不同围压下含瓦斯气体及水合物煤体的力学性质

吴　强，　刘文新 ，　高　霞，　高　橙

(1.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；2.黑龙江科技大学 安全工程学院， 哈尔滨 150022； 3.黑龙江科技大学 建筑工程学院， 哈尔滨 150022)



不同围压下含瓦斯气体及水合物煤体的力学性质

吴强1,2，刘文新1,2，高霞3，高橙1,2

(1.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；2.黑龙江科技大学 安全工程学院， 哈尔滨 150022； 3.黑龙江科技大学 建筑工程学院， 哈尔滨 150022)

为研究围压对含瓦斯气体及水合物煤体的力学影响，取龙煤集团桃山矿务局井下600 m突出煤层的型煤，利用水合固化反应与三轴压缩一体化实验装置，对含瓦斯气体及水合物型煤进行常规三轴压缩实验,研究不同围压下两种煤样的力学性质。结果表明：随着围压增加，两种煤样的应力-应变关系有从软化型向硬化型转化趋势，水合物的生成加大了这种趋势，提升了煤样的黏聚力，对内摩擦角影响不大；瓦斯压力不变时，突出煤体试样的抗压强度、峰值强度和变形模量都随着围压的增加呈线性增加的关系；随围压增大煤样破坏面从径向偏向轴向，破裂角逐渐变大。

瓦斯水合物； 含水合物煤体； 三轴压缩； 力学性质

0　引　言

煤与瓦斯突出是由于地应力、瓦斯压力和煤的物理力学性质综合作用的结果，能够在极短时间内使煤体突出、瓦斯大量涌出，其巨大的动力效应严重威胁煤矿安全生产[1-2]。运用瓦斯水合固化技术[3-5]来预防和治理煤与瓦斯突出是一种前景可观的新思路，吴强等利用瓦斯进行水合物固化实验，研究煤矿瓦斯水合固化规律，确定典型煤体中瓦斯水合固化相平衡参数。Hyodo等[6]在砂样中生成甲烷水合物并进行了相关的三轴压缩实验，研究发现砂样强度随着温度的降低、周围压力和饱和度的提高而增大，在合成与分解过程中，通过提高围压可以增强含水合物沉积物的强度。李令东等[7]采用两种制样方法制取试样进行三轴力学实验，发现影响试样力学特性的主要因素是基质性质，而骨架颗粒受水合物胶结作用的影响较小。苏承东等[8]对煤样进行常规三轴和三轴卸围压实验，实验表明三轴压缩条件下煤样的峰值强度、残余强度与围压成正比。张旭辉等[9]对多种不同水合物沉积物进行三轴剪切实验，分析并比较其强度特征和力学性质变化。尹光志等[10]研究有效围压为零条件下瓦斯对煤样力学性质和力学响应的影响规律。李洋辉等[11]在不同围压条件下对不同高岭土体积含量的含水合物沉积物进行三轴压缩实验，明确了含水合物沉积物的力学性质。

上述研究可见，围压的变化对含水合物沉积物的力学特性有着很大的影响，笔者利用自主设计的瓦斯水合固化高压反应和三轴压缩原位测试一体装置，通过对比实验研究，讨论在不同围压下含瓦斯水合物煤体与含瓦斯煤体的力学特性。

1　实验装置与方法

1.1实验装置

型煤与含水合物型煤三轴力学实验，在黑龙江科技大学国家重点实验室自主设计的水合固化与三轴压缩力学综合实验系统上进行，测试装置见图1。该系统配有水合固化-高压荷载反应釜，能够在釜内提供水合物生成所需环境(高压低温)，保证力学实验进行的同时水合物相的稳定；配备气源缓冲瓶，确保气体流动平稳；系统可承受最大围压30 MPa，轴压50 MPa，轴压位移测量精度为0.1 mm，温度波动控制小于0.5 ℃。

