Analysis of the mechanism and influencing factors of supercritical carbon dioxide on coal permeability enhancement
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摘要:
在如今的双碳背景下，超临界二氧化碳压裂技术不仅能增透煤体，还能用于地质封存二氧化碳，因此其在煤炭领域越来越受到重视。然而超临界二氧化碳对煤体增透的作用机理和主要影响因素尚未明晰，故为掌握其作用机理，探究其主要影响因素，进行了数据处理和总结分析。首先，明确了超临界二氧化碳对煤体增透的作用机理主要包含3个方面：对煤体微观组分的改造作用、对煤基质的溶胀效应以及对煤中瓦斯的驱替作用。其次，阐述了影响超临界二氧化碳增透煤体的主要因素包含作用温度、作用压力、作用时间和煤体含水率，并得到了主要因素与煤体特性之间的关系：煤体孔隙率和渗透率会随着作用温度的升高而降低，随着作用压力、作用时间和煤体含水率的增加而增大，且其与作用压力和短时浸泡时间皆符合正指数函数关系；煤体力学强度会随着作用时间和含水率的增加而逐渐弱化，且抗压强度、弹性模量和抗拉强度与作用时间皆符合负指数函数关系。最后，对超临界二氧化碳增透煤体所存在的问题进行了探讨，指出现今研究忽略了浸泡次数对超临界二氧化碳增透煤体效果的影响，以及缺乏对主控因素和最佳增透条件的分析，可以仿照循环液氮致裂试验来进行超临界二氧化碳循环浸泡次数研究，可通过正交实验法来确定超临界二氧化碳增透煤体的主控因素和最佳增透条件。研究成果对于优化超临界二氧化碳增透技术、封存二氧化碳以及提高煤层气抽采效果具有一定的指导意义。
Abstract:Under the current carbon peaking and carbon neutrality background, supercritical carbon dioxide fracturing technology can not only improve the permeability of coal, but also geological storage of carbon dioxide, so it is increasingly valued in the coal field. However, the mechanism and main influencing factors of supercritical carbon dioxide on coal permeability enhancement are not clear, so in order to grasp its mechanism and explore its main influencing factors, it has carried out summary analysis and data processing. Firstly, it is clear that the mechanism of supercritical carbon dioxide to enhance the permeability of coal mainly includes three aspects: the transformation of coal micro-components, the swelling effect on coal matrix and the displacement of gas in coal. Then, the main factors affecting the supercritical carbon dioxide action on coal permeability enhancement are described, including the action temperature, action stress, action time and water content of coal, and the relationship between the main factors and the characteristics of coal is obtained: the porosity and permeability of coal will decrease with the increase of action temperature, but increase with the increase of action stress, action time and water content of coal, and they are in a positive exponential function with the action stress and the short-time soaking time; the mechanical strength of coal will gradually weaken with the increase of action time and water content, and the compressive strength, elastic modulus and tensile strength all conform to the negative exponential function relationship with the action time. Finally, the existing problems of supercritical carbon dioxide on coal permeability enhancement are discussed. It is pointed out that the current researches ignore the influence of soaking times on the effect of supercritical carbon dioxide on coal permeability enhancement, and lack the analysis of main controlling factors and optimal permeability improvement conditions. And the research on the soaking times of supercritical carbon dioxide can be carried out by imitating the soaking experiment of circulating liquid nitrogen, and the main controlling factors and the optimal permeability improvement conditions of supercritical carbon dioxide on coal permeability enhancement can be determined by orthogonal experiment. This has a certain guiding significance for optimizing the supercritical carbon dioxide permeability improvement technology, sequestering carbon dioxide and improving the effect of coal-bed methane extraction.
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0. 引 言
煤炭是我国的重要能源之一，所处地位非常重要。但在开采煤炭的同时，总会伴随着一些瓦斯灾害事故。如瓦斯超限、瓦斯窒息、瓦斯突出、瓦斯爆炸等。这些事故轻则导致财产损失、环境污染，重则导致人员伤亡。据统计，2011—2021年瓦斯灾害事故所导致的死亡人数占煤矿安全生产总死亡人数的46.12%。可见瓦斯灾害事故所造成的影响是非常大的，若要避免这些瓦斯灾害事故的发生，就需要进行瓦斯抽采。瓦斯抽采是解决所有瓦斯灾害的治本之策。然而，随着日趋深部化的煤炭开采，煤层渗透性系数越来越低，瓦斯抽采效果也越来越差。故为能够提高煤层的透气性系数，增强瓦斯抽采效果，水力压裂、深孔控制预裂爆破、超临界二氧化碳压裂等增透技术应运而生。
水力压裂技术可以有效提高煤体渗透率[1]，其增透效果在工程实践上也得到了验证[2–5]，但是水力压裂依旧存在着有效抽采时间短、所形成的裂缝单一以及造成煤储层损伤的缺点[6-7]。深孔控制预裂爆破技术也可提高煤层透气性[8–11]，但是该技术存在着施工要求高、材料受到严格管控以及能够造成顶板破坏的不足[12]。而超临界二氧化碳压裂技术即可以使煤体形成复杂的裂缝网络，也可以避免煤储层损伤和爆炸危险，并且在如今的双碳背景下，其可以在提高煤层渗透性的同时，还能够将二氧化碳封存入储层之中，达到地质封存的效果[13-14]。
除此之外，超临界二氧化碳压裂技术对煤体的增透效果也要更优于水力压裂[15]。因其具有超强的流动、传输和渗透性能，故可以很容易地穿透微孔和裂隙，使得煤体产生复杂的裂隙网络[16]。其还具有良好的萃取作用，能够萃取煤中的部分有机物，使得煤体的力学特性、矿物成分以及裂隙结构发生改变，从而提高煤体的孔隙度和渗透率。所以超临界二氧化碳可以有效增透煤体，提高煤层气的抽采效果。在前人研究的基础上，阐释了超临界二氧化碳对煤体增透的作用机理以及影响因素，并讨论了现阶段超临界二氧化碳增透煤体所面临的问题，这对于超临界二氧化碳增透煤体、封存二氧化碳以及提高煤层气抽采效果具有一定的指导意义。
1. 超临界二氧化碳对煤体增透的作用机理
