張保勇,高　橙,高　霞,劉文新,吳　強(qiáng),張　強(qiáng)

(1.黑龍江科技大學(xué) 安全工程學(xué)院,哈爾濱 150022;2.黑龍江科技大學(xué) 瓦斯等烴氣輸運(yùn)管網(wǎng)安全 基礎(chǔ)研究國家級專業(yè)中心實驗室,哈爾濱 150022;3.黑龍江科技大學(xué) 建筑工程學(xué)院,哈爾濱 150022)

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圍壓對含瓦斯水合物煤體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的影響

張保勇1,2,高橙1,2,高霞2,3,劉文新1,2,吳強(qiáng)1,2,張強(qiáng)1,2

(1.黑龍江科技大學(xué) 安全工程學(xué)院,哈爾濱 150022;2.黑龍江科技大學(xué) 瓦斯等烴氣輸運(yùn)管網(wǎng)安全 基礎(chǔ)研究國家級專業(yè)中心實驗室,哈爾濱 150022;3.黑龍江科技大學(xué) 建筑工程學(xué)院,哈爾濱 150022)

力學(xué)性質(zhì)是基于水合原理預(yù)防煤與瓦斯突出的核心問題之一。以具有突出傾向煤體制備的型煤為研究對象,利用自主研發(fā)的瓦斯水合物生成與三軸壓縮一體化裝置,開展了圍壓影響下含瓦斯水合物煤體三軸壓縮實驗。結(jié)果表明:三種圍壓下,應(yīng)力-應(yīng)變曲線均為軟化型;不同特征點(初始屈服點、峰值點及殘余階段)含瓦斯水合物煤體的黏聚力相差較大,而內(nèi)摩擦角的變化較小;含瓦斯水合物煤體的初始屈服強(qiáng)度、峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度和變形模量隨著圍壓的增加呈線性關(guān)系增加,圍壓對含瓦斯水合物煤體的力學(xué)性質(zhì)有所強(qiáng)化。

煤與瓦斯突出;含瓦斯水合物煤體;三軸壓縮實驗;力學(xué)性質(zhì);應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

0　引　言

煤與瓦斯突出是煤礦生產(chǎn)過程最為嚴(yán)重自然災(zāi)害之一,其發(fā)生主要取決于煤層所處的地應(yīng)力狀態(tài)、瓦斯壓力和煤巖物理力學(xué)特性[1]。吳強(qiáng)等[2]基于瓦斯水合物具有生成條件溫和、含氣率高、分解熱大等特性提出了煤層瓦斯固化防突技術(shù)。目前,有關(guān)煤體富含水合物狀態(tài)下力學(xué)性質(zhì)研究工作相關(guān)文獻(xiàn)報道較為有限[3],類似研究主要集中于含天然氣水合物沉積物力學(xué)性質(zhì)方面,其主要為了解決鉆井安全(如井壁失穩(wěn))、氣候環(huán)境變化導(dǎo)致的地質(zhì)災(zāi)害(如海底滑坡)以及水合物開采過程中的地層變形沉積等問題[4]。Song等[5]研究了不同圍壓下,不同高嶺土體積含量的含水合物沉積物的三軸壓縮力學(xué)特性;魏厚振等[6]研究了常規(guī)三軸作用下含天然氣水合物沉積物變形和強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)隨飽和度和圍壓的變化規(guī)律;Yun等[7]研究了含不同飽和度四氫呋喃水合物的砂土、黏土和粉土的強(qiáng)度;李洋輝等[8]研究發(fā)現(xiàn)圍壓的提高引起了CH4水合物正割模量的先增大后減小的趨勢,在高圍壓下尤為顯著;Hyodo等[9]合成了不同CH4水合物飽和度的砂樣,在不同溫度、周圍壓力、后端壓力條件下開展力學(xué)實驗。綜合以上研究發(fā)現(xiàn),圍壓是影響水合物沉積物力學(xué)特性的一個重要因素,這些研究工作有助于深入認(rèn)識含水合物介質(zhì)的力學(xué)特性與破壞機(jī)制。

筆者利用自主研發(fā)的集低溫高壓水合固化反應(yīng)和三軸壓縮作用于一體的原位實驗裝置,探討圍壓對含瓦斯水合物煤體力學(xué)性質(zhì)影響。

1　實驗裝置與方法

1.1實驗材料

將采回的煤樣破碎后篩分出0.18～0.28 mm煤粉220 g,加入飽和度80%所需水量26.05 g充分?jǐn)嚢?。采用氣體過飽和法合成瓦斯水合物,從而以注水量控制含瓦斯水合物煤體的飽和度。按照國際巖石力學(xué)學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)制作φ50 mm×100 mm的圓柱體型煤試件,兩端面不平行度不超過0.5 mm。型煤試樣孔隙結(jié)構(gòu)特征采用美國康塔PoreMaster33型壓汞儀進(jìn)行測試,實驗中汞的表面張力取0.480 N/m,汞與煤接觸角取140°,實驗進(jìn)汞壓力范圍為0.14～231 MPa,相應(yīng)孔徑D范圍為0.007～1 000 μm。經(jīng)壓汞儀測得孔容vP為0.189 2 ml/g。