1.2实验材料

采用原煤煤粉压制型煤进行力学实验，原煤均取自龙煤集团桃山矿井井下600 m煤层，该煤层曾发生过瓦斯突出事故，煤质的抗压强度，坚固性系数低于非突出煤[12]。水合物饱和度控制在60%左右，将筛选出的178～250 μm煤粉与蒸馏水按一定比例混合，按成型压力97 kN，控制压机用100 N/s速率加载，达到预定压力后保持30 min，在压力成型装置中压制成φ50×100 mm的圆柱试样；样品制成后对型煤进行称重，测量高度、直径以及对粒径分布进行多次压汞测试，实验中汞的表面张力取0.480 N/m，汞与煤接触角取140°，实验进汞压力为0.14～240.00 MPa，相应孔径为0.007 0～1 000.000 0 μm。可测得试样的平均孔容Vp为0.145 3 mL/g；实验用水由不锈钢电热蒸馏水器自行制备，气体为99.99%的纯甲烷，由哈尔滨黎明气体有限公司提供。煤样样品参数见表1。

1.3实验步骤

实验分为两个部分，即含瓦斯水合物煤体三轴压缩力学实验和含瓦斯煤体三轴压缩力学实验。方案[13]中围压设定为三个等级(5、6和7 MPa)。型煤试样在含瓦斯条件下和含瓦斯水合物条件下分别进行三轴压缩力学实验。

(1)将型煤试件置于反应釜中，加载0.5 MPa围压，向系统管线中打入0.1 MPa甲烷气体，打气、放气三次，排出空气。

(2)在保持围压始终大于空隙压力的条件下，将围压、孔隙压力分别升到4.5、4.0 MPa，持续12 h，以确定瓦斯气体充分渗入样品中。设定系统反应温度为0.5 ℃，并保持孔隙压力在4.0 MPa，当系统压力不再变化且压力不变时间持续48 h，认为水合物完全生成。

(3)将围压增加至目标值，釜内瓦斯压力不变，慢慢施加轴压直至试件应变达到15%，实验终止；采集数据并分析围压对含瓦斯水合物煤体力学性质的影响。

(4)在不同的围压条件下，重复实验，以及含瓦斯水合物煤体三轴压缩的对比实验。

2　结果与分析

2.1含瓦斯水合物煤体应力-应变特征

试样的孔隙压力控制为4 MPa,在5、6、7 MPa三个围压条件下进行三轴压缩实验，应力-应变曲线如图2所示。应力-应变关系中有明显峰值的取峰值点强度，没有峰值的取应变15%时对应的应力值为峰值强度；选取变形模量E50为试样的平均刚度。

图2中可以看到，含瓦斯水合物煤体在比较低的围压条件下(5、6 MPa)呈现出一定的软化性，而围压比较高的时候(7 MPa)，试样开始出现应变硬化的状态，随围压的增大，峰值强度随之增大。三轴压缩实验中，瓦斯水合物的强度，颗粒间的摩擦力，及在围压和空隙压力下颗粒间的相互作用力共同决定了试样的强度。

图2　含瓦斯水合物煤体应力-应变关系

低围压时，应力应变曲线可分为三个阶段。屈服阶段：从应变开始到峰值点阶段，随着偏应力的增大，试样的轴向应变呈线性迅速增加，在接近峰值点处增加幅度开始变缓，曲线的斜率表现为先大后小的变化规律。此阶段煤样的强度能够抵抗轴向应力的压缩，煤粉颗粒处在压实状态，并在瓦斯水合物的胶黏和填充作用下试样变得更加致密，轴向应力相对于轴向应变迅速上升，直至达到试样的承受极限。软化阶段：在峰值强度过后的阶段，应变继续增大但主应力差开始降低，曲线的斜率转变为负值。此阶段试样内部出现裂隙，主要由裂隙间摩擦力抵抗轴向应力，试样的抵抗能力变小。残余阶段：此阶段煤体强度不能抵抗应变，裂隙间摩擦力基本保持不变，主应力差不在随着轴向应变发生变化。

