【摘 要】
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CO2地质封存是实现碳封存行之有效的手段,深部不可采煤层是CO2地质封存的储层之一。封存于深部煤层的CO2为超临界态,其与水共同作用会影响煤孔隙分布、微晶结构、有机基团等微观结构,并导致煤的力学特性改变,最终影响煤层的封存潜力。不同赋存状态煤层的含水率存在差异,其会影响超临界CO2对煤的作用规律。目前,国内外学者多局限于超临界CO2作用于干燥和饱水煤样的研究,而针对超临界CO2作用于不同含水率煤样
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CO2地质封存是实现碳封存行之有效的手段,深部不可采煤层是CO2地质封存的储层之一。封存于深部煤层的CO2为超临界态,其与水共同作用会影响煤孔隙分布、微晶结构、有机基团等微观结构,并导致煤的力学特性改变,最终影响煤层的封存潜力。不同赋存状态煤层的含水率存在差异,其会影响超临界CO2对煤的作用规律。目前,国内外学者多局限于超临界CO2作用于干燥和饱水煤样的研究,而针对超临界CO2作用于不同含水率煤样的研究较少。本文以沁水盆地烟煤为研究对象,采用压汞实验、X射线衍射实验、拉曼光谱测试、傅里叶红外光谱测试、单轴压缩实验、真三轴压缩实验和CT扫描等多种手段,探究含水率对超临界CO2作用后烟煤孔隙分布、矿物组分、微晶结构、大分子结构、强度及变形的变化,从微观和宏观角度揭示了含水率对超临界CO2作用下烟煤微观结构及力学特性的影响规律。主要研究成果如下:（1）揭示了含水率对超临界CO2作用下烟煤孔隙结构的影响规律。超临界CO2和水对微孔的影响较过渡孔、中孔和大孔更明显。随着含水率的增加,超临界CO2作用后煤样的微孔体积递增,含水率为8.94%（饱水）时较干燥状态下的微孔体积增加了48%,并且孔隙连通性提高了59%,这表明含水率越高越能促进超临界CO2对煤的溶蚀作用,进而导致原生孔隙相互连通。（2）通过分析煤有机基团和微晶结构的变化,获得了含水率对超临界CO2作用下烟煤有机质结构的演化规律。超临界CO2和水主要作用于煤的含氧官能团和羟基结构。随着含水率的增加,超临界CO2作用后煤样含氧官能团的含量在含水率为8.94%时减小幅度最大,为26%,羟基结构的含量在含水率为7.19%时提高至干燥状态下的1.79倍。超临界CO2作用后高含水率煤样较干燥煤样的峰位差（G-D1）减小,D1、G峰的半高宽增大,这表明高含水率条件下,超临界CO2对煤微晶结构的破坏更大,煤结构的缺陷增加,有利于孔隙体积增加,影响煤体强度及变形。（3）通过单轴、真三轴压缩实验和CT扫描,阐明了含水率对超临界CO2作用下烟煤力学特性的影响规律。随着含水率的增加,超临界CO2作用后煤样的单轴抗压强度和杨氏模量降低,并且在含水率为7.19%时降低幅度最大,分别为33%和18%,这表明含水率越高,超临界CO2对煤力学特性的弱化作用越明显。在真三轴条件下,实验后煤的裂缝变得更加复杂,抗压强度变化较小。
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