煤体渗透性能的主要影响因素就是煤的孔裂隙结构[17]，煤体渗透性系数越小，其孔隙率相对越低，所以提高煤体的渗透性能就需要从改变煤体孔隙结构入手。超临界二氧化碳侵入煤体后，会与煤体发生地球化学效应。其可以萃取煤中的有机物、破坏煤中的晶体结构、使煤基质膨胀变形，从而改变煤体的孔裂隙结构、力学强度和瓦斯吸附能力，由此提高煤体的渗透率和瓦斯抽采效果。
1.1 超临界二氧化碳对煤体微观组分的改造作用
超临界二氧化碳作用后，煤体微观组分的变化可以通过X射线衍射仪(XRD)、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、气相色谱质谱联用仪(GCMS)等仪器进行测定。其中，XRD主要测量煤体矿物成分和微晶结构的变化，FTIR主要测试煤体有机官能团的变化，GCMS主要分析煤体被萃取出的有机物成分。
1.1.1 矿物成分
煤中的矿物成分主要包括黏土矿物、硫化物类矿物、碳酸盐类矿物和氧化物类矿物。各类矿物组成成分见表1。经超临界二氧化碳处理后，煤体内的水会同二氧化碳形成碳酸，并与其内部的高岭石、伊利石、方解石、文石和白云石等矿物组分发生反应[18-19]，即煤中的黏土矿物和碳酸盐类矿物会因为超临界二氧化碳的作用而发生显著变化[20]。
表 1 煤中矿物组成成分Table 1. Mineral composition in coal煤中矿物 各类矿物组成 化学式 硅酸盐类矿物
(黏土矿物)高岭石 Al4(Si4O10)(OH)8 伊利石
(水白云母)K1～1.5 Al4(Si7～6.5 Al1～1.5O20)(OH)4 绿泥石 (Mg,Fe,Al)12[(Si,Al)8O20](OH)16 蒙脱石 (Na,Ca)0.33(Al,Mg)2(Si4O10)(OH)2·nH2O 白云母 KAl2(AlSi3O10)(OH)2 碳酸盐类矿物 方解石、文石 CaCO3 菱铁矿 FeCO3 白云石 CaMg(CO3)2 铁白云石 Ca(Mg,Fe)(CO3)2 氧化物类矿物 石英(玉髓) SiO2 赤铁矿 Fe2O3 氢氧化物类矿物 褐铁矿 FeO(OH)·nH2O 硫化物类矿物 黄铁矿、
白铁矿FeS2 二氧化碳遇水会生成氢离子、碳酸氢根离子和碳酸根离子(式(1))。方解石、文石和白云石含有钙元素与碳酸根，故会与氢离子反应生成钙离子和碳酸氢根离子，且生成的离子会同伊利石发生反应(式(2)、式(3)、式(6))。高岭石含有氢氧根，故会同氢离子反应生成新的水分子(式(4))。伊利石的成分与白云母相似，经过二氧化碳与水的共同作用后，其会反应生成白云母(式(5))。黏土矿物都属于硅酸盐类矿物，其内部含有硅酸根，故高岭石和伊利石这类矿物经二氧化碳与水的共同作用后会生成二氧化硅，即石英(式(4)—式(6))。而石英为酸性氧化物，不易与碳酸反应，故含有黏土矿物的煤体经超临界二氧化碳作用后，其内部的石英含量会相对增加。煤中的黄(白)铁矿可与二氧化碳和水反应，并生成硫化氢气体(式(7))。
上述矿物反应方程式[21]如下：
$$ {\text{CO}}_{\text{2}}\text+{\text{H}}_{\text{2}}\text{O}\longleftrightarrow {\text{H}}^{\text+}\text+{\rm{HCO}}_3^- \longleftrightarrow \text{2}{\text{H}}^{\text+}\text{+2}{\rm{CO}}_3^2– $$ (1) $$ \begin{array}{c}{\text{CaCO}}_{\text{3}}\text+{\text{H}}^{\text+} \longleftrightarrow {\text{Ca}}^{\text{2+}}\text+{\rm{HCO}}_3^-\\\text{(}\text{方解石}\text{/}\text{文石}\text{)}\text{} \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad \end{array}$$ (2) $$ \begin{array}{c}{{\text{CaMg(CO}}_{\text{3}}\text{)}}_{\text{2}}\text{+2}{\text{H}}^{\text+} \longleftrightarrow {\text{Ca}}^{\text{2+}}\text+{\text{Mg}}^{\text{2+}}\text{+2}{\rm{HCO}}_3^-\\\text{(}\text{白云石}\text{)}\text{}\qquad \qquad \qquad \qquad\qquad \qquad\qquad\qquad \end{array} $$ (3) $$ \quad\;\;\;\;\;\;\begin{array}{l}{{\text{Al}}_{\text{2}}\text{Si}}_{\text{2}}{\text{O}}_{\text{5}}{\text{(OH)}}_{\text{4}}+\ {\text{6}\text{}\text{H}}^{\text+} \longleftrightarrow \text{5}{\text{H}}_{\text{2}}\text{O+2}{\text{Al}}^{\text{3+}}\text{+2}{\text{SiO}}_{\text{2}}\\ \quad\text{(}\text{高岭石}\text{)}\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad(\text{玉髓}\text{)}\end{array} $$ (4) $$ \;\;\;\begin{array}{l}{\text{K}}_{\text{0.6}}{\text{Mg}}_{\text{0.25}}{\text{Al}}_{\text{2.3}}{\text{Si}}_{\text{3.5}}{\text{O}}_{\text{10}}{\text{(OH)}}_{\text{2}}\text+{\text{0.25CO}}_{\text{2}}\text+{\text{0.1}\text{}\text{H}}_{\text{2}}\text{O} \longleftrightarrow 0.6\text{}\text{K}{\text{Al}}_{\text{3}}{\text{Si}}_{\text{3}}{\text{O}}_{\text{10}}{\text{(OH)}}_{\text{2}}\text{+0.25}{\text{Al}}_{\text{2}}{\text{Si}}_{\text{2}}{\text{O}}_{\text{5}}{\text{(OH)}}_{\text{4}}\text{+1.2}{\text{SiO}}_{\text{2}}\text{+0.25}\text{}\text{Mg}{\text{CO}}_{\text{3}}\\\qquad\qquad\;\;\;\; \text{(}\text{伊利石}\text{)}\qquad\qquad\quad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\quad\text{(}\text{白云母}\text{)}\quad\qquad\qquad\quad\text{(}\text{高岭石}\text{)}\quad\;\;\;\;\text{(}\text{石英}\text{)}\end{array} $$ (5) $${ \begin{split} &{\text{K}}_{\text{0.6}}{\text{Mg}}_{\text{0.25}}{\text{Al}}_{\text{2.3}}{\text{Si}}_{\text{3.5}}{\text{O}}_{\text{10}}{\text{(OH)}}_{\text{2}} + {\text{1.5}\text{H}}^+ + \text{0.5}{\rm{HCO}}_3^- + \text{0.25}{\text{Ca}}^{\text{2+}} \longleftrightarrow \text{0.6}\text{K}{\text{Al}}_{\text{3}}{\text{Si}}_{\text{3}}{\text{O}}_{\text{10}}{\text{(OH)}}_{\text{2}} + \text{0.5}{\text{Al}}^{\text{3+}} + \text{1.4}{\text{H}}_{\text{2}}\text{O+1.7}{\text{SiO}}_{\text{2}} + \text{0.25CaMg}{{\text{(CO}}_{\text{3}})}_{\text{2}}\\ &\qquad\qquad(\text{伊利石})\;\;\;\;\quad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad(\text{白云母})\qquad\qquad\quad\qquad\qquad\quad(\text{石英})\quad(\text{白云石}) \end{split} }$$ (6) $$ \begin{array}{l}{\text{FeS}}_{\text{2}}\text{+2C}{\text{O}}_{\text{2}}\text{+2}{\text{H}}_{\text{2}}\text{O} \longleftrightarrow {\text{Fe}}^{\text{2+}}+2 \mathrm{H}_2 {{\rm{S}}}+2 \mathrm{CO}_3^{2-}\\ \text{(}\text{黄}\text{/}\text{白铁矿}\text{)}\end{array} $$ (7) 可见超临界二氧化碳对煤体的矿物成分有着一定的改造作用，其可以溶解煤中的部分矿物，如方解石、白云石、高岭石、伊利石等，并易生成酸性氧化物石英。石英具有光滑的表面，且不易溶于酸，故石英的生成可以提高煤体孔裂隙壁的光滑度，增强瓦斯在煤孔裂隙中的克林肯伯格效应，即改善了煤体的渗透性。