在较高围压时，围压会诱导试样的应力应变曲线呈现硬化趋势，在压缩过程中，样品在受到外力后会产生裂隙，高围压抑制了裂隙的继续发育，使煤粉颗粒之间的摩擦力及咬合力增强，增大其致密程度，从而提高了试样的强度。在以上三个阶段中峰值强度和残余强度对围压都很敏感。

2.2含瓦斯煤体应力-应变特征

整体而言，含瓦斯煤体应力应变曲线在屈服阶段随应变增加轴向应力迅速增加，增加幅度按围压从大到小依次减小；当围压5、6 MPa时曲线在应变为5%附近达到转折点，随后曲线基本保持水平不变；围压7 MPa时，曲线在应变为6%附近达到转折点，可见围压的增大会提高煤体试样对轴向应力的抵抗能力，提升煤体强度。5、6 MPa时的应力-应变关系呈现软化性，当围压升高到7 MPa时，试样开始表现出一些硬化性的趋势。

从图2、3中能够看出，随着围压的增大，试样的应力-应变关系类型从软化性向硬化性转化，而水合物的生成使得这种变化更加明显。

图3　含瓦斯煤体应力-应变关系

2.3两种煤体特性对比

通过对比图2和图3可以发现，相同条件下，由于瓦斯水合物的存在，煤体的强度明显增加；在变形阶段，应变量的增量相同时，含瓦斯水合物煤体的应力增加速率明显大于含瓦斯煤体。

由图4可见，含瓦斯煤体在生成水合物后与未生成水合物前相比，内摩擦角变化不大，但是黏聚力得到大幅提升，随着水合物的生成，煤体的强度增大。且含瓦斯水合物煤体的破坏强度明显高于含瓦斯煤体。

a　含瓦斯水合物煤体

b　含瓦斯煤体

研究中采用Mohr-Coulomb公式定律计算试样煤体的强度指标。

强度包络线为：

τ=c+σtanφ，

(1)

式中:τ——剪切强度，MPa；

σ——法向应力，MPa；

φ——内摩擦角，(°)；

c——黏聚力，MPa。

将式(1)转换为主应力空间的表达式：

(2)

式中：σ1——最大主应力，MPa；

σ3——最小主应力，MPa。

可以看到，当孔隙压力不变的情况下，煤体的力学性质随围压pc的增加得到强化和改善，突出煤体试样的抗压强度、峰值强度和变形模量都呈线性增加的关系。

图5为三轴压缩实验中两种试样的变形模量E50随围压变化的关系。在围压不变的情况下，含瓦斯水合物煤体的E50明显高于含瓦斯煤体，说明含瓦斯水合物煤体抵抗变形的能力要比含瓦斯煤体更高。含瓦斯水合物煤体的E50均随着围压的变化不是特别明显，只有略微提高，基本呈线性变化。含瓦斯煤体的E50在围压为5、6 MPa时，有微小的提升，在围压达到 7 MPa时,上升幅度稍大，曲线整体呈现先缓后扬的趋势。可以看出围压的增大会提升试样的刚度。

图5　不同围压与变形模量的关系

图6为不同围压下含瓦斯水合物煤体及含瓦斯煤体破坏偏应力qf的变化。煤体的破坏强度均随着围压的增加而增加，但含瓦斯水合物煤体的破坏强度增长速率略低于含瓦斯煤体。

图6　不同围压下两种试样破坏偏应力曲线

2.4煤体破坏形式

图7为不同围压下煤体试样破坏状态，可以看到，它们的共性，按围压从低到高顺序排列，两种煤体的破坏形式从径向破碎逐渐趋近单面剪切破坏。围压为5 MPa时，煤体的破坏多呈剪切破坏与劈裂破坏共存，可以看到环向的破碎; 随着围压升高(6、7 MPa)，试样的主断面方向开始向纵向倾斜，出现单面剪切破坏，试样的破裂角逐渐增大，可见围压与断面倾角正相关。在围压的作用下，试样受到径向的施力，颗粒间变的更加紧致，对径向剪切力的抵抗能力提高，使得大断面的出现趋向于轴向方向。说明围压的增强对试样破坏形式的影响是一致的。

