瓦斯学术:基于纳米压痕的煤体微观力学研究进展

文摘   2024-12-17 22:00   重庆  

看点导读

       瓦斯释放、有效应力变化、煤的破坏等,必然存在煤内部孔隙的变化。研究煤的微观孔隙结构及微观力学性质是煤体研究的重要思路。由于传统宏观力学实验方法对试样的尺寸和完整性有较高的要求。而煤体硬度普遍较低,很难获取满足实验尺寸的原煤试样,且加载实验过程中对煤样的破坏性大,导致煤样的重复利用率较低。因此,宏观力学性质测试具有一定局限性。相比之下,纳米压痕技术对实验样品尺寸要求较小,实验区域大多介于微米或毫米级,且不同实验区域之间相互影响近乎可以忽略,煤样可重复利用,在某种程度上降低实验耗材率。同时,煤由多种矿物成分、孔隙结构、有机显微组分等共同组成为多孔固体材料,其宏观力学性质和微观力学性质存在一定差异。微观力学性能研究手段逐渐受到关注。研究煤体微观力学性质对于认识煤体宏观力学特性以及安全高效地对煤炭资源开采和瓦斯灾害防控具有基础性意义。本期瓦斯学术主要分享聂百胜教授团队基于纳米压痕技术的煤体微观力学的相关研究成果。

推荐文献:

[1]   刘鹏,赵渝龙,聂百胜,等. 煤体微观力学特性的纳米压痕实验研究[J]. 煤炭学报,2024,49(8):3453−3467.

[2]   聂百胜,赵丹,刘鹏,王磊,王大琳,涂庆毅,杨靖韬,朱熹阳.基于纳米压痕和XRD-EPMA技术的超临界CO2注入煤体力学损伤演化机制[J/OL].煤炭学报. https://doi.org/10.13225/j.cnki.jccs.WK24.1014

拓展文献:

[1] :聂百胜,马延崑,何学秋,等.煤与瓦斯突出微观机理探索研究[J].中国矿业大学学报,2022,51(2):201-220.

[2] 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.

[3] 邓博知, 聂百胜, 柳先锋, 石发瑞. 基于仪器化压入实验的煤体微纳尺度非均质力学响应特征. 力学学报,2022, 54(8): 2304-2317.

01煤体微观力学特性的纳米压痕实验研究

摘    要

煤体力学性质的测定与研究对煤炭高效开采和灾害预防具有重要的理论价值。煤较为松软破碎,强度较低,难以制备标准的力学测试煤样,也无法回收利用从而进行重复测试。亟需探索新的力学测试方法完善煤的力学特性研究。纳米压痕技术可以测定小尺度煤体微观力学特性,具有样品易制作、实验快速、样品无损的特点。结合矿物组分测试、形貌扫描和纳米压痕实验,研究了4种煤的物性特征及微观力学性质。结果表明,实验煤样矿物类别主要包括非晶态有机质和黏土、石英和碳酸盐类矿物,不同煤的矿物组分有显著差异。煤的3D形貌图显示不同煤表面粗糙度差异明显,煤中矿物分布具有显著非均质性。纳米压痕实验结果表明:① 煤样中石英和碳酸盐类矿物质量分数越高,会导致煤样表面力学性质越强,压痕深度越小;② 煤样表面的组分越复杂,煤的非均质性越明显,表面微观力学性质分布的离散程度越高;③ 煤的煤阶越高,变质程度越高,外部孔隙越发育,导致断裂韧度提高;④ 对压痕试验结果进行拟合,发现弹性模量与坚固性系数、弹性模量与断裂韧度均具有明显的线性关系,并且弹性模量与断裂韧度的线性关系受峰值载荷的影响。

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实验

图1 实验流程

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实验结果

图2 实验煤样1000倍光学显微平面

成像及表面3D扫描

图3 纳米压痕实验的典型载荷−深度曲线及压痕成像

图4  煤样在3种峰值载荷作用下的纳米压痕

加卸载曲线

图5 煤表面压痕点显微成像

图6 不同载荷下蠕变深度hk与Ro的关系

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讨论

图7 煤样力学特性与峰值载荷的关系

图8  YW煤弹性模量与坚固性系数、断裂韧度

拟合图像

02 基于纳米压痕和XRD-EPMA技术的超临界CO2注入煤体力学损伤演化机制

摘    要

CO2地质封存技术是实现碳减排和废弃矿井资源再利用的有效技术之一,为揭示注入过程中超临界CO2与煤体的相互作用机制及对煤体力学性质的影响规律,利用纳米压痕、XRD、SPM 及EPMA 综合表征技术,研究了深部煤层ScCO2 封存条件下煤体表面形貌、矿物组分及微观力学性能随溶浸时间的变化规律,分析了煤体力学损伤与CO2矿化反应的关联机制。结果表明:ScCO2具有溶剂特性,会与煤体发生溶蚀作用,碳酸盐和硫酸盐相比于硅酸盐具有更高的溶解度和溶解速率,随着浸泡时间的增加,煤中碳酸盐和硫酸盐矿物含量缓慢持续减少。ScCO2溶浸显著改变了煤体微观力学性质,弹性模量和硬度均随ScCO2 溶浸作用时间的增加呈指数下降趋势,弹性模量降至原煤的85.71%~90.33%,硬度降至 76.07%~84.70%,其中溶浸 2 天后煤体弹性模量和硬度值衰减最为显著,分别下降超过86.9%和81.2%。由于溶浸过程中部分矿物质被溶解,导致煤体矿物种类和分布较为均一稳定,煤样力学性质均质性增强。在ScCO2溶浸过程中,煤逐渐由弹性变形转变为塑性变形,纳米压痕裂纹迅速拓展,煤表面微观形貌损伤严重,蠕变变形量线性增加。溶蚀反应对煤体孔隙结构的改变和煤体弹-塑性的转变,增强了纳米压痕载荷曲线的离散性,造成弹出事件发生频率增加。本研究可为煤层气增产开发、深部煤层CO2储存安全性评估提供科学依据。

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实验研究

图9 实验总流程图

图10 纳米压痕矩阵

图11 预实验不同煤样弹性模量云图

图12 纳米压痕轮廓和载荷曲线图

图13 Hysitron TI950原位纳米力学仪

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结果及分析

图14 不同ScCO2溶浸时间下煤样中矿物组分占比

图15 不同溶浸时间下煤样的荷载-位移曲线图

图16 不同溶浸时间下各煤样hm的标准差

图17 不同煤样力学参数与溶浸时间关系箱线图

图18 不同溶浸时间下煤样弹性模量Er的标准差

图19 不同溶浸时间下各煤样压痕区域SPM扫描图

图20 不同溶浸时间下煤体蠕变变形及

加载阶段变形关系

图21 S-1溶浸4天的弹出事件

图22 不同溶浸时间下煤样载荷曲线弹出事件统计

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讨论

图23 ScCO2溶浸4天各煤样电子探针结果

图24 ScCO2溶浸4天各煤样压痕位点

对于电子探针结果

编辑丨湛金飞            重庆大学

审核丨刘苏雨            重庆大学

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