康　宇

(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)研究實(shí)驗(yàn)室， 哈爾濱 150022)

?

低飽和度含瓦斯水合物突出煤體三軸壓縮實(shí)驗(yàn)研究

康宇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)研究實(shí)驗(yàn)室， 哈爾濱 150022)

為探索防治煤與瓦斯突出的有效途徑，利用自主研制的含瓦斯水合固化-三軸力學(xué)壓縮一體化裝置，開展低飽和度含瓦斯水合物突出煤體三軸壓縮實(shí)驗(yàn)，研究不同圍壓下低飽和度含瓦斯水合物突出煤體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。結(jié)果表明：不同圍壓下，低飽和度含瓦斯水合物突出煤體應(yīng)力-應(yīng)變曲線為軟化型，其峰值強(qiáng)度隨圍壓增加而增加；通過(guò)摩爾庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則，計(jì)算低飽和度含瓦斯水合物突出煤體黏聚力和內(nèi)摩擦角。兩者均低于高飽和度條件該參數(shù)數(shù)值，可見(jiàn)飽和度對(duì)含瓦斯水合物突出煤體強(qiáng)度影響較大。

瓦斯水合物； 圍壓； 低飽和度； 三軸壓縮

0　引　言

煤與瓦斯突出是煤礦主要災(zāi)害，因其具有極大危害性、較強(qiáng)突發(fā)性以及復(fù)雜的發(fā)生機(jī)理，不易預(yù)測(cè)和防治，制約煤礦的安全生產(chǎn)。目前，較普遍觀點(diǎn)認(rèn)為，降低瓦斯壓力，減少、延緩?fù)咚辜杏砍鲆约疤岣呙簬r體力學(xué)性質(zhì)，是防治煤與瓦斯突出的有效途徑。吳強(qiáng)等[1-5]提出利用瓦斯水合原理防治煤與瓦斯突出，開辟了煤與瓦斯突出防治的新途徑。

煤與瓦斯突出是能量集中釋放、煤巖體破壞的過(guò)程，其發(fā)生是受煤巖體強(qiáng)度、瓦斯壓力以及地應(yīng)力的影響。因此，研究煤體中瓦斯水合固化前后煤巖體強(qiáng)度變化規(guī)律，是應(yīng)用水合原理防治煤與瓦斯突出的關(guān)鍵，其性質(zhì)主要受水合物飽和度、晶體類型以及圍壓等影響較大。鑒于以上分析，筆者參照含水合物多孔介質(zhì)力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究經(jīng)驗(yàn)，利用突出煤層原煤制取型煤，依據(jù)自主研制的含瓦斯水合固化-三軸壓縮力學(xué)性能測(cè)試于一體的實(shí)驗(yàn)裝置，開展低飽和度含瓦斯水合物突出煤體三軸壓縮強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)研究，探討低飽和度含瓦斯水合物突出煤體強(qiáng)度變化規(guī)律。

1　實(shí)　驗(yàn)

1.1試件制取

實(shí)驗(yàn)選用龍煤集團(tuán)雙鴨山礦業(yè)公司七星煤礦12#煤層原煤，該煤層發(fā)生過(guò)煤與瓦斯突出。為避免個(gè)體差異使實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶有偶然性，將原煤制作成型煤試件。制備過(guò)程采用國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，將原煤粉碎后篩分出粒徑為180～250 μm煤粉220 g，同時(shí)注入定量純凈水?dāng)嚢?，壓制成直徑?0 mm、高度100 mm的圓柱體，兩端面不平行度不超過(guò)0.5 mm。通過(guò)水量控制保證瓦斯水合物形成后其飽和度達(dá)到40%。以氣體過(guò)飽和法合成水合物。采用美國(guó)康塔PoreMaster33型壓汞儀進(jìn)行型煤試樣孔隙結(jié)構(gòu)特征測(cè)試，表面張力取0.480 N/m，汞與煤接觸角為140°，進(jìn)汞壓力范圍0.14～231.00 MPa，相應(yīng)孔徑范圍D0.007 0～1 000.000 0 μm，最后測(cè)得孔容μp為0.189 2 mL/g。合成水合物所用甲烷由哈爾濱黎明氣體有限公司提供，純度達(dá)到99.99%，實(shí)驗(yàn)用蒸餾水自制。

1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)在自主研發(fā)的集瓦斯水合固化和三軸壓縮原位測(cè)試一體化設(shè)備中進(jìn)行，如圖1所示。該設(shè)備主要由承載試件的水合固化-載荷高壓釜、三軸壓縮加載系統(tǒng)、氣體增壓系統(tǒng)、恒溫箱以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。