1.1.2 有机官能团
煤中的有机官能团主要包括芳香结构官能团、含氧官能团、脂肪官能团和羟基官能团[22]。经超临界二氧化碳作用后，煤体内的有机官能团种类基本不发生改变，但各官能团的含量都会发生不同程度的变化，该变化可通过傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)进行测量 。由FTIR测量后，能够得到超临界二氧化碳作用前后的煤体红外光谱图，如图1所示，可发现处理后的煤样FTIR谱图吸收峰强度要低于处理前的煤样[23–25]。
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超临界二氧化碳作用后，煤样的芳香环缩聚程度(DOC)显著降低，证明煤中的烃类有机物能够被萃取出，此结果有利于降低瓦斯的吸附能力[26]。张宇杰等[27]通过气相色谱质谱联用仪(GCMS)测定了被萃取出的有机物成分，指出萃取物中含量最高的为芳香族化合物，亦验证了超临界二氧化碳对于煤体有着良好的萃取作用。
超临界二氧化碳对煤体的有机官能团也具有一定的改造作用，其可以萃取煤基质中的芳香烃、脂肪烃、含氧官能团等有机化合物。煤中的烃类等有机小分子含量越高，瓦斯吸附能力越强，故煤体烃类有机物的减少能够劣化煤体的瓦斯吸附能力。然而，煤中含氧官能团含量越低，瓦斯吸附能力越强，故煤体含氧官能团含量的降低会强化煤体的瓦斯吸附能力，劣化瓦斯抽采效果[28-29]。总而言之，烃类有机物和含氧官能团变化的共同作用决定了煤体瓦斯吸附能力的强弱。
1.2 超临界二氧化碳对煤基质的溶胀效应
煤体经超临界二氧化碳作用后，其孔裂隙结构一方面会因为煤体内部无机物和有机物含量的改变而间接改变，另一方面会由于超临界二氧化碳对煤体有着溶胀效应，使得煤基质发生吸附膨胀，从而被直接改变[30–32]，煤基质溶胀过程如图2所示。煤体孔裂隙结构的变化通常是这两种作用的共同结果[33-34]。
煤体溶胀现象是指超临界二氧化碳侵入煤体后，一部分二氧化碳分子会被吸附在煤基质表面，使得煤体渗流孔道相对减小，一部分二氧化碳分子会充填在煤基质内部的孔隙之中(微孔和超微孔隙)，发生吸附和毛细凝结现象，使得煤基质体积膨胀。煤体孔隙可根据煤层瓦斯在不同孔隙中的流动状态划分为吸附孔和渗流孔，吸附孔内流体为吸附态气体，运移方式为扩散，渗流孔内流体为游离态气体，运移方式为渗流，该孔道是影响煤体瓦斯渗流特性的主要因素[36–38]。由于二氧化碳分子吸附在煤基质表面后，会占据渗流孔道的一部分体积，使得煤体渗流孔道体积相对减小，且在其充填入煤基质内部后，还会导致煤基质发生体积膨胀，使得煤基质“压缩”了渗流孔道，从而使渗流孔道进一步变窄。故溶胀现象会降低煤体的渗透性，不利于瓦斯、二氧化碳等流体的运移[35,39]。
1.3 超临界二氧化碳对煤中瓦斯的驱替作用
超临界二氧化碳注入含瓦斯煤体后，一方面超临界二氧化碳流体能够导致煤基质吸附膨胀，减小渗流通道体积，阻碍瓦斯渗流，另一方面该流体还会同瓦斯气体产生竞争吸附效应，且能够驱替出瓦斯气体，促进煤中瓦斯的解吸[40–43]，超临界二氧化碳驱替瓦斯过程如图3所示。
超临界二氧化碳所减小的瓦斯渗流通道，通常只导致了瓦斯抽采效率的降低，而二氧化碳所促进的瓦斯解吸是可以提高瓦斯的总抽采量，且驱替瓦斯能力越强，瓦斯的可抽采量越大。已有大量试验验证了不同相态二氧化碳的高效驱替作用，且超临界二氧化碳的瓦斯驱替效率要比常规二氧化碳的高，则其驱替能力更强，瓦斯的可抽采量更大，故超临界二氧化碳对煤中瓦斯的驱替作用是促进瓦斯抽采效果的重要原因之一[45–47]。
超临界二氧化碳对煤中瓦斯的驱替作用机理主要有2点：①煤体对二氧化碳的吸附能力要强于对瓦斯的吸附能力，故煤中的超临界二氧化碳能够驱替出大量瓦斯；②由于注入超临界二氧化碳提高了煤层中二氧化碳气体的分压，相对降低了瓦斯气体的分压，致使煤体对二氧化碳的吸附能力进一步增强，瓦斯气体的解吸效果也相对提升，因而导致更多的瓦斯气体被二氧化碳驱替而出[48-49]。
2. 影响超临界二氧化碳增透煤体的因素
超临界二氧化碳注入煤体后，其对煤体的增透效果受到多种因素的制约。由于超临界二氧化碳易溶于水，在不同温度和压力下的溶解度又不尽相同，且有研究揭示了二氧化碳对高压下且水分质量分数高于3%的煤体有着更高的瓦斯驱替效率，故超临界二氧化碳对煤体的增透效果受到了煤体含水率、煤层压力和温度的制约[50–54]；以上因素皆是煤层的赋存环境，而超临界二氧化碳的注入压力、作用时间和温度也是影响其增透效果的重要因素[55–59]。除此之外，地层水的矿化程度、煤体煤阶等因素也影响了超临界二氧化碳对煤体的增透效果[60]。
2.1 作用温度
温度不仅影响了超临界二氧化碳在地层水中的溶解度，还影响了超临界二氧化碳在煤体中的地球化学反应。该因素对超临界二氧化碳作用下煤体的微观组分、孔裂隙结构和渗流特性都有着不同程度的影响。
GE[61]指出超临界二氧化碳作用后，煤中矿物成分的溶解能力随温度升高呈先增强再减弱的趋势，煤体芳香度随温度升高呈下降趋势，煤体芳香环缩聚程度(DOC)与温度呈“U”型关系，如图4所示。而芳香环缩聚程度的降低不利于瓦斯吸附，故DOC值最小时所对应的温度是能够致使煤体瓦斯吸附能力最弱的超临界二氧化碳浸泡温度[62]。
由图4可知，超临界二氧化碳作用后，煤体芳香环缩聚程度随温度的升高而呈现先下降后上升的趋势，即“U”型变化，故当温度为55 ℃，DOC值最小，此时煤体的瓦斯吸附能力最弱，瓦斯抽采效果相对更好。郝志勇等[63]研究发现超临界二氧化碳作用后煤体的孔隙率和渗透率都有了一个数量级以上的提高，且孔隙率和渗透率均随着温度的升高呈递减的趋势，如图5所示。
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通过函数拟合可得，煤体孔隙率和渗透率同温度皆呈负指数函数关系，且相关性良好，见表2。由超临界二氧化碳对煤体增透的作用机理可知，该规律原因有二：①随着作用温度的升高，超临界二氧化碳的密度逐渐降低，其对煤体的微观结构改造作用也因此降低；②随着作用温度的升高，超临界二氧化碳分子的活跃性增大，其对煤体的溶胀效应增强，即煤体对超临界二氧化碳的吸附能力增强，致使煤基质膨胀速率增大，煤孔隙被压缩，因而煤体孔隙率和渗透率逐渐降低。
表 2 渗透率、孔隙率与作用温度的函数关系式Table 2. Functional relationship between permeability, porosity and action temperature煤体参数 函数关系式 拟合度 渗透率 y=4.975 8e−0.035 5x+0.965 5 R2=0.991 8 孔隙率 y=229.174 9e−0.069 2x+9.823 6 R2=0.970 4 2.2 作用压力
超临界二氧化碳在不同的作用压力下对煤体有着不同的增透效果。压力不仅影响了超临界二氧化碳在煤基质中的流动活跃性，还影响了其对煤中微观组分的改造作用强弱。一般认为，超临界二氧化碳的浸泡压力越大，其对煤中有机质的萃取溶解能力越强，煤的孔隙率和渗透性也就越大。
岳立新等[64]通过微观成像试验研究计算了不同作用压力下超临界二氧化碳作用后的煤体孔隙率和渗透率变化，指出超临界二氧化碳作用后的煤体渗透率是作用前的9.11倍，且随着压力的增大，其孔隙率和渗透率皆呈指数增加趋势，如图6所示。除此之外，亦有众多研究皆得到同样的渗透率变化规律，如图7所示。
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图7通过对文献[64–66]的数据统计和函数拟合所得到，可见渗透率与作用压力呈正指数函数关系，且函数相关性良好，见表3。根据超临界二氧化碳对煤体增透的作用机理可知，渗透率随作用压力的增大而呈正指数增加的原因共有两点：①随着作用压力的增大，超临界二氧化碳对煤中微观组分的改造作用增强，致使部分矿物成分和有机官能团的溶解，并产生具有光滑表面的石英，促使煤孔裂隙通道光滑度提升，瓦斯渗透率也因此增强；②由于超临界二氧化碳对煤体中的瓦斯有着置换驱替作用，随着作用压力的增大，煤基质内部与外部的超临界二氧化碳压力梯度随之增大，煤体对二氧化碳的吸附能力和瓦斯解吸能力也就增强，致使瓦斯渗透能力增大。
表 3 渗透率与作用压力的函数关系式Table 3. Functional relationship between permeability and action stress2.3 作用时间
作用时间决定了超临界二氧化碳对煤中微观组分的改造程度。作用时间越长，超临界二氧化碳对煤中矿物组分和有机官能团的改造越彻底。一般来讲，随着超临界二氧化碳作用时间的增加，煤体的渗透率会越来越大，抗压强度会越来越小并趋于平缓。
国内外学者[67–69]考察了超临界二氧化碳在不同作用时间下的煤体渗透率和孔隙率的变化规律，均指出随着超临界二氧化碳作用时间的增加，煤体渗透率呈增加趋势，如图8所示。作用时间又分长时浸泡和短时浸泡，其作用效果大不相同。长时浸泡的煤体渗透率一般呈逐渐增加且趋于平缓的趋势，而短时浸泡的煤体渗透率一般呈指数增加趋势。
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分析图8a可知，文献[67]曲线中的煤体渗透率在第5天时发生转折。其中，作用时间小于5 d为短时浸泡，煤体渗透率随着作用时间的增加大概呈指数增加趋势；作用时间大于5 d为长时浸泡，煤体渗透率随作用时间的增加呈逐渐增加且趋于平缓的趋势。而文献[68]曲线为长时浸泡下的渗透率变化，呈逐渐增加且趋于平缓的趋势。岳立新等[69]为研究超临界二氧化碳作用后的煤体渗透率和孔隙率变化规律，开展了微观成像试验，得出了短时间浸泡下的渗透率和孔隙率演化规律，如图8b所示。分析图8b可知，短时浸泡下的煤体渗透率和孔隙率同作用时间皆呈正指数函数关系，且相关性良好，见表4。
