围压对含瓦斯水合物煤体应力应变关系的影响

张保勇,高　橙,高　霞,刘文新,吴　强,张　强

(1.黑龙江科技大学 安全工程学院,哈尔滨 150022;2.黑龙江科技大学 瓦斯等烃气输运管网安全 基础研究国家级专业中心实验室,哈尔滨 150022;3.黑龙江科技大学 建筑工程学院,哈尔滨 150022)



围压对含瓦斯水合物煤体应力应变关系的影响

张保勇1,2,高橙1,2,高霞2,3,刘文新1,2,吴强1,2,张强1,2

(1.黑龙江科技大学 安全工程学院,哈尔滨 150022;2.黑龙江科技大学 瓦斯等烃气输运管网安全 基础研究国家级专业中心实验室,哈尔滨 150022;3.黑龙江科技大学 建筑工程学院,哈尔滨 150022)

力学性质是基于水合原理预防煤与瓦斯突出的核心问题之一。以具有突出倾向煤体制备的型煤为研究对象,利用自主研发的瓦斯水合物生成与三轴压缩一体化装置,开展了围压影响下含瓦斯水合物煤体三轴压缩实验。结果表明:三种围压下,应力-应变曲线均为软化型;不同特征点(初始屈服点、峰值点及残余阶段)含瓦斯水合物煤体的黏聚力相差较大,而内摩擦角的变化较小;含瓦斯水合物煤体的初始屈服强度、峰值强度、残余强度和变形模量随着围压的增加呈线性关系增加,围压对含瓦斯水合物煤体的力学性质有所强化。

煤与瓦斯突出;含瓦斯水合物煤体;三轴压缩实验;力学性质;应力应变关系

0　引　言

煤与瓦斯突出是煤矿生产过程最为严重自然灾害之一,其发生主要取决于煤层所处的地应力状态、瓦斯压力和煤岩物理力学特性[1]。吴强等[2]基于瓦斯水合物具有生成条件温和、含气率高、分解热大等特性提出了煤层瓦斯固化防突技术。目前,有关煤体富含水合物状态下力学性质研究工作相关文献报道较为有限[3],类似研究主要集中于含天然气水合物沉积物力学性质方面,其主要为了解决钻井安全(如井壁失稳)、气候环境变化导致的地质灾害(如海底滑坡)以及水合物开采过程中的地层变形沉积等问题[4]。Song等[5]研究了不同围压下,不同高岭土体积含量的含水合物沉积物的三轴压缩力学特性;魏厚振等[6]研究了常规三轴作用下含天然气水合物沉积物变形和强度等力学参数随饱和度和围压的变化规律;Yun等[7]研究了含不同饱和度四氢呋喃水合物的砂土、黏土和粉土的强度;李洋辉等[8]研究发现围压的提高引起了CH4水合物正割模量的先增大后减小的趋势,在高围压下尤为显著;Hyodo等[9]合成了不同CH4水合物饱和度的砂样,在不同温度、周围压力、后端压力条件下开展力学实验。综合以上研究发现,围压是影响水合物沉积物力学特性的一个重要因素,这些研究工作有助于深入认识含水合物介质的力学特性与破坏机制。

笔者利用自主研发的集低温高压水合固化反应和三轴压缩作用于一体的原位实验装置,探讨围压对含瓦斯水合物煤体力学性质影响。

1　实验装置与方法

1.1实验材料

将采回的煤样破碎后筛分出0.18～0.28 mm煤粉220 g,加入饱和度80%所需水量26.05 g充分搅拌。采用气体过饱和法合成瓦斯水合物,从而以注水量控制含瓦斯水合物煤体的饱和度。按照国际岩石力学学会标准制作φ50 mm×100 mm的圆柱体型煤试件,两端面不平行度不超过0.5 mm。型煤试样孔隙结构特征采用美国康塔PoreMaster33型压汞仪进行测试,实验中汞的表面张力取0.480 N/m,汞与煤接触角取140°,实验进汞压力范围为0.14～231 MPa,相应孔径D范围为0.007～1 000 μm。经压汞仪测得孔容vP为0.189 2 ml/g。

实验所用甲烷气体纯度为99.99%,由哈尔滨黎明气体有限公司提供;蒸馏水自制。

1.2实验装置

水合固化反应和三轴压缩一体化原位测试装置如图1所示。装置主要包括水合固化-荷载高压釜、三轴压缩荷载系统、恒温控制箱、气体增压系统、数据采集系统等。核心部分为水合固化-荷载高压反应釜,煤样即安装在水合固化-荷载高压釜内,反应釜可承受最大围压30 MPa、最大轴压50 MPa、釜内承压16 MPa,可对样品进行两端同时供气,满足气体平稳供应;恒温控制箱控温范围-10～60 ℃,温度波动度<±0.5 ℃。

