矿业安全与环保

作者：丁洋, 张一正, 李树刚, 林海飞, 王梦迪, 张艳, 周煜尧

关键词：CO₂封存, 煤矸石, 颗粒破碎, CO₂-水-岩相互作用, 分形维数, 矿物溶解, 微观结构分析

深部煤矿采空区CO2地质封存是缓解温室气体排放的重要途径。围绕CO2-水-岩相互作用下饱和破碎煤矸石的力学行为及微观结构演变开展系统研究。基于采空区CO2封存模拟实验平台，对不同CO2反应压力(0、2、4、6、8 MPa)下的饱和破碎煤矸石的颗粒破碎特性、压实特性进行系统研究，并通过X射线荧光光谱仪和扫描电子显微镜等测试手段，分析CO2-水-岩相互作用后煤矸石的微观结构变化，探讨煤矸石颗粒的破碎微观机理。结果表明：随着CO2反应压力的增大，破碎煤矸石的相对破碎率由36.07%增至45.49%，增幅为9.42%；分形维数由2.677 7增大至2.736 3，对比初始分形维数增幅为14.01%;在25 MPa应力下，试样的应变从0 MPa时的0.309增至8 MPa时的0.354，增幅为14.56%。X射线荧光分析显示，Ca元素含量由65.455%降低至15.531%，降低了76.27%，表明含Ca矿物在反应过程中发生了强烈的溶蚀作用。扫描电子显微镜结果显示，随着CO2反应压力从0 MPa增大至8 MPa，煤矸石表面孔裂隙占比从1.446%增至2.641%，表面孔隙分形维数从0.993 2增至1.143 1。基于实验结果，提出了考虑CO2反应压力的改进经验模型，该模型能够准确描述高CO2压力下饱和破碎煤矸石的力学行为。研究成果为评估煤矿采空区CO2封存的稳定性和安全性提供了理论依据。

来源：2026年第1期

《矿业安全与环保》期刊编辑部

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