表 4 渗透率、孔隙率与作用时间的函数关系式Table 4. Functional relationship between permeability, porosity and action time煤体参数 函数关系式 拟合度 渗透率 y=0.108 7e0.077 9x R2=0.976 8 孔隙率 y=7.163 9e0.077 1x R2=0.970 8 煤体的单轴抗压强度、抗拉强度、弹性模量等力学特性也受到超临界二氧化碳作用时间的影响。梁卫国等[70]对超临界二氧化碳不同浸泡时间下的煤体力学特性变化开展了研究，指出随着超临界二氧化碳能够大幅弱化煤体力学强度，且随着作用时间的增加，煤体的抗压强度、弹性模量等力学性能逐渐降低。WANG等[71–73]的研究也验证了超临界二氧化碳作用时间同煤体力学特性之间的关系，如图9所示。
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分析图9可知，煤体抗压强度、弹性模量和抗拉强度都随超临界二氧化碳浸泡时间的增加而逐渐降低，且趋于平缓，证明超临界二氧化碳对煤体的力学特性有显著的劣化作用。将图9进行函数拟合得到图10。由图10可知，煤体的抗压强度、弹性模量和抗拉强度与作用时间皆呈负指数函数关系，且相关性良好，见表5。
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图 10 煤体力学特性与作用时间的函数关系Figure 10. Functional relationship between mechanical properties of coal and action time表 5 煤体力学特性与作用时间的函数关系式Table 5. Functional relationship between mechanical properties of coal and action time综上所述，随着超临界二氧化碳作用时间的增加，煤体渗透率呈增加并逐渐平缓的趋势，且在短时浸泡条件下，煤体渗透率和孔隙率皆呈正指数增加趋势，而抗压强度、弹性模量和抗拉强度皆呈负指数降低趋势，即煤体渗透特性和力学特性的变化随作用时间的增加终趋于某一特值。究其原因共有两点：①随着作用时间的增加，超临界二氧化碳对煤中矿物组分和有机官能团的改造作用逐渐减弱，到达某一临界时间点时，超临界二氧化碳与煤中微观组分完全发生反应，之后几乎不会存在对微观组分的改造。矿物成分和有机官能团的溶解与萃取一般都会促进煤体孔裂隙发育，致使煤体渗透率和孔隙率变大，但由于微观组分的变化很容易致使煤体的胶结程度和黏聚力降低，故其对煤体力学特性有着劣化作用；②随着作用时间的增加，超临界二氧化碳对煤体的溶胀和瓦斯驱替效应逐渐趋于稳定，不会继续使煤基质膨胀，而且超临界二氧化碳与瓦斯的竞争吸附也会处于动态平衡，故煤体的渗流特性和力学特性变化最终会趋于稳定。
2.4 煤体含水率
水分在超临界二氧化碳增透煤体中发挥着重要作用，煤体含水量决定了超临界二氧化碳对煤体矿物成分的改造强度。二氧化碳会同水形成碳酸，并产生氢离子和碳酸根离子，而煤中矿物成分易于氢离子发生反应，从而致使煤体中矿物成分被溶解，故煤体含水率也是影响超临界二氧化碳对煤体增透效果的重要因素之一。
LI[51]研究了超临界二氧化碳处理对不同含水量煤样微观结构的影响，并指出随着含水量的增加，超临界二氧化碳作用下的煤样微孔体积呈增加趋势，而含氧官能团数量呈减少趋势，且含水量对于超临界二氧化碳溶解煤样中黏土矿物的影响大于碳酸盐矿物。LI[54]指出水含量的增加能够降低煤体对瓦斯的吸附能力，但低水分含量抑制了超临界二氧化碳对煤中瓦斯的驱替效应，而高水分含量有利于二氧化碳对瓦斯的置换，如图11所示。肖畅等[72]对比了超临界二氧化碳作用下干燥状态和饱水状态煤样的力学性能变化，并指出饱水状态煤样受到的劣化作用更大，如图12所示。
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分析图11可知，超临界二氧化碳作用下，随着煤体含水率的提高，瓦斯抽采效果越来越好。这是由于煤体含水率越大，氢离子含量越高，超临界二氧化碳对煤中微观组分的溶解和萃取能力更强，煤体渗透性更好。而由图12可知，超临界二氧化碳对饱水煤体力学特性的劣化效果最好，这也是因为高水分煤体的微观组分变化更大，其对煤骨架的改造效果越强，煤体的力学强度也就越弱。SONG[74]也进行了超临界二氧化碳作用下干燥状态和饱水状态煤样的微观结构对比试验，研究得出超临界二氧化碳对饱水状态煤样中的矿物成分溶解效果更好，且孔裂隙结构变化更为显著，可见超临界二氧化碳对饱水煤体的增透效果更好。对文献[74]的孔隙结构变化进行线性拟合，并得到图13。
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通过对比图13中饱水状态和干燥状态下，煤体各孔径线性拟合函数斜率的绝对值可以发现：饱水煤样微孔和大孔的斜率绝对值比干燥煤样大，而干燥煤样中孔的斜率绝对值要比饱水煤样大，故可知超临界二氧化碳对饱水煤体的微孔和大孔改造效果强；饱水煤样的孔隙度变化斜率要比干燥煤样大，故可知超临界二氧化碳对饱水煤体的整体增透效果要更好。
综上所述，煤体含水率是影响超临界二氧化碳改造煤体微观组分的主要影响因素。在超临界二氧化碳作用下，随着含水率的增加，煤体孔隙率和渗透性会更大，煤体的力学强度会更弱。究其原因，主要因为在酸性环境中，超临界二氧化碳会随着水分含量的增加而溶解更多的矿物成分，如碳酸盐矿物和黏土矿物。矿物成分的溶解会导致煤体孔隙结构变化，并降低煤粒的胶结程度和黏聚力，故煤体的孔隙率和渗透性会变大，其力学强度会变弱。
3. 目前研究存在的问题
3.1 忽略浸泡次数对超临界二氧化碳增透煤体效果的影响
学者们在研究超临界二氧化碳浸泡时间对煤体增透效果的影响时，忽略了浸泡次数这一因素的影响。如浸泡时间设计为1、3、5、7 d的梯度时(浸泡次数为4次)，每个梯度浸泡完成后都会降压，从而对煤体造成超临界二氧化碳的降压解吸。
超临界二氧化碳的降压解吸一方面会由于二氧化碳从煤基质中脱离出来，对煤体微观结构造成2次破坏，另一方面二氧化碳的解吸会将煤孔隙中被溶解和萃取出的微观组分携带出来，从而对煤体的微观结构和渗流特性造成影响。故循环浸泡次数越多，超临界二氧化碳降压解吸的作用次数也就越多，那么其对煤体造成的影响也就越大。因此循环浸泡次数也是影响超临界二氧化碳对煤体增透效果的重要因素之一，该因素应当被重视和研究。
针对浸泡次数对超临界二氧化碳增透煤体的影响这一问题，可按照循环液氮冷试验方案[75-76]来设计超临界二氧化碳循环浸泡试验方案，以研究在相同超临界二氧化碳浸泡时间下，不同浸泡次数对煤体增透效果的影响，以及相同超临界二氧化碳浸泡次数下，不同浸泡时间对煤体增透效果的影响。
3.2 缺乏主控因素和最佳增透条件分析
超临界二氧化碳增透煤体的影响因素有温度、压力、时间、煤体含水率、煤阶等等，各因素对其增透效果的影响程度肯定不一样，而现今的超临界二氧化碳增透煤体的影响因素研究中尚未有主控因素分析。
据统计研究得到，作用温度、作用压力、作用时间和煤体含水率都是影响超临界二氧化碳对煤体增透效果的主要因素，但各因素的影响程度不一，影响效果也不同。如随着温度的升高，煤体孔隙率和渗透率随之降低，而随着压力和时间的增加，煤体孔隙率和渗透率却随之升高，故应存在一个最佳增透条件使得超临界二氧化碳对煤体的增透效果最好，而现今尚未存在对最佳增透条件的研究分析。
针对上述2个问题，可通过正交实验法来设计试验方案，以得到超临界二氧化碳增透煤体的主控因素以及最佳增透条件。除此之外，也可通过建立数学模型求得超临界二氧化碳对煤体的最佳增透条件，如非线性规划模型、层次分析模型等。
4. 结论和展望
1)超临界二氧化碳侵入煤体后，会萃取煤中的有机物、破坏煤中的晶体结构、使煤基质膨胀变形，从而改变煤体的孔裂隙结构、力学强度和瓦斯吸附能力。其对煤体增透的作用机理共有3点：对煤体微观组分的改造作用、对煤基质的溶胀效应以及对煤中瓦斯的驱替作用。
2)影响超临界二氧化碳增透煤体的主要因素包含作用温度、压力、时间和煤体含水率。其中，煤体孔隙率和渗透率会随着作用温度的升高而降低，随着作用压力、时间和煤体含水率的增加而增大，且孔隙率和渗透率同作用压力和短时浸泡时间皆呈正指数函数关系；煤体力学强度会随着作用时间和含水率的增加而逐渐弱化，且抗压强度、弹性模量和抗拉强度皆与作用时间呈负指数函数关系。
3)目前研究忽略了浸泡次数对超临界二氧化碳增透煤体效果的影响，且缺乏对主控因素和最佳增透条件的分析。可根据循环液氮致裂实验研究来进行超临界二氧化碳循环浸泡次数研究；可通过正交实验法来确定超临界二氧化碳增透煤体的主控因素和最佳增透条件，也可通过建立数学模型求得超临界二氧化碳对煤体的最佳增透条件。
致谢：感谢瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室开放基金项目 (2021SKLKF01)对本文的资助！
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图 10 煤体力学特性与作用时间的函数关系
Figure 10. Functional relationship between mechanical properties of coal and action time
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表 1 煤中矿物组成成分
Table 1 Mineral composition in coal
煤中矿物 各类矿物组成 化学式 硅酸盐类矿物
(黏土矿物)高岭石 Al4(Si4O10)(OH)8 伊利石