實驗所用甲烷氣體純度為99.99%,由哈爾濱黎明氣體有限公司提供;蒸餾水自制。

1.2實驗裝置

水合固化反應(yīng)和三軸壓縮一體化原位測試裝置如圖1所示。裝置主要包括水合固化-荷載高壓釜、三軸壓縮荷載系統(tǒng)、恒溫控制箱、氣體增壓系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。核心部分為水合固化-荷載高壓反應(yīng)釜,煤樣即安裝在水合固化-荷載高壓釜內(nèi),反應(yīng)釜可承受最大圍壓30 MPa、最大軸壓50 MPa、釜內(nèi)承壓16 MPa,可對樣品進(jìn)行兩端同時供氣,滿足氣體平穩(wěn)供應(yīng);恒溫控制箱控溫范圍-10～60 ℃,溫度波動度<±0.5 ℃。

圖1　含瓦斯水合物煤體力學(xué)性質(zhì)原位測試裝置

1.3水合物生成與飽和度控制

圖2為甲烷水合物三相相平衡曲線[11]。為了確保甲烷水合物在煤體中生成,通過Sloan相平衡軟件進(jìn)行理論計算,得出甲烷水合物生成的相平衡條件為溫度0.55 ℃,壓力2.77 MPa[10],如圖2中點(Te,pe)所示。

圖2　甲烷水合物三相相平衡曲線(水合物相-液相-氣相)

實驗中控制煤樣孔隙中CH4氣體壓力為4.0 MPa,溫度0.5 ℃,如圖2中點(Tf,pf)所示。該溫壓條件為CH4水合物生成相平衡的穩(wěn)定區(qū)域,可生成CH4水合物。

對于甲烷氣體,其水合過程可由化學(xué)方程式控制:

(1)

基于水完全參加反應(yīng)的假設(shè),本組實驗設(shè)定80%的飽和度條件。結(jié)合1.1煤樣壓汞測試數(shù)據(jù),可以計算出不同飽和度狀態(tài)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為試樣型煤質(zhì)量220 g,孔容vP為 0.189 2 ml/g,mH為水合物質(zhì)量,mw為達(dá)到目標(biāo)飽和度所需水的質(zhì)量;因甲烷水合物為Ⅰ型水合物,其密度為ρH=0.91 g/cm3。據(jù)此,計算出生成目標(biāo)飽和度為80%的含瓦斯水合物煤體需水量為26.05 g。

1.4實驗方案

為系統(tǒng)探討圍壓對含瓦斯水合物煤體力學(xué)性質(zhì)的影響,設(shè)定4.0、5.0和6.0 MPa三種圍壓條件,瓦斯壓力為4.0 MPa。含瓦斯水合物煤體的三軸壓縮實驗示意如圖3所示,煤體受到圍壓和瓦斯壓力、軸壓的共同作用。

圖3　含瓦斯水合物煤體室內(nèi)三軸實驗

實驗過程主要包括煤體中瓦斯水合物生成實驗和含瓦斯水合物煤體三軸壓縮實驗。具體步驟如下:

(1)將制作好的型煤試件置于壓力室中,緩慢加載圍壓至0.5 MPa,通過進(jìn)氣管路通入0.3 MPa氣體壓力,排空;反復(fù)3次,以排掉試樣和管線里的空氣。

(2)將圍壓升到4.5 MPa,孔隙氣壓升到4.0 MPa,保持24 h,使氣體充分溶解在溶液中。

(3)恒溫箱溫度設(shè)定為0.5 ℃,進(jìn)行水合反應(yīng),反應(yīng)過程中壓力下降0.1 MPa即對孔隙壓力進(jìn)行補(bǔ)氣,使其保持在4.0 MPa,最后當(dāng)氣體壓力連續(xù)6 h不再下降時,認(rèn)為水合物完全生成。試樣中瓦斯水合物完全生成后,開始進(jìn)行三軸壓縮實驗,先加圍壓至4.0 MPa,保持釜內(nèi)瓦斯壓力不變,然后施加軸壓直至應(yīng)變達(dá)到15%,實驗終止。

(4)根據(jù)采集數(shù)據(jù)分析圍壓對含瓦斯水合物煤體的屈服強(qiáng)度、峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度、變形模量的影響,并且計算應(yīng)力-應(yīng)變曲線不同階段的黏聚力和內(nèi)摩擦角。

