物發(fā)生如下化學反應:

孔裂隙內(nèi)礦物溶蝕，裂隙張開，增大CO2的吸附空間，導致裂隙表面能下降，臨界擴展應力降低，隨應變率增大，微裂隙群大量萌發(fā)和擴展增大對耗散能量的需求。相較于飽水煤樣，由于CO2分子與水分子在吸附位上發(fā)生吸附競爭，CO2會驅(qū)替部分孔裂隙水，導致超臨界CO2-水-煤作用后煤樣孔裂隙中含水量減小，水的影響效力降低。

圖12 動態(tài)抗壓強度與耗散能密度關(guān)系

圖13 動態(tài)性模量與耗散能密度關(guān)系

3.5 動態(tài)抗壓強度、動態(tài)彈性模量與耗散能密度

煤巖材料的變形破壞是耗散能量導致的結(jié)果，可用耗散能密度對煤巖材料的動態(tài)抗壓強度和動態(tài)彈模進行分析。從圖12，13看出，煤樣的動態(tài)抗壓強度和動態(tài)彈性模量均隨耗散能密度增大呈線性增加。自然狀態(tài)的抗壓強度和彈性模量對耗散能密度的變化非常敏感，超臨界CO2-水-煤作用后煤樣抗壓強度和彈性模量隨耗散能密度的變化比飽水狀態(tài)煤樣的更加顯著。其原因可能是隨耗散能密度增大，極短時間內(nèi)能量疊加速度過快、試件變形滯后，在材料自身性質(zhì)和含水率等因素的影響下，試件通過提高波阻抗或裂隙水效應來抵消外部輸入能量，同時隨耗散能密度不斷增加強化動態(tài)抗壓強度和動態(tài)彈模，最終造成不同狀態(tài)煤樣的動態(tài)抗壓強度和動態(tài)彈模對耗散能密度的響應關(guān)系存在差異。

4 結(jié) 論

(1)在SHPB動態(tài)壓縮試驗中，3種狀態(tài)煤樣的破壞形態(tài)均具有明顯的應變率相關(guān)性，隨應變率增高，超臨界CO2-水-煤相互作用后煤樣的碎塊數(shù)量最多，粒徑最小;自然狀態(tài)的破碎塊度次之，飽水狀態(tài)的破壞塊度最大。

(2)3種狀態(tài)煤樣隨入射能增大其能量分配比率發(fā)生不同變化。煤樣的能量透射率隨入射能增加均降低;隨入射能增大，自然狀態(tài)的能量反射率處于較高值范圍，平緩增加，能量耗散率逐漸降低;飽水狀態(tài)的反射率略微下降，能量耗散率逐漸增大;超臨界CO2-水-煤相互作用后煤樣的能量反射率明顯上升，能量耗散率顯著下降。

(3)3種狀態(tài)煤樣的耗散能密度隨平均應變率的增大呈線性增高。隨應變率增大，飽水煤樣的耗散能密度增速最快，超臨界CO2-水-煤作用后煤樣增速次之，自然狀態(tài)的增速最慢。自然狀態(tài)煤樣性質(zhì)較脆，較小耗散能量就能發(fā)生變形破壞失效;飽水煤樣在裂隙水產(chǎn)生的黏結(jié)阻力作用影響下，耗能增大;超臨界CO2-水-煤作用后，在吸附CO2和化學反應雙重效應作用下物理力學性質(zhì)弱化，微裂隙群易發(fā)育擴展耗能。

(4)3種狀態(tài)煤樣的動態(tài)抗壓強度和動態(tài)彈性模量均隨耗散能密度增加而線性升高，但對耗散能密度變化的響應不同，自然狀態(tài)煤樣更為敏感，超臨界CO2-水-煤作用后煤樣次之，飽水煤樣最弱。