(水白云母)K1～1.5 Al4(Si7～6.5 Al1～1.5O20)(OH)4 绿泥石 (Mg,Fe,Al)12[(Si,Al)8O20](OH)16 蒙脱石 (Na,Ca)0.33(Al,Mg)2(Si4O10)(OH)2·nH2O 白云母 KAl2(AlSi3O10)(OH)2 碳酸盐类矿物 方解石、文石 CaCO3 菱铁矿 FeCO3 白云石 CaMg(CO3)2 铁白云石 Ca(Mg,Fe)(CO3)2 氧化物类矿物 石英(玉髓) SiO2 赤铁矿 Fe2O3 氢氧化物类矿物 褐铁矿 FeO(OH)·nH2O 硫化物类矿物 黄铁矿、
白铁矿FeS2 
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表 2 渗透率、孔隙率与作用温度的函数关系式
Table 2 Functional relationship between permeability, porosity and action temperature
煤体参数 函数关系式 拟合度 渗透率 y=4.975 8e−0.035 5x+0.965 5 R2=0.991 8 孔隙率 y=229.174 9e−0.069 2x+9.823 6 R2=0.970 4
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表 4 渗透率、孔隙率与作用时间的函数关系式
Table 4 Functional relationship between permeability, porosity and action time
煤体参数 函数关系式 拟合度 渗透率 y=0.108 7e0.077 9x R2=0.976 8 孔隙率 y=7.163 9e0.077 1x R2=0.970 8
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表 5 煤体力学特性与作用时间的函数关系式
Table 5 Functional relationship between mechanical properties of coal and action time
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[1] 林海飞,龙 航,李树刚,等. 煤体瓦斯吸附解吸与压裂渗流全过程真三轴试验系统研发与应用[J]. 岩石力学与工程学报,2022,41(S2):3294−3305. doi: 10.13722/j.cnki.jrme.2021.1144 LIN Haifei,LONG Hang,LI Shugang,et al. Development and application of true triaxial test system for the whole process of gas adsorption-desorption, fracturing and seepage in coal[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2022,41(S2):3294−3305. doi: 10.13722/j.cnki.jrme.2021.1144
[2] 康向涛,江明泉,黄 滚,等. 多煤层联合水压裂缝扩展规律应用研究[J]. 采矿与安全工程学报,2021,38(3):602−608. doi: 10.13545/j.cnki.jmse.2020.0586 KANG Xiangtao,JIANG Mingquan,HUANG Gun,et al. Application research on fracture propagation law of combined hydraulic pressure in multiple coal seams[J]. Journal of Mining & Safety Engineering,2021,38(3):602−608. doi: 10.13545/j.cnki.jmse.2020.0586
[3] ANDREW J Kondash,NANCY E Lauer,AVNER Vengosh. The intensification of the water footprint of hydraulic fracturing[J]. Science Advances,2018,4(8):5982. doi: 10.1126/sciadv.aar5982
[4] 刘长友,刘江伟. 煤岩体裂化的弱结构体应力转移原理及应用[J]. 采矿与安全工程学报,2022,39(2):359−369. LIU Changyou,LIU Jiangwei. Principle and application of stress transfer of weak structure body in coal-rock mass cracking[J]. Journal of Mining & Safety Engineering,2022,39(2):359−369.
[5] WANG Wei,WEI Yanzhao,GUO Minggong,et al. Coupling technology of deep-hole presplitting blasting and hydraulic fracturing enhance permeability technology in low-permeability and gas outburst coal seam: a case study in the No. 8 Mine of Pingdingshan, China[J]. Advances in Civil Engineering,2021:2021.
[6] ZHANG Yongjiang,YUAN Benqing,NIU Xingang. Response characteristics of coal-like material subjected to repeated hydraulic fracturing: an evaluation based on real-time monitoring of water injection pressure and roof stress distribution[J]. Shock and Vibration,2021,9931137:1−10.
[7] 丛日超, 王海柱, 李根生, 等. 超临界CO2聚能压裂开发煤层气可行性研究[J/OL]. 煤炭学报, 2022: 1−10. [2022-10-13]. https://doi.org/10.13225/j.cnki.jccs.SS22.1224. CONG Richao, WANG Haizhu, LI Gensheng, et al. Feasibility on exploitation of coalbed methane by SC-CO2 shock fracturing[J/OL]. Journal of China Coal Society, 2022: 1−10. [2022-10-13].https://doi.org/10.13225/j.cnki.jccs.SS22.1224.
[8] 张英华,倪 文,尹根成,等. 穿层孔水压爆破法提高煤层透气性的研究[J]. 煤炭学报,2004,29(3):298−302. doi: 10.3321/j.issn:0253-9993.2004.03.010 ZHANG Yinghua,NI Wen,YIN Gencheng,et al. Study on improving the penetrability of coal seam with the water pressure blasting in the through beds hole[J]. Journal of China Coal Society,2004,29(3):298−302. doi: 10.3321/j.issn:0253-9993.2004.03.010
[9] HUANG Changguo,ZHANG Yuebing,HE Jiangfu,et al. Permeability improvements of an outburst‐prone coal seam by means of presplitting and blasting with multiple deep boreholes[J]. Energy Science & Engineering,2019,7(5):2223−2236.
[10] 王兆丰,王 林,陈向军. 深孔预裂爆破在高瓦斯特厚煤层回采中的应用[J]. 煤炭科学技术,2008,36(8):31−33,72. doi: 10.13199/j.cst.2008.08.36.wangzhf.017 WANG Zhaofeng,WANG Lin,CHEN Xiangjun. Application of deep borehole pre-cracking blasting to coal mining in high gassy and ultra thick seam[J]. Coal Science and Technology,2008,36(8):31−33,72. doi: 10.13199/j.cst.2008.08.36.wangzhf.017
[11] CHEN Xianzhan,XUE Sheng,YUAN Liang. Coal seam drainage enhancement using borehole presplitting basting technology-A case study in Huainan[J]. International Journal of Mining Science and Technology,2017,27(5):771−775.