(5)改變圍壓的大小,重復(fù)以上實驗過程,進(jìn)行下一組含瓦斯水合物煤體三軸壓縮實驗。

2　結(jié)果與討論

2.1應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

三個試樣得到的含瓦斯水合物煤體在圍壓4.0、5.0和6.0 MPa下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示,圖4中可以看出:三種圍壓下,應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈應(yīng)變軟化型,含瓦斯水合物煤樣峰后應(yīng)力發(fā)生脆性跌落;參考巖石的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程曲線[12],將實驗曲線分為峰前段和峰后段,峰前段又分為線彈性段與強(qiáng)化段,峰值強(qiáng)度之前曲線斜率變化明顯的應(yīng)力點取為初始屈服點,出現(xiàn)強(qiáng)化處;隨著圍壓升高,含水合物煤體的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度均有明顯增大。

圖4　含瓦斯水合物煤體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

進(jìn)一步分析應(yīng)力-應(yīng)變曲線,將全曲線分為以下四個階段:

(1)線彈性O(shè)A段(曲線開始到初始屈服點):軸向應(yīng)變在0～3%之間,隨著軸向應(yīng)變的增加,所對應(yīng)的偏應(yīng)力差呈線性迅速增加。變形模量隨著軸向應(yīng)變的增加而線性增加。

(2)強(qiáng)化段AB段(初始屈服點到峰值點):試樣經(jīng)過彈性階段,在峰值強(qiáng)度點之前,偏應(yīng)力差隨著軸向應(yīng)變的增加而增長緩慢,應(yīng)力--應(yīng)變曲線的斜率不斷減小。

(3)應(yīng)變軟化段BC:在峰值強(qiáng)度點之后,應(yīng)力-應(yīng)變曲線為負(fù)斜率,在應(yīng)變軟化過程中,強(qiáng)度參數(shù)由峰值逐漸下降到殘余值,發(fā)生脆性跌落。主應(yīng)力差隨著應(yīng)變的增大開始降低,但降低幅度緩慢。

(4)殘余變形段C點后:該階段偏應(yīng)力差隨著應(yīng)變增大基本保持不變。

2.2圍壓對含瓦斯水合物煤體強(qiáng)度的影響

對不同圍壓下應(yīng)力-應(yīng)變曲線上的特征點分析,可得到含瓦斯水合物煤體的初始屈服強(qiáng)度、峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度和變形模量,表1為含瓦斯水合物煤體應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)糖€的特征參數(shù)。圖5分別為圍壓與初始屈服強(qiáng)度、峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度的關(guān)系。

表1　應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)糖€特征參數(shù)

圖5　含瓦斯水合物煤體不同圍壓與各強(qiáng)度的關(guān)系

從圖5a中可以看出,含瓦斯突出煤體在圍壓為4.0、5.0和6.0 MPa時,所對應(yīng)的起始屈服強(qiáng)度分別為6.12、7.80和12.55 MPa;其初始屈服強(qiáng)度隨圍壓增加后的增大率分別為27.45%和60.90%。從圖5b可以看出,圍壓為4.0、5.0和6.0 MPa時,所對應(yīng)的峰值強(qiáng)度分別為9.51、10.63和13.94 MPa,其峰值強(qiáng)度隨圍壓增加后的增大率分別為11.78%和31.14%;與峰值強(qiáng)度相對應(yīng)的軸向應(yīng)變分別為3.45%、3.65%和3.79%,可見對于不同的圍壓,當(dāng)試樣達(dá)到峰值強(qiáng)度時,其軸向應(yīng)變趨于相同。圖5c為不同圍壓與殘余強(qiáng)度的關(guān)系,圍壓為4.0、5.0和6.0 MPa時所對應(yīng)的殘余強(qiáng)度分別為6.5、9.3和11.1 MPa,其殘余強(qiáng)度隨圍壓增加后的平均增大率分別為43.08%和19.35%。

對含瓦斯水合物煤樣進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),在一定飽和度下,含瓦斯水合物煤樣的初始屈服強(qiáng)度、峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度均隨著圍壓的增加而增大。

隨著圍壓增加,初始屈服強(qiáng)度、峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度明顯增大。強(qiáng)度的增加主要源于含瓦斯水合物煤體承載能力增加,圍壓的提高增加了滑移阻力,從而使得煤樣強(qiáng)度得以提高[13]。