图1　含瓦斯水合物煤体力学性质原位测试装置

1.3水合物生成与饱和度控制

图2为甲烷水合物三相相平衡曲线[11]。为了确保甲烷水合物在煤体中生成,通过Sloan相平衡软件进行理论计算,得出甲烷水合物生成的相平衡条件为温度0.55 ℃,压力2.77 MPa[10],如图2中点(Te,pe)所示。

图2　甲烷水合物三相相平衡曲线(水合物相-液相-气相)

实验中控制煤样孔隙中CH4气体压力为4.0 MPa,温度0.5 ℃,如图2中点(Tf,pf)所示。该温压条件为CH4水合物生成相平衡的稳定区域,可生成CH4水合物。

对于甲烷气体,其水合过程可由化学方程式控制:

(1)

基于水完全参加反应的假设,本组实验设定80%的饱和度条件。结合1.1煤样压汞测试数据,可以计算出不同饱和度状态下初始注水量mw:

VH=SH×vP×ms,

(2)

mH=VH×ρH,

(3)

mw=mH×(46×18)/(46×18+8×16),

(4)

式中，ms为试样型煤质量220 g,孔容vP为 0.189 2 ml/g,mH为水合物质量,mw为达到目标饱和度所需水的质量;因甲烷水合物为Ⅰ型水合物,其密度为ρH=0.91 g/cm3。据此,计算出生成目标饱和度为80%的含瓦斯水合物煤体需水量为26.05 g。

1.4实验方案

为系统探讨围压对含瓦斯水合物煤体力学性质的影响,设定4.0、5.0和6.0 MPa三种围压条件,瓦斯压力为4.0 MPa。含瓦斯水合物煤体的三轴压缩实验示意如图3所示,煤体受到围压和瓦斯压力、轴压的共同作用。

图3　含瓦斯水合物煤体室内三轴实验

实验过程主要包括煤体中瓦斯水合物生成实验和含瓦斯水合物煤体三轴压缩实验。具体步骤如下:

(1)将制作好的型煤试件置于压力室中,缓慢加载围压至0.5 MPa,通过进气管路通入0.3 MPa气体压力,排空;反复3次,以排掉试样和管线里的空气。

(2)将围压升到4.5 MPa,孔隙气压升到4.0 MPa,保持24 h,使气体充分溶解在溶液中。

(3)恒温箱温度设定为0.5 ℃,进行水合反应,反应过程中压力下降0.1 MPa即对孔隙压力进行补气,使其保持在4.0 MPa,最后当气体压力连续6 h不再下降时,认为水合物完全生成。试样中瓦斯水合物完全生成后,开始进行三轴压缩实验,先加围压至4.0 MPa,保持釜内瓦斯压力不变,然后施加轴压直至应变达到15%,实验终止。

(4)根据采集数据分析围压对含瓦斯水合物煤体的屈服强度、峰值强度、残余强度、变形模量的影响,并且计算应力-应变曲线不同阶段的黏聚力和内摩擦角。

(5)改变围压的大小,重复以上实验过程,进行下一组含瓦斯水合物煤体三轴压缩实验。

2　结果与讨论

2.1应力-应变关系

三个试样得到的含瓦斯水合物煤体在围压4.0、5.0和6.0 MPa下的应力-应变曲线如图4所示,图4中可以看出:三种围压下,应力-应变曲线呈应变软化型,含瓦斯水合物煤样峰后应力发生脆性跌落;参考岩石的应力-应变全过程曲线[12],将实验曲线分为峰前段和峰后段,峰前段又分为线弹性段与强化段,峰值强度之前曲线斜率变化明显的应力点取为初始屈服点,出现强化处;随着围压升高,含水合物煤体的峰值强度和残余强度均有明显增大。

图4　含瓦斯水合物煤体应力-应变关系

进一步分析应力-应变曲线,将全曲线分为以下四个阶段:

(1)线弹性OA段(曲线开始到初始屈服点):轴向应变在0～3%之间,随着轴向应变的增加,所对应的偏应力差呈线性迅速增加。变形模量随着轴向应变的增加而线性增加。

(2)强化段AB段(初始屈服点到峰值点):试样经过弹性阶段,在峰值强度点之前,偏应力差随着轴向应变的增加而增长缓慢,应力--应变曲线的斜率不断减小。

(3)应变软化段BC:在峰值强度点之后,应力-应变曲线为负斜率,在应变软化过程中,强度参数由峰值逐渐下降到残余值,发生脆性跌落。主应力差随着应变的增大开始降低,但降低幅度缓慢。

