利用鼠李糖脂提高煤层气回收率：多尺度实验揭示孔隙演变与甲烷解吸机制

《Fuel》：Enhancing coalbed methane recovery with rhamnolipid: Multi-scale experimental elucidation of pore evolution and methane desorption mechanisms

煤变质程度与酸蚀/动态载荷敏感性关系研究。通过SHPB试验分析褐煤、烟煤、无烟煤在酸性环境及动态冲击下的力学响应，发现褐煤酸蚀后动态模量下降最显著（65.16%），无烟煤降幅最小（14.19%）。SEM和分形维数分析表明煤表面粗糙度增加与变质程度呈负相关，褐煤分形维数增幅达11%。建立酸蚀敏感性指数a和应变率敏感性指数b，揭示高变质煤（无烟煤）在3.75-5m/s冲击速率区间敏感性最高。经皮尔逊相关性分析，冲击速度与峰值应力、动态模量等参数呈显著正相关。研究填补了多变质阶段煤酸蚀动态响应的系统研究空白，为酸性矿井下灾害防控提供理论支撑。

　　

胡振华|沈荣熙|王秀蕾|顾周杰

中国矿业大学教育部煤矿瓦斯与火灾控制重点实验室，江苏省徐州市221116

摘要

为了揭示不同程度变质的煤在酸蚀环境和动态载荷作用下的耦合响应模式，本研究调查了不同变质程度煤的动态力学响应和变形特性。通过分离式霍普金森压杆（SHPB）试验，系统研究了酸蚀褐煤、烟煤和无烟煤的动力学和变形特性。酸处理降低了所有样品的动态模量和变形能。无烟煤的刚性下降最大，但同时保持了最高的值。酸蚀后，无烟煤表现出最高的变形能，其微裂纹数量和密度显著增加。扫描电子显微镜（SEM）观察显示酸蚀后表面粗糙度增加，其中褐煤的分形维数增加最多（高达11%）。基于动态弹性模量建立的酸蚀敏感性指数（a）和应变率敏感性指数（b）表明，煤的变质程度越高，酸蚀敏感性指数越小，应变率敏感性指数越大。其中，褐煤表现出酸蚀主导性，而烟煤和无烟煤则表现出应变率效应主导性。此外，应力波形显示，高级别煤在3.75至5 m/s的应变率范围内具有更高的敏感性。相关性分析显示冲击速度与峰值应力、弹性模量等参数之间存在正相关。这些发现阐明了酸蚀煤的动态响应和变形特性，确定了不同变质程度煤在酸蚀作用下的主导因素，并为酸性环境下的矿山安全控制提供了理论基础。

引言

尽管可再生能源日益兴起，煤炭仍然是全球能源结构中的关键组成部分，确保了工业和日常生活的稳定供应[1]，[2]。

气体管理一直是采矿工程中的核心问题，随着采矿技术的进步，提高煤和岩石的渗透性已成为改善气体管理和利用效率的关键策略[3]，[4]。然而，不同采矿区域的煤变质程度不同，导致机械性能存在显著差异。这给矿山安全和气体提取效率带来了更高的要求[5]，[6]，[7]。此外，酸性矿井水和外部动态扰动进一步增加了采矿作业的安全风险，尤其是酸性地下水对煤的机械行为影响尤为明显[8]，[9]，[10]，[11]，[12]。

酸性地下水在煤矿区域广泛存在，其化学腐蚀作用会显著改变煤的机械性能，从而影响采矿作业的安全性和稳定性[13]，[14]，[15]，[16]。因此，近年来许多研究人员专注于研究酸性和动态扰动对煤力学的影响，以更好地理解其机制并优化矿山安全控制策略。