圖1　含瓦斯水合物突出煤體強(qiáng)度測(cè)試裝置

Fig. 1Experimental apparatus for tri-axial test for gas hydrate-bearing coal

1.3水合物生成及其飽和度控制

根據(jù)水合物三相相平衡曲線，應(yīng)用Sloan相平衡軟件進(jìn)行理論計(jì)算，得出瓦斯水合物生成的相平衡條件為：溫度t0.55 ℃，壓力p2.77 MPa。實(shí)驗(yàn)中，煤樣孔隙中CH4壓力4.0 MPa，溫度控制在0.5 ℃，該條件為CH4水合物生成相平衡的穩(wěn)定區(qū)域，易于生成水合物。

水合物飽和度φ是生成的水合物體積與試件孔隙體積之比，本組實(shí)驗(yàn)設(shè)定40%水合物飽和度條件。假設(shè)注入水量即為參與反應(yīng)水量，同時(shí)，考慮到1 m3瓦斯水合物需要消耗0.8 m3淡水，結(jié)合煤樣壓汞測(cè)試數(shù)據(jù)，可計(jì)算形成不同飽和度含瓦斯水合物突出煤體所需初始注水量m。煤樣編號(hào)及參數(shù)見(jiàn)表1。

表1七星礦型煤煤樣參數(shù)

Table 1Experimental parameters for coal sample from Qixing coal mine

煤樣編號(hào)σ3/MPa?/mmh/mmm/gSH/%1-14.0501011-25.0501011-36.05010015.6240

1.4實(shí)驗(yàn)方案及步驟

實(shí)驗(yàn)過(guò)程采用常規(guī)三軸實(shí)驗(yàn)方法，先固定圍壓后加載軸壓。為了探討低飽和度含瓦斯水合物突出煤體強(qiáng)度特征，采用瓦斯壓力4.0 MPa，圍壓分別為4.0、5.0、6.0 MPa三種條件。內(nèi)容包括瓦斯水合物生成和含瓦斯水合物煤體三軸壓縮實(shí)驗(yàn)兩部分。具體步驟如下：

(1)將型煤放置釜內(nèi)后，平緩加載圍壓至0.5 MPa，通入0.3 MPa氣體壓力后排空，反復(fù)多次操作以排除試件和管線內(nèi)空氣。

(2)圍壓升至4.0 MPa，孔隙壓力升至4.0 MPa，持續(xù)24 h，使氣體充分溶解。

(3)設(shè)定恒溫箱溫度進(jìn)行水合反應(yīng)，并適時(shí)對(duì)圍壓進(jìn)行壓力補(bǔ)償；進(jìn)行三軸壓縮實(shí)驗(yàn)，保持圍壓4 MPa，孔隙壓力恒定，逐步加載軸壓直至應(yīng)變接近20%終止。

(4)將圍壓變?yōu)?、6 MPa并重復(fù)以上操作。

2　結(jié)果與分析

2.1應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

實(shí)驗(yàn)獲取飽和度(40%)狀態(tài)下含瓦斯水合物突出煤體在三種不同圍壓(4.0、5.0和6.0 MPa)下三軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖2所示。圖2可以發(fā)現(xiàn)，含低飽和度瓦斯水合物突出煤體在三種不同圍壓下均屬應(yīng)變軟化型，峰值過(guò)后有不同程度脆性跌落；參照巖石典型—完整應(yīng)力應(yīng)變曲線，可將實(shí)驗(yàn)所得曲線分為彈性階段、強(qiáng)化階段、應(yīng)變軟化階段以及殘余變形階段。

圖2　含低飽和度瓦斯水合物煤體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

Fig. 2Stress-strain curves of gas hydrate-bearing coal with low saturation

(1)彈性階段：該階段煤體軸向應(yīng)變與偏應(yīng)力差呈線性關(guān)系，即曲線初始近直線階段。軸向應(yīng)變大致位于0～1.25%之間。隨著軸向應(yīng)變?cè)黾?，偏?yīng)力差、變形模量均線性增加；相比較含高飽和度瓦斯水合物突出煤體相同變形階段，其應(yīng)變范圍明顯較小[6-8]。

(2)強(qiáng)化階段：與巖石應(yīng)力-應(yīng)變曲線相類似，該階段從塑性變形初始至峰值強(qiáng)度。該階段隨著軸向應(yīng)變的增加，偏應(yīng)力差增長(zhǎng)緩慢，曲線斜率持續(xù)減小。

(3)應(yīng)變軟化階段：當(dāng)偏應(yīng)力差經(jīng)過(guò)峰值強(qiáng)度后，發(fā)生脆性跌落，且低飽和度狀態(tài)下，其跌落速度相比高飽和度更快、更明顯。

(4)殘余變形階段：該階段偏應(yīng)力差數(shù)值基本保持不變，呈延性發(fā)展的流塑性狀態(tài)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，試件在瓦斯水合物低飽和度狀態(tài)下軸向應(yīng)變可到10%以上。