(4)残余变形段C点后:该阶段偏应力差随着应变增大基本保持不变。

2.2围压对含瓦斯水合物煤体强度的影响

对不同围压下应力-应变曲线上的特征点分析,可得到含瓦斯水合物煤体的初始屈服强度、峰值强度、残余强度和变形模量,表1为含瓦斯水合物煤体应力-应变全程曲线的特征参数。图5分别为围压与初始屈服强度、峰值强度和残余强度的关系。

表1　应力-应变全程曲线特征参数

图5　含瓦斯水合物煤体不同围压与各强度的关系

从图5a中可以看出,含瓦斯突出煤体在围压为4.0、5.0和6.0 MPa时,所对应的起始屈服强度分别为6.12、7.80和12.55 MPa;其初始屈服强度随围压增加后的增大率分别为27.45%和60.90%。从图5b可以看出,围压为4.0、5.0和6.0 MPa时,所对应的峰值强度分别为9.51、10.63和13.94 MPa,其峰值强度随围压增加后的增大率分别为11.78%和31.14%;与峰值强度相对应的轴向应变分别为3.45%、3.65%和3.79%,可见对于不同的围压,当试样达到峰值强度时,其轴向应变趋于相同。图5c为不同围压与残余强度的关系,围压为4.0、5.0和6.0 MPa时所对应的残余强度分别为6.5、9.3和11.1 MPa,其残余强度随围压增加后的平均增大率分别为43.08%和19.35%。

对含瓦斯水合物煤样进行分析发现,在一定饱和度下,含瓦斯水合物煤样的初始屈服强度、峰值强度和残余强度均随着围压的增加而增大。

随着围压增加,初始屈服强度、峰值强度和残余强度明显增大。强度的增加主要源于含瓦斯水合物煤体承载能力增加,围压的提高增加了滑移阻力,从而使得煤样强度得以提高[13]。

2.3围压对含瓦斯水合物煤体变形模量的影响

目前因缺少相关的含瓦斯水合物煤体力学特性的力学检测标准,文中取偏应力达到50%峰值强度σ1p时对应的割线模量E50为变形模量,如图6所示。从图6可以看出,变形模量随着围压的增加而增加。当围压为4.0、5.0和6.0 MPa时所对应的变形模量分别为315.23、388.60和474.41 MPa,其变形模量随围压增加后的增大率分别为23.28%和22.08%。

图6　不同围压与变形模量的关系

2.4不同阶段的黏聚力和内摩擦角

为计算得到初始屈服点、峰值点及残余阶段三个不同特征点含瓦斯水合物煤体的黏聚力与内摩擦角的值,分别绘制不同围压的摩尔应力圆求所需的强度参数,如图7所示。根据摩尔-库伦破坏理论中抗剪强度与破坏面上的法向应力σ间的线性关系:τf=c+σtanφ进而确定黏聚力c和内摩擦角φ的大小。

图7　瓦斯水合物煤体不同阶段的摩尔应力圆

从计算结果看,峰前强化时的黏聚力最小,为0.91 MPa,峰值处的黏聚力最大为1.81 MPa,残余阶段的黏聚力为1.18 MPa;煤样破坏前后黏聚力变化明显,降低幅度达到35%,而内摩擦角的变化不大。

2.5含瓦斯水合物煤体破坏形式

图8为不同围压下含瓦斯水合物圆柱形煤体的破坏模式。从图8中可以看出:当围压为4.0 MPa时,含瓦斯水合物煤体的破坏模式为沿着煤体环向破坏,如图8a所示。围压为5.0和6.0 MPa时,破坏模式呈单面剪切破坏，如图8b和8c所示。

图8　三轴压缩破坏形态

3　结　论

(1)含瓦斯水合物煤体的应力-应变曲线均为应变软化型。应力-应变全曲线分为四个阶段,分别为峰前线弹性阶段和强化段,以及峰后应力软化段和残余变形段。

(2)随着围压增加,峰值强度、残余强度和变形模量呈单调递增,符合Coulomb强度准则。

(3)不同特征点(初始屈服点、峰值点及残余阶段)含瓦斯水合物煤体的黏聚力相差较大,峰前强化时黏聚力最小,峰值处黏聚力最大,残余阶段黏聚力次之;而内摩擦角的变化较小。

(4)在围压为4.0、5.0和6.0 MPa下,含瓦斯水合物煤体的破坏模式分为两种,主要有较低围压下(4.0 MPa)的沿煤样径向破坏以及较高围压下(5.0和6.0 MPa)的单面剪切破坏。

[1]卢平,沈兆武,朱贵旺,等.含瓦斯煤的有效应力与力学变形破坏特性[J].中国科学技术大学学报,2001,31(6):686-693.