[12] 张晓刚,姜文忠,都 锋. 高瓦斯低透气性煤层增透技术发展现状及前景展望[J]. 煤矿安全,2021,52(2):169−176. doi: 10.13347/j.cnki.mkaq.2021.02.033 ZHANG Xiaogang,JIANG Wenzhong,DU Feng. Development status and prospect of permeability enhancement technology in high gas low permeability coal seam[J]. Safety in Coal Mines,2021,52(2):169−176. doi: 10.13347/j.cnki.mkaq.2021.02.033
[13] 桑树勋,袁 亮,刘世奇,等. 碳中和地质技术及其煤炭低碳化应用前瞻[J]. 煤炭学报,2022,47(4):1430−1451. SANG Shuxun,YUAN Liang,LIU Shiqi,et al. Geological technology for carbon neutrality and its application prospect for low carbon coal exploitation and utilization[J]. Journal of China Coal Society,2022,47(4):1430−1451.
[14] 张军建, 常象春, 吕大炜, 等. 双碳目标下煤层发育区二氧化碳地质封存研究与评价[J/OL]. 煤炭科学技术, 2022: 1−11. [2022-03-13]. https://doi.org/10.13199/j.cnki.cst.2022-0538. ZHANG Junjian, CHANG Xiangchun, LYU Dawei, et al. Carbon dioxide geological storage system in coal seam development area under the premise of double carbon target[J/OL]. Coal Science and Technology, 2022: 1−11. [2022-03-13]. https://doi.org/10.13199/j.cnki.cst.2022-0538.
[15] 李 畅,梁卫国,侯东升,等. 水、ScCO2致裂煤体裂纹形态与形成机制研究[J]. 岩石力学与工程学报,2020,39(4):761−772. LI Chang,LIANG Weiguo,HOU Dongsheng,et al. Morphology and formation mechanism of fractures in coal using hydraulic/ScCO2 fracturing[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2020,39(4):761−772.
[16] YAN Hao,ZHANG Jixiong,LI Baiyi,et al. Crack propagation patterns and factors controlling complex crack network formation in coal bodies during tri-axial supercritical carbon dioxide fracturing[J]. Fuel,2021,286:1−9.
[17] 严家平,李建楼. 声波作用对煤体瓦斯渗透性影响的实验研究[J]. 煤炭学报,2010,35(S1):81−85. doi: 10.13225/j.cnki.jccs.2010.s1.028 YAN Jiaping,LI Jianlou. Experimental study of acoustic effects on coal gas permeability[J]. Journal of China Coal Society,2010,35(S1):81−85. doi: 10.13225/j.cnki.jccs.2010.s1.028
[18] ZHANG Guanglei,RANJITH P G,PERERA M S A,et al. Quantitative analysis of micro-structural changes in a bituminous coal after exposure to supercritical CO2 and water[J]. Natural Resources Research,2019,28(4):1639−1660.
[19] CHEN Kang,LIU Xianfeng,WANG Longkang,et al. Influence of sequestered supercritical CO2 treatment on the pore size distribution of coal across the rank range[J]. Fuel,2021,121708:1−10.
[20] 张登峰,李 超,李艳红,等. 封存过程中CO2流体与煤中矿物作用关系研究进展[J]. 安全与环境学报,2020,20(1):297−309. ZHANG Dengfeng,LI Chao,LI Yanhong,et al. Research review on the interaction of CO2 fluid with the minerals in the process of CO2 sequestration in coal seams[J]. Journal of Safety and Environment,2020,20(1):297−309.
[21] KRZYSZTOF Labus,PETR Bujok. CO2 mineral sequestration mechanisms and capacity of saline aquifers of the Upper Silesian Coal Basin (Central Europe)-Modeling and experimental verification[J]. Energy,2011,36(8):4974−4982.
[22] 郝盼云,孟艳军,曾凡桂,等. 红外光谱定量研究不同煤阶煤的化学结构[J]. 光谱学与光谱分析,2020,40(3):787−792. HAO Panyun,MENG Yanjun,ZENG Fangui,et al. Quantitative study of chemical structures of different rank coals based on infrared spectroscopy[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis,2020,40(3):787−792.
[23] 刘世奇,王 恬,杜 艺,等. 超临界CO2对烟煤和无烟煤化学结构的影响[J]. 煤田地质与勘探,2018,46(5):19−25. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2018.05.003 LIU Shiqi,WANG Tian,DU Yi. The effects of supercritical CO2 on the chemical structure of bituminous coal and anthracite[J]. Coal Gelogy & Exploration,2018,46(5):19−25. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2018.05.003
[24] CHENG Yugang,ZENG Mengru,LU Zhaohui,et al. Effects of supercritical CO2 treatment temperatures on mineral composition, pore structure and functional groups of shale: implications for CO2 sequestration[J]. Sustainability,2020,12(9):1−22.
[25] ZHANG Guanglei,RANJITH P. G.,LI Zhongsheng,et al. Application of synchrotron ATR-FTIR microspectroscopy for chemical characterization of bituminous coals treated with supercritical CO2[J]. Fuel,2021,120639:1−8.
[26] 曾梦茹. 不同温度超临界CO2条件下煤微观结构特征及改造机理研究[D]. 重庆: 重庆大学, 2020. ZENG Mengru. Study on the coal microstructural characteristics and transformation mechanism treated by supercritical CO2 at different temperatures[D]. Chongqing: Chongqing University, 2020.
[27] 张宇杰,郭红光,李治刚,等. 超临界CO2萃取提高褐煤生物甲烷产气模拟实验[J]. 煤炭学报,2021,46(10):3278−3285. ZHANG Yujie,GUO Hongguang,LI Zhigang,et al. Promoted microbial degradation of lignite by supercritical CO2 extraction to enhance coalbed methane production[J]. Journal of China Coal Society,2021,46(10):3278−3285.
[28] 袁 梅,陈 恋,吕 晴,等. 酸化下无烟煤化学结构响应及吸附性能影响研究[J]. 安全与环境学报,2022,22(1):132−141. YUAN Mei,CHEN Lian,LYU Qing,et al. Study on the chemical structure response and adsorption properties of anthracite under acidification[J]. Journal of Safety and Environment,2022,22(1):132−141.
[29] 柳先锋,宋大钊,何学秋,等. 微结构对软硬煤瓦斯吸附特性的影响[J]. 中国矿业大学学报,2018,47(1):155−161. LIU Xianfeng,SONG Dazhao,HE Xueqiu,et al. Effect of microstructures on methane adsorption characteristics of soft and hard coal[J]. Journal of China University of Mining & Technology,2018,47(1):155−161.
[30] ZENG Jie,LIU Jishan,LI Wai,et al. A process-based coal swelling model: Bridging the gaps between localized swelling and bulk swelling[J]. Fuel,2021,120360:1−12.
[31] 梁卫国,张倍宁,韩俊杰,等. 超临界CO2驱替煤层CH4装置及试验研究[J]. 煤炭学报,2014,39(8):1511−1520. LIANG Weiguo,ZHANG Beining,HAN Junjie,et al. Experimental study on coal bed methane displacement and recovery by supercritical carbon dioxide injection[J]. Journal of China Coal Society,2014,39(8):1511−1520.
[32] 王倩倩,张登峰,王浩浩,等. 封存过程中二氧化碳对煤体理化性质的作用规律[J]. 化工进展,2015,34(1):258−265. doi: 10.16085/j.issn.1000-6613.2015.01.046 WANG Qianqian,ZHANG Dengfeng,WANG Haohao,et al. Effect of CO2 on physico-chemical characteristics of coal during sequestration process: A perspective[J]. Chemical Industry and Engineering Progress,2015,34(1):258−265. doi: 10.16085/j.issn.1000-6613.2015.01.046
[33] 刘 勇,张东鑫,张宏图,等. 超临界二氧化碳射流冲击短时浸泡煤体破坏特征分析[J]. 煤炭学报,2022,47(9):3310−3319. doi: 10.13225/j.cnki.jccs.ss22.0748 LIU Yong,ZHANG Dongxin,ZHANG Hongtu,et al. Analysis of damage characteristics of supercritical carbon dioxide jet impact short time soaking coal body[J]. Journal of China Coal Society,2022,47(9):3310−3319. doi: 10.13225/j.cnki.jccs.ss22.0748
[34] WANG Chunguang,ZHANG Jidong,CHEN Junguo,et al. Understanding competing effect between sorption swelling and mechanical compression on coal matrix deformation and its permeability[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2021,104639:1−12.
[35] 王浩浩,张登峰,王倩倩,等. 深部煤层封存CO2过程中的煤基质溶胀效应[J]. 化工进展,2015,34(7):2031−2038,2069. WANG Haohao,ZHANG Dengfeng,WANG Qianqian,et al. Coal matrix swelling during CO2 sequestration in deep coal seams: A perspective[J]. Chemical Industry and Engineering Progress,2015,34(7):2031−2038,2069.