早期研究主要集中在酸性环境中煤和岩石的准静态力学行为。Chang等人研究了酸性和碱性条件对煤中裂纹演变的影响，发现OH?浓度的增加促进了小尺度裂纹的发展，而H?浓度的增加则导致裂纹系统宏观有序性的增强[17]。Chen等人探讨了水化学腐蚀对煤-岩界面力学性能的影响。他们的研究表明，水化学腐蚀加速了煤-岩界面的劣化和损伤，煤-岩试样的单轴抗压强度从对照组的90.07 MPa显著下降到酸性条件下的35.54 MPa[18]。Huang等人利用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和能量色散光谱（EDS Mapping）研究了硫酸溶液中的干湿循环对砂岩动态力学性能的影响。他们的结果表明，随着酸性溶液pH值的降低，动态峰值应力和动态弹性模量逐渐下降，而峰值应变增加，表明酸溶液对砂岩具有显著的腐蚀和软化作用[19]。Gong等人研究了受冲击载荷下加压无烟煤的动态断裂韧性和裂纹分形特性，分析了裂隙流体对不同加载速率下无烟煤断裂行为的双重影响。基于裂隙流体的双重特性和线性弹性断裂力学，他们建立了一个包含加载率参数的微观断裂力学模型[7]。在另一项研究中，Gong等人使用分离式霍普金森压杆（SHPB）测试了不同酸性环境下煤样品的动态抗压和抗拉强度。他们的结果表明，在干湿循环的早期阶段，酸蚀效应尤为明显，导致平均力学性能显著恶化。酸度越强，煤样品初始孔隙率的变化越明显[20]。此外，一些研究探讨了不同程度变质的煤的宏观和微观结构的分形特性。结果表明，随着煤级数的增加，总孔隙体积中孔隙和宏观孔隙的比例逐渐减少，而过渡孔隙和微孔的比例增加[21]。现有研究主要集中在常规条件下单一类型酸蚀煤或不同煤级的比较研究，而对多阶段酸蚀煤的动态力学响应和能量耗散的系统研究仍然有限。在酸蚀煤的动态研究中，存在动态载荷的应变率效应和酸蚀的降解效应，不同变质程度煤对这两种效应的敏感性和主导作用尚不清楚。

本研究将三种不同变质级别的煤样浸泡在盐酸中24小时，然后在2.5、3.75和5 m/s的冲击速度下进行单轴冲击试验。分析了酸蚀和动态载荷对不同变质级别煤的影响，包括动力学特性、变形能特征和破坏模式。利用扫描电子显微镜结合灰度图像处理技术计算了分形维数，以定量分析表面粗糙度的演变。基于动态弹性模量存储建立了应变率和酸蚀敏感性指数。皮尔逊相关性分析进一步阐明了参数之间的关系。

本研究揭示了不同程度变质的煤层在酸蚀和冲击载荷作用下的降解模式和变形能特性，定量确定了它们对酸蚀和动态扰动的敏感性。它填补了多阶段酸蚀煤研究的空白，加深了对其在酸性环境中动态行为的理解，为预防动态煤矿灾害提供了理论基础，并根据实验结果提出了相应的措施和建议。

实验部分

样品制备

实验中使用的煤样应制备成直径为25毫米的圆柱形。研磨后，两端面的不平行度应小于0.05毫米，且两端面都应垂直于样品轴线，以确保端面平行度和垂直度误差在0.02毫米以内。为了保证加工精度，样品端面的不平行度控制在0.05毫米以内。

应力-应变曲线

如图3所示，不同类型变质的煤表现出典型的动态应力-应变行为，理论上分为四个明显阶段：快速压实、线性弹性、屈服和后峰软化。由于动态载荷的加载特性，快速压实阶段在应力-应变曲线中不明显。这一点标志着屈服点B。超过这一点后，材料进入屈服阶段

不同变质程度煤在酸和冲击载荷共同作用下的断裂行为变化特征

高速摄像机用于记录褐煤、烟煤和无烟煤的断裂过程。如图9、图11、图13所示，在未腐蚀的样品中观察到明显的裂纹扩展行为：褐煤的断裂主要沿冲击方向，主要是拉伸破坏；而随着变质程度的增加，烟煤和无烟煤表现出混合的拉伸-剪切破坏。如图10、图12、图14所示，酸蚀后

结论

• 1)
  酸腐蚀降低了所有类型煤的动态刚性，其中褐煤的刚性降低最明显（65.16%），而无烟煤的刚性降低最小（14.19%）。此外，酸腐蚀增加了变质煤的扫描电子显微镜分形维数，酸处理后褐煤的表面粗糙度更加明显。断裂形态从层状裂纹（未腐蚀）发展为密集的交叉网络（酸蚀）。

作者贡献

所有作者都参与了研究的构思和设计。材料制备、数据收集和分析由胡振华、王秀蕾、沈荣熙和顾周杰完成。初稿由胡振华撰写，所有作者对稿件的先前版本进行了评论。所有作者都阅读并批准了最终稿件。

作者贡献声明

胡振华：撰写——原始稿件，软件处理，正式分析，数据管理。沈荣熙：正式分析，数据管理。王秀蕾：数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（编号2022YFC3004702）和国家自然科学基金（编号52074276）的资助。作者感谢审稿人和编辑们的富有洞察力和建设性的反馈，这些反馈有助于改进本文。