[2]吴强,朱福良,高霞,等.晶体类型对含瓦斯水合物煤体力学性质的影响[J].煤炭学报,2014,39(8):1492-1496.

[3]吴强,李成林,江传力.瓦斯水合物生成控制因素探讨[J].煤炭学报,2005,30(3):283-287.

[4]余义兵,宁伏龙,蒋国盛,等.纯水合物力学性质研究进展[J].力学进展,2012,42(3):347-356.

[5]SONG Y C,YU F,LI Y H,et al.Mechanical property of artificial methane hydrates under triaxial compression[J].Journal of Natural Gas Chemistry,2010,19(3):246-250.

[6]魏厚振,颜荣涛,陈盼,等.不同水合物含量含二氧化碳水合物砂三轴实验研究[J].岩土力学,2011,32(S2):198-203.

[7]YUN T S,SANTAMARINA J C.Mechanical properties of sand,silt,and clay containing tetrahydrofuran hydrate[J].Journal of Geophysical Research-Solid Earth,2007,112(B4):4106-4111.

[8]李洋辉,宋永臣,于峰,等.围压会含水合物沉积物力学特性的影响[J].石油勘探与开发,2011,38(5):637-640.

[9]HYODO M,NAKATA Y,YOSHIMOTO N,et al.Bonding strength by methane hydrate formed among sand particles[J].AIP Conf Proc,2009,1145(1):79-82.

[10]SLOAN E D,KOH C A.Clathrate hydrates of natural gases[M].3 th ed.New York:CRC Press’Taylor &Francis Group,2008:190-193.

[11]WAITE W F,WINTERS W J,MASON D H.Methane hydrate formation in partially water saturated Ottawa sand[J].American Mineralogist,2004,89(4):1202-1207.

[12]沈华章,王水林,刘泉声.模拟应变软化岩石三轴实验过程曲线[J].岩土力学,2014,35(6):1647-1653.

[13]苏承东,熊祖强,翟新献,等.三轴循环加卸载作用下煤样变形及强度特征分析[J].采矿与安全工程学报,2014,31(3):456-461.

(编辑徐岩)

Effect of confining pressure on stress-strain relationship of gas hydrate-bearing coal

ZHANG Baoyong1,2,GAO Cheng1,2,GAO Xia2,3,LIU Wenxin1,2,WU Qiang1,2,ZHANG Qiang1,2

(1.School of Safety Engineering,Heilongjiang University of Science &Technology,Harbin 150022,China;2.National Professional Center Lab of Safety Basic Research for Hydrocarbon Gas Pipeline Transportation Network,Harbin 150022,China;3.School of Architecture &Civil Engineering,Heilongjiang University of Science &Technology,Harbin 150022,China)

This paper is focused on a study based on the deeper realization that the mechanical behavior holds the key to coal and gas outburst prevention based on hydrate method.The study is directed at experiments on the briquette specimens prepared from outburst coal body and triaxial compression tests of gas hydrate bearing coal exposed to different confining pressure using the integrated apparatus for gas hydrate formation and triaxial compression.The experimental results demonstrate that,when exposed to three different confining pressures,the stress-strain curves exhibit the strain softening behavior;gas hydrate bearing coal has a major difference in cohesion when it comes to the initial yielding point,peak point and the residual stage,but shows no obvious variation in internal friction angle;gas hydrate bearing coal tends to have a linear increase in the initial yielding strength,peak strength,residual strength and the deformation modulus due to an increase in the confining pressure,pointing to the strengthening effect of the confining pressure on the mechanical properties of gas hydrate bearing coal.

coal and gas outburst;gas hydrate bearing coal;triaxial compression test;mechanical behavior;stress-strain relationship

2015-02-13

国家自然科学基金重点项目(51334005),国家自然科学基金项目(51104062,51174264,51274267,51404102)

张保勇(1982-),男,安徽省六安人,副教授,博士,研究方向:瓦斯水合物理论及应用,E-mail:zhangbaoyong2002@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.02.005

TD712

2095-7262(2015)02-0137-06

A