a　含瓦斯煤体

b　含瓦斯水合物煤体

3　结　论

(1)随着围压的增大，试样的应力-应变关系类型从软化性向硬化性转化，而水合物的生成使得这种变化更加明显。

(2)在试样的瓦斯压力不变时，煤体的力学性质随围压的增加得到强化，突出煤体试样的抗压强度、峰值强度和变形模量都呈线性增加的关系。

(3)随着围压的增强，试样的破坏模式从径向破碎向单面剪切破坏过渡。围压较低时环向破碎为主，围压较高时大倾角的单面剪切破坏居多。

[1]于不凡. 煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册[M]. 修订版.北京: 煤炭工业出版社, 2005.

[2]付建华, 程远平. 中国煤矿煤与瓦斯突出现状及防治对策[J]. 采矿与安全工程学报, 2007, 24(3): 253-259.

[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]吴强. 煤矿瓦斯水合化分离试验研究进展[J]. 煤炭科学技术, 2014, 42(6): 81-85.

[5]吴强, 朱福良， 高霞. 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.

[6]HYODO M, NAKATA Y, YOSHIMOTO N, et al. Bonding strength by methane hydrate formed among sand particles[C]//Powders and Grains 2009, Proceedings of the 6 International Conference on Micromechanies of Granular Media.Golden: American Institute of Physics, 2009: 79-82.

[7]李令东, 程远方, 孙晓杰, 等.水合物沉积物试验岩样制备及力学性质研究[J]. 中国石油大学学报: 自然科学版, 2012, 36(4): 97-101.

[8]苏承东, 熊祖强, 瞿新献, 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.

[9]张旭辉, 王淑云, 李清平, 等. 天然气水合物沉积物力学性质的试验研究[J]. 岩土力学, 2010, 31(10): 3069-3074.

[10]尹光志, 王振, 张东明. 有效围压为零条件下瓦斯对煤体力学性质影响的实验[J]. 重庆大学学报, 2010, 33(11): 129-133.

[11]李洋辉, 宋永臣, 于峰, 等. 围压对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.

[12]熊阳涛, 黄滚, 罗甲渊, 等. 煤与瓦斯突出能量耗散理论分析与试验研究[J]. 岩石力学与工程学报， 2015, 34(S2): 3694-3702.

[13]张保勇, 高橙, 高霞, 等. 围压对含瓦斯水合物煤体应力应变关系的影响[J]. 黑龙江科技大学学报, 2015, 25(2): 137-142.

(编辑徐岩)

Study on mechanical properties of gas and hydrate bearing coal under different confining pressures

WUQiang1,2,LIUWenxin1,2,GAOXia3,GAOCheng1,2

(1.National Central Laboratory of Hydrocarbon Gas Transportation Pipeline Safety, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China; 2.School of Safety Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China; 3.School of Civil Engineering,Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This paper is devoted to investigating the mechanical properties of gas and hydrate bearing coal under different confining pressures. The investigation draws on a series of conventional triaxial compression experiments on the gas and hydrate bearing coal obtained from -600 m outburst coal seam in Taoshan coal mine of Heilongjiang Longmay Mining Holdings Refco Group Ltd using the self-developed integrated apparatus for gashydrate formation and triaxial compression. The results show that an increase in confining pressure results in a tendency of converting from softening type to sclerotic type in the stress-strain curves of two kinds of coal samples, and the formation of hydrate not only strengthens this trend, but also enhances the cohesion of the coal samples, but without any effect on the internal friction angles; the constant gas pressure provides a linear increase in the compressive strength, the peak strength and deformation modulus of the outburst coal samples due to an increase in confining pressures; and an increase in confining pressures tends to change the failure surface of coal samples from radial direction to an axial one, contributing to a gradually larger rupture angle.

gas hydrate; gas hydrate-bearing coal; mechanical behavior; triaxial compression test

2016-02-01

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

吴强(1959-)，男，山东省临沭人，教授，博士生导师，研究方向：安全科学与工程，E-mail:wq0160@sina.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.02.001

TD712

2095-7262(2016)02-0117-05

A