2.2低飽和度條件下圍壓對(duì)煤體強(qiáng)度和變形的影響

對(duì)含低飽和度瓦斯水合物突出煤體在不同圍壓下三軸壓縮實(shí)驗(yàn)[9-10]，通過(guò)分析其應(yīng)力應(yīng)變曲線特征點(diǎn)，可得到含低飽和度瓦斯水合物突出煤體在不同圍壓下的峰值強(qiáng)度和變形模量變化關(guān)系，如圖3、4所示。對(duì)于40%飽和度的含瓦斯水合物突出煤體，圍壓4、5和6 MPa所對(duì)應(yīng)的峰值強(qiáng)度分別為3.989、6.816和9.970 MPa，變形模量E50分別為422、440和576 MPa。

圖3　含低飽和度瓦斯水合物煤體圍壓與峰值強(qiáng)度關(guān)系

Fig. 3Variation of peak strength with confining pressure of gas hydrate-bearing coal with low saturation

圖4　含低飽和度瓦斯水合物煤體圍壓與變形模量關(guān)系

Fig. 4Variation of deformation modulus with confining pressure of gas hydrate-bearing coal with low saturation

從圖3、4可以看出，隨著圍壓的增大，含低瓦斯水合物飽和度突出煤體的峰值強(qiáng)度線性增加，而4和5 MPa條件下，變形模量增加速度較緩，增加率為4.27%。6 MPa時(shí)，變形模量急劇增加，與4 MPa相比，增加率達(dá)到36.49%。

2.3低飽和度條件黏聚力與內(nèi)摩擦角

通過(guò)繪制不同圍壓的摩爾應(yīng)力圓可獲得飽和度40%條件下含瓦斯水合物煤體的強(qiáng)度參數(shù)，繪制后的摩爾應(yīng)力圓如圖5所示。

圖5　含低飽和度瓦斯水合物煤體應(yīng)力摩爾圓

Fig. 5Variation of deformation modulus with confining pressure of gas hydrate-bearing coal

黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ的大小是根據(jù)摩爾-庫(kù)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)行確定。飽和度為40%的含瓦斯水合物煤體的黏聚力和內(nèi)摩擦角分別為1.03 MPa，39.08°。根據(jù)之前實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[11-12]，低飽和度含瓦斯水合物突出煤體黏聚力和內(nèi)摩擦角與高飽和度條件相比均有所降低，但相比含瓦斯煤體又有所增加。因此，水合作用改善了煤體強(qiáng)度，對(duì)于防治煤與瓦斯突出起到促進(jìn)作用。

3　結(jié)　論

(1)低飽和度含瓦斯水合物突出煤體應(yīng)力-應(yīng)變曲線為軟化型。曲線全過(guò)程分為四部分，即彈性階段、強(qiáng)化階段、應(yīng)變軟化階段以及殘余變形階段。隨著圍壓升高，到達(dá)峰值強(qiáng)度的過(guò)程延長(zhǎng)。

(2)低飽和度含瓦斯水合物突出煤體的峰值強(qiáng)度隨圍壓增加而線性增加，變形模量呈現(xiàn)先緩慢增加后急劇增加的趨勢(shì)。

(3)40%飽和度條件下，含瓦斯水合物煤體的黏聚力和內(nèi)摩擦角分別為1.03 MPa，39.08°。對(duì)比之前實(shí)驗(yàn)結(jié)論，水合作用可以改善煤體強(qiáng)度進(jìn)而達(dá)到防治煤與瓦斯突出的目的。

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(編輯徐巖)

Tri-axial compression test on strength properties of gas hydrate-bearing coal with low concentration using

KANGYu1,2

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

This paper introduces the tri-axial compression tests on the gas hydrate-bearing coal with low concentration of 40%, using self-developed integrated apparatus for gas hydrate formation and tri-axial compression. This study is focused mainly on the stress-strain curves under different confining pressures. The results show that with the different confining pressure, the gas hydrate bearing coal with low saturation presents the stress-strain curves defined as strain-softening characteristics, with peak strength increasing linearly due to an increase in the confining pressure; the strength criterion of Coulomb criterion allows the calculation of the lower cohesive force and internal friction angle in the gas hydrate with low saturation than in the high saturation condition, suggesting a great influence of saturation on the strength of gas hydrate outburst coal.

gas hydrate bearing coal; confining pressure; low saturation; tri-axial compression

2016-06-19

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(51334005)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51104062;51174264)

康宇(1982-)，男，黑龍江省肇源人，講師，博士研究生，研究方向：瓦斯災(zāi)害防治，E-mail:1982kangyu@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.04.007

TD713

2095-7262(2016)04-0383-04

A