2.3圍壓對含瓦斯水合物煤體變形模量的影響

目前因缺少相關(guān)的含瓦斯水合物煤體力學(xué)特性的力學(xué)檢測標(biāo)準(zhǔn),文中取偏應(yīng)力達(dá)到50%峰值強(qiáng)度σ1p時對應(yīng)的割線模量E50為變形模量,如圖6所示。從圖6可以看出,變形模量隨著圍壓的增加而增加。當(dāng)圍壓為4.0、5.0和6.0 MPa時所對應(yīng)的變形模量分別為315.23、388.60和474.41 MPa,其變形模量隨圍壓增加后的增大率分別為23.28%和22.08%。

圖6　不同圍壓與變形模量的關(guān)系

2.4不同階段的黏聚力和內(nèi)摩擦角

為計算得到初始屈服點、峰值點及殘余階段三個不同特征點含瓦斯水合物煤體的黏聚力與內(nèi)摩擦角的值,分別繪制不同圍壓的摩爾應(yīng)力圓求所需的強(qiáng)度參數(shù),如圖7所示。根據(jù)摩爾-庫倫破壞理論中抗剪強(qiáng)度與破壞面上的法向應(yīng)力σ間的線性關(guān)系:τf=c+σtanφ進(jìn)而確定黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ的大小。

圖7　瓦斯水合物煤體不同階段的摩爾應(yīng)力圓

從計算結(jié)果看,峰前強(qiáng)化時的黏聚力最小,為0.91 MPa,峰值處的黏聚力最大為1.81 MPa,殘余階段的黏聚力為1.18 MPa;煤樣破壞前后黏聚力變化明顯,降低幅度達(dá)到35%,而內(nèi)摩擦角的變化不大。

2.5含瓦斯水合物煤體破壞形式

圖8為不同圍壓下含瓦斯水合物圓柱形煤體的破壞模式。從圖8中可以看出:當(dāng)圍壓為4.0 MPa時,含瓦斯水合物煤體的破壞模式為沿著煤體環(huán)向破壞,如圖8a所示。圍壓為5.0和6.0 MPa時,破壞模式呈單面剪切破壞，如圖8b和8c所示。

圖8　三軸壓縮破壞形態(tài)

3　結(jié)　論

(1)含瓦斯水合物煤體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均為應(yīng)變軟化型。應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€分為四個階段,分別為峰前線彈性階段和強(qiáng)化段,以及峰后應(yīng)力軟化段和殘余變形段。

(2)隨著圍壓增加,峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度和變形模量呈單調(diào)遞增,符合Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則。

(3)不同特征點(初始屈服點、峰值點及殘余階段)含瓦斯水合物煤體的黏聚力相差較大,峰前強(qiáng)化時黏聚力最小,峰值處黏聚力最大,殘余階段黏聚力次之;而內(nèi)摩擦角的變化較小。

(4)在圍壓為4.0、5.0和6.0 MPa下,含瓦斯水合物煤體的破壞模式分為兩種,主要有較低圍壓下(4.0 MPa)的沿煤樣徑向破壞以及較高圍壓下(5.0和6.0 MPa)的單面剪切破壞。

[1]盧平,沈兆武,朱貴旺,等.含瓦斯煤的有效應(yīng)力與力學(xué)變形破壞特性[J].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報,2001,31(6):686-693.

[2]吳強(qiáng),朱福良,高霞,等.晶體類型對含瓦斯水合物煤體力學(xué)性質(zhì)的影響[J].煤炭學(xué)報,2014,39(8):1492-1496.

[3]吳強(qiáng),李成林,江傳力.瓦斯水合物生成控制因素探討[J].煤炭學(xué)報,2005,30(3):283-287.

[4]余義兵,寧伏龍,蔣國盛,等.純水合物力學(xué)性質(zhì)研究進(jìn)展[J].力學(xué)進(jìn)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,顏榮濤,陳盼,等.不同水合物含量含二氧化碳水合物砂三軸實驗研究[J].巖土力學(xué),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]李洋輝,宋永臣,于峰,等.圍壓會含水合物沉積物力學(xué)特性的影響[J].石油勘探與開發(fā),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]沈華章,王水林,劉泉聲.模擬應(yīng)變軟化巖石三軸實驗過程曲線[J].巖土力學(xué),2014,35(6):1647-1653.

[13]蘇承東,熊祖強(qiáng),翟新獻(xiàn),等.三軸循環(huán)加卸載作用下煤樣變形及強(qiáng)度特征分析[J].采礦與安全工程學(xué)報,2014,31(3):456-461.

(編輯徐巖)

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

國家自然科學(xué)基金重點項目(51334005),國家自然科學(xué)基金項目(51104062,51174264,51274267,51404102)

張保勇(1982-),男,安徽省六安人,副教授,博士,研究方向:瓦斯水合物理論及應(yīng)用,E-mail:zhangbaoyong2002@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.02.005

TD712

2095-7262(2015)02-0137-06

A