[36] 王翠霞,李树刚. 煤体孔隙结构分形特征对瓦斯解吸规律的影响研究[J]. 西安科技大学学报,2016,36(3):308−314. WANG Cuixia,LI Shugang. Pore structure characteristics and its influence on gas desorption of low rank coal[J]. Journal of Xi’an University of Science and Technology,2016,36(3):308−314.
[37] 桑树勋,朱炎铭,张时音,等. 煤吸附气体的固气作用机理(Ⅰ): 煤孔隙结构与固气作用[J]. 天然气工业,2005(1):13−15,205. SANG Shuxun,ZHU Yanming,ZHANG Shiyin,et al. Solid gas interaction mechanism of coal adsorbed gas (Ⅰ): coal pore structure and solid gas interaction[J]. Natural Gas Industry,2005(1):13−15,205.
[38] 魏则宁,翟 成,孙 勇,等. 液氮冷冲击时长对煤体致裂效果的影响[J]. 中国矿业大学学报,2022,51(2):273−282. WEI Zening,ZHAI Cheng,SUN Yong,et al. The influence of cold shock duration of liquid nitrogen on the fracturing effect of coal[J]. Journal of China University of Mining & Technology,2022,51(2):273−282.
[39] WANG Rui,WANG Qizhi,NIU Qinghe,et al. CO2 adsorption and swelling of coal under constrained conditions and their stage-change relationship[J]. Journal of Natural Gas Science and Engineering,2019,76:1−14.
[40] 张淑同,王 波,曹 偈,等. 型煤吸附解吸二氧化碳与甲烷的性能对比试验研究[J]. 矿业安全与环保,2016,43(5):5−8. doi: 10.3969/j.issn.1008-4495.2016.05.002 ZHANG Shutong,WANG Bo,CAO Jie,et al. Comparative tests of carbon dioxide and methane adsorption-desorption characteristics of briquette coal[J]. Mining Safety & Environmental Protection,2016,43(5):5−8. doi: 10.3969/j.issn.1008-4495.2016.05.002
[41] QIN Chao,JIANG Yongdong,CAO Mengyao,et al. Experimental study on the methane desorption-diffusion behavior of Longmaxi shale exposure to supercritical CO2[J]. Energy,2023,262:1−12.
[42] 吕乾龙,刘 伟,宋奕澎,等. 无烟煤对CO2和CH4的吸附解吸特性研究[J]. 煤矿安全,2019,50(5):27−30. LYU Qianlong,LIU Wei,SONG Yipeng,et al. Adsorption and desorption characteristics of CO2 and CH4 for anthracite[J]. Safety in Coal Mines,2019,50(5):27−30.
[43] WANG Meng,HUANG Kai,XIE Weidong,et al. Current research into the use of supercritical CO2 technology in shale gas exploitation[J]. International Journal of Mining Science and Technology,2019,29(5):739−744. doi: 10.1016/j.ijmst.2018.05.017
[44] 邓博知. 二氧化碳压裂增透煤层及驱替煤层甲烷机理研究[D]. 重庆: 重庆大学, 2018. DENG Bozhi. Research on the mechanism of carbon dioxide fracturing in coalbeds and displacing coalbed methane[D]. Chongqing: Chongqing University, 2018.
[45] 张 琦,陈新国,姚振东. 超临界CO2驱替瓦斯的试验研究[J]. 煤炭技术,2018,37(1):160−162. ZHANG Qi,CHEN Xinguo,YAO Zhendong. Experimental study on supercritical CO2 displacement gas[J]. Coal Technology,2018,37(1):160−162.
[46] LI Mingxue,LONG Yonghan,GUO Lucheng,et al. An Experimental Study on CO2 Displacing CH4 Effects of Different Rank Coals[J]. Geofluids,2022:1−13.
[47] LI Zhenbao,WEI Gaoming,LIANG Rui,et al. LCO2-ECBM technology for preventing coal and gas outburst: Integrated effect of permeability improvement and gas displacement[J]. Fuel,2021,285:1−10.
[48] 郑爱玲,王新海,刘德华. 注气驱替煤层气数值模拟研究[J]. 石油钻探技术,2006,34(2):55−57. doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.2006.02.017 ZHENG Ailing,WANG Xinhai,LIU Dehua. Research on numerical simulation of enhanced coalbed[J]. Petroleum Drilling Techniques,2006,34(2):55−57. doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.2006.02.017
[49] 吴 迪. 二氧化碳驱替煤层瓦斯机理与实验研究[D]. 太原: 太原理工大学, 2010. WU Di. Mechanism and experimental study on coal-bed methane displacement by carbon dioxide[D]. Taiyuan: Taiyuan University of Technology, 2010.
[50] SUN Xiaoxiao,YAO Yanbin,LIU Dameng. The behavior and efficiency of methane displaced by CO2 in different coals and experimental conditions[J]. Journal of Natural Gas Science and Engineering,2021,93:1−13.
[51] LI Ruihui,GE Zhaolong,WANG Zepeng,et al. Effect of supercritical carbon dioxide (ScCO2) on the microstructure of bituminous coal with different moisture contents in the process of ScCO2 enhanced coalbed methane and CO2 geological sequestration[J]. Energy & Fuels,2022,36(7):3680−3694.
[52] 李全中,倪小明,王延斌,等. 超临界状态下煤岩吸附/解吸二氧化碳的实验[J]. 煤田地质与勘探,2014,42(3):36−39. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2014.03.008 LI Quanzhong,NI Xiaoming,WANG Yanbin,et al. The experimental study on the adsorption/desorption of carbon dioxide in the coal under supercritical condition[J]. Coal Gelogy & Exploration,2014,42(3):36−39. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2014.03.008
[53] WANG Jin,WANG Zhuangsen,WANG Yanbin,et al. CO2 replacing CH4 behaviors under sub- and supercritical conditions[J]. Energy & Fuels,2020,34(4):4353−4365.
[54] LI Jiawei,SUN Chenhao. Molecular insights on competitive adsorption and enhanced displacement effects of CO2/CH4 in coal for low-carbon energy technologies[J]. Energy,2022,261:1−16.
[55] 丁 璐,倪红坚. 超临界二氧化碳浸泡对页岩力学性能的影响[J]. 科学技术与工程,2019,19(30):122−127. doi: 10.3969/j.issn.1671-1815.2019.30.017 DING Lu,NI Hongjian. Effects of supercritical carbon dioxide immersion on mechanical properties of shale[J]. Science Technology and Engineering,2019,19(30):122−127. doi: 10.3969/j.issn.1671-1815.2019.30.017
[56] 杜玉昆,庞 飞,陈 科,等. 超临界二氧化碳喷射破碎页岩试验[J]. 地球科学,2019,44(11):3749−3756. DU Yukun,PANG Fei,CHEN Ke,et al. Experiment of breaking shale using supercritical carbon dioxide jet[J]. Earth Science,2019,44(11):3749−3756.
[57] 倪红坚,郭 兴,丁 璐,等. 超临界二氧化碳浸泡对页岩力学性质影响的实验[J]. 中国石油大学学报(自然科学版),2019, 43(2): 77-84,43(2):77−84. NI Hongjian,GUO Xing,DING Lu,et al. Experiment on mechanical properties of shale soaked with supercritical carbon dioxide[J]. Journal of China University of Petroleum (Edition of Natural Science),2019, 43(2): 77-84,43(2):77−84.
[58] 何立国,杨 栋. 超临界CO2对煤体力学特性劣化影响研究[J]. 矿业研究与开发,2021,41(2):94−99. HE Liguo,YANG Dong. Study on the degradation effect of supercritical CO2 on the coal mechanical properties[J]. Mining Research and Development,2021,41(2):94−99.
[59] FANG Huihuang,SANG Shuxun,LIU Shiqi,et al. Experimental simulation of replacing and displacing CH4 by injecting supercritical CO2 and its geological significance[J]. International Journal of Greenhouse Gas Control,2019,181:115−125.
[60] 杜 艺,桑树勋,王文峰. 超临界CO2注入煤岩地球化学效应研究评述[J]. 煤炭科学技术,2018,46(3):10−18. DU Yi,SANG Shuxun,WANG Wenfeng. Study and review on geochemical effect of coal and rock injected with supercritical CO2[J]. Coal Science and Technology,2018,46(3):10−18.
[61] GE Zhaolong,ZENG Mengru,CHENG Yugang,et al. Effects of Supercritical CO2 Treatment Temperature on Functional Groups and Pore Structure of Coals[J]. Sustainability,2019,11(24):1−16.
[62] FU Yongshuai,LIU Xianfeng,GE Boqing,et al. Role of chemical structures in coalbed methane adsorption for anthracites and bituminous coals[J]. Adsorption,2017,23(5):711−721.
[63] 郝志勇,岳立新,孙可明,等. 超临界CO2温变对低渗透煤层孔渗变化的实验研究[J]. 煤田地质与勘探,2018,46(3):64−71. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2018.03.012 HAO Zhiyong,YUE Lixin,SUN Keming,et al. Experiment study on the porosity and permeability of low permeability coal by supercritical CO2 temperature variation[J]. Coal Gelogy & Exploration,2018,46(3):64−71. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2018.03.012
[64] 岳立新,孙可明. 超临界CO2作用后煤微观结构与渗透率变化规律实验研究[J]. 实验力学,2017,32(3):397−406. YUE Lixin,SUN Keming. Experimental study of coal microstructure and permeability variation after of supercritical CO2 penetration[J]. Journal of Experimental Mechanics,2017,32(3):397−406.
[65] WU Di,LIU Xueying,LIANG Bing,et al. Experiments on Displacing Methane in Coal by Injecting Supercritical Carbon Dioxide[J]. Energy & Fuels,2018,32(12):12766−12771.
[66] 吴 迪,王翰阳,苗 丰,等. 超临界CO2作用下CO2渗流特性与煤层增透效果研究[J]. 煤炭科学技术,2020,48(10):90−96. WU Di,WANG Hanyang,MIAO Feng,et al. Study on CO2 seepage characteristics and permeability enhancement effect of coal seam under supercritical CO2 condition[J]. Coal Science and Technology,2020,48(10):90−96.
[67] LU Zhaohui,JIA Yunzhong,ZHOU Jiankun,et al. The permeability alternation of shale fractures due to Sc-CO2 soaking: implications for Sc-CO2 fracturing and deep CO2 sequestration in shale reservoirs[J]. Advances in Materials Science and Engineering,2022:1−12.
[68] 张志忠. 超临界CO2对低渗透煤层渗透率影响试验研究[J]. 江西煤炭科技,2021(3):174−175, 178. ZHANG Zhizhong. Experimental study on the effect of supercritical CO2 on the permeability of low permeability coal seams[J]. Jiangxi Coal Science & Technology,2021(3):174−175, 178.
[69] 岳立新,孙可明. 超临界CO2作用时间对煤渗透率和孔隙率的影响规律研究[J]. 应用力学学报,2018,35(5):1170−1176,1194. YUE Lixin,SUN Keming. The influence law of action time by supercritical CO2 on permeability and porosity of coal[J]. Chinese Journal of Applied Mechanics,2018,35(5):1170−1176,1194.
[70] 梁卫国,贺 伟,阎纪伟. 超临界CO2致煤岩力学特性弱化与破裂机理[J]. 煤炭学报,2022,47(7):2557−2568. LIANG Weiguo,HE Wei,YAN Jiwei. Weakening and fracturing mechanism of mechanical properties of coal and rock caused by supercritical CO2[J]. Journal of China Coal Society,2022,47(7):2557−2568.
[71] WANG Lei,YANG Dong,MENG Qiaorong,et al. Effects of supercritical carbon dioxide under different conditions on mechanical properties and energy evolution of coal[J]. Geomechanics and Geophysics for Geo-Energy and Geo-Resources,2022,8(3):1−12.
[72] 肖 畅,王 开,张小强,等. 超临界CO2作用后无烟煤力学损伤演化特性及机理[J]. 煤炭学报,2022,47(6):2340−2351. XIAO Chang,WANG Kai,ZHANG Xiaoqiang,et al. Mechanical damage evolution characteristics and mechanism of anthracite treated with supercritical CO2[J]. Journal of China Coal Society,2022,47(6):2340−2351.
[73] FENG Gan,KANG Yong,SUN Zedong,et al. Effects of supercritical CO2 adsorption on the mechanical characteristics and failure mechanisms of shale[J]. Energy,2019,173:870−882.
[74] SONG Yao,ZOU Quanle,SU Erlei,et al. Changes in the microstructure of low-rank coal after supercritical CO2 and water treatment[J]. Fuel,2020,279:1−13.
[75] 秦 雷, 马 超, 李树刚, 等. 液氮作用下冻结态与融化态煤体力学特征及劣化机理[J/OL]. 采矿与安全工程学报, 2022: 1−13. [2023-03-23]. http://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1760.TD.20221021.1652.002.html. QIN Lei, MA Chao, LI Shugang, et al. Mechanical characteristics and deterioration mechanism of frozen and melted coal under the action of liquid nitrogen[J/OL]. Journal of Mining & Safety Engineering, 2022:1−13. [2023-03-23]. http://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1760.TD.20221021.1652.002.html.
[76] 张 磊,田苗苗,薛俊华,等. 液氮循环处理对不同含水率煤样渗流特性的影响[J]. 煤炭学报,2021,46(S1):291−301. ZHANG Lei,TIAN Miaomiao,XUE Junhua,et al. Effect of liquid nitrogen cycle treatment on seepage characteristics of coal samples with different water contents[J]. Journal of China Coal Society,2021,46(S1):291−301.
-
期刊类型引用(14)
1. 郑永旺，崔轶男，李鑫，肖翠，郭涛，张登峰. 深层高阶煤层CO_2-ECBM技术研究与应用启示——以沁水盆地晋中地区为例. 石油实验地质. 2025(01): 143-152 . 
百度学术
2. 张小东，王康，卢铁，王芳芳，张硕. ScCO_2作用下高阶构造煤吸附热变化特征及机制. 中国石油大学学报(自然科学版). 2025(01): 81-91 . 百度学术
3. 秦雷，王辉，李树刚，刘鹏飞，李嘉伟. 冻结煤未冻水与孔隙特征变化核磁共振研究. 清华大学学报(自然科学版). 2025(03): 601-613 . 百度学术
4. 王梓麟，时婧玥，徐栋，詹顺，何朋勃，李兵，白坤森. 煤储层无水压裂技术现状及展望. 钻采工艺. 2024(01): 80-86 . 百度学术
5. 袁永，陈忠顺，梁小康，申海生，左磊，孟朝贵，王圣志. 二氧化碳相变爆破致裂机理与应用研究进展. 煤炭科学技术. 2024(02): 63-78 . 本站查看
6. 陈海涌，苏伟东，武月荣，徐洋，王筱箐，王历历. 深层煤岩气二氧化碳泡沫压裂压后评价方法. 钻采工艺. 2024(03): 97-101 . 百度学术
7. 刘佳佳，张云龙，聂子硕，高志扬，许文松. 超临界CO_2脉动压裂-渗流耦合试验系统研制与应用. 煤田地质与勘探. 2024(06): 12-20 . 百度学术
8. 王磊，杨震宇，陈礼鹏，王勇，张帅，王安铖，李伟利. 不同超临界CO_2浸蚀时间后冲击煤体能量演化与破坏特征. 岩土力学. 2024(08): 2251-2262 . 百度学术
9. 王浩，赵耀江，孙晓元. 液氮溶浸时间对原煤力学及破坏形式的影响. 煤矿安全. 2024(08): 25-30 . 百度学术
10. 刘勇，李海超，魏建平，邓玉洁，李翔，高梦雅. 超临界二氧化碳短时作用煤体裂隙演化CT/XRD实验研究. 煤炭学报. 2024(09): 3829-3844 . 百度学术
11. 孙泽东，任泫琦. 超临界CO_2对烟煤Ⅰ型断裂韧性影响的实验研究. 中国煤炭. 2024(09): 99-110 . 百度学术
12. 刘佳佳，许艳之，聂子硕，张云龙，高建良，王丹. 超临界CO_2作用下高阶煤微观结构及力学特性-声发射特征研究. 煤炭科学技术. 2024(10): 127-135 . 本站查看
13. 贾毅超，杨栋，黄旭东，孙丁伟，何立国. 超临界CO_2对无烟煤力学强度劣化机制及其微观结构演变特征. 煤炭科学技术. 2024(11): 323-336 . 本站查看
14. 于宝种，申孟起，刘佳佳，吴金刚. 顺层钻孔瓦斯抽采流固耦合模型及数值模拟应用研究. 能源与环保. 2023(11): 75-81 . 百度学术
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