康　宇

(1.黑龍江科技大學 安全工程學院， 哈爾濱 150022；2.黑龍江科技大學 瓦斯等烴氣輸運管網安全基礎研究實驗室， 哈爾濱 150022)

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低飽和度含瓦斯水合物突出煤體三軸壓縮實驗研究

康宇1,2

(1.黑龍江科技大學 安全工程學院， 哈爾濱 150022；2.黑龍江科技大學 瓦斯等烴氣輸運管網安全基礎研究實驗室， 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驗，研究不同圍壓下低飽和度含瓦斯水合物突出煤體應力-應變關系。結果表明：不同圍壓下，低飽和度含瓦斯水合物突出煤體應力-應變曲線為軟化型，其峰值強度隨圍壓增加而增加；通過摩爾庫倫強度準則，計算低飽和度含瓦斯水合物突出煤體黏聚力和內摩擦角。兩者均低于高飽和度條件該參數數值，可見飽和度對含瓦斯水合物突出煤體強度影響較大。

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害，因其具有極大危害性、較強突發(fā)性以及復雜的發(fā)生機理，不易預測和防治，制約煤礦的安全生產。目前，較普遍觀點認為，降低瓦斯壓力，減少、延緩瓦斯集中涌出以及提高煤巖體力學性質，是防治煤與瓦斯突出的有效途徑。吳強等[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、煤巖體破壞的過程，其發(fā)生是受煤巖體強度、瓦斯壓力以及地應力的影響。因此，研究煤體中瓦斯水合固化前后煤巖體強度變化規(guī)律，是應用水合原理防治煤與瓦斯突出的關鍵，其性質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力學性質實驗研究經驗，利用突出煤層原煤制取型煤，依據自主研制的含瓦斯水合固化-三軸壓縮力學性能測試于一體的實驗裝置，開展低飽和度含瓦斯水合物突出煤體三軸壓縮強度實驗研究，探討低飽和度含瓦斯水合物突出煤體強度變化規(guī)律。

1　實　驗

1.1試件制取

實驗選用龍煤集團雙鴨山礦業(yè)公司七星煤礦12#煤層原煤，該煤層發(fā)生過煤與瓦斯突出。為避免個體差異使實驗結果帶有偶然性，將原煤制作成型煤試件。制備過程采用國際巖石力學學會統(tǒng)一標準，將原煤粉碎后篩分出粒徑為180～250 μm煤粉220 g，同時注入定量純凈水攪拌，壓制成直徑φ50 mm、高度100 mm的圓柱體，兩端面不平行度不超過0.5 mm。通過水量控制保證瓦斯水合物形成后其飽和度達到40%。以氣體過飽和法合成水合物。采用美國康塔PoreMaster33型壓汞儀進行型煤試樣孔隙結構特征測試，表面張力取0.480 N/m，汞與煤接觸角為140°，進汞壓力范圍0.14～231.00 MPa，相應孔徑范圍D0.007 0～1 000.000 0 μm，最后測得孔容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，純度達到99.99%，實驗用蒸餾水自制。

1.2實驗設備

實驗在自主研發(fā)的集瓦斯水合固化和三軸壓縮原位測試一體化設備中進行，如圖1所示。該設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)、恒溫箱以及數據采集系統(tǒng)組成。

圖1　含瓦斯水合物突出煤體強度測試裝置

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

根據水合物三相相平衡曲線，應用Sloan相平衡軟件進行理論計算，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。實驗中，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，本組實驗設定40%水合物飽和度條件。假設注入水量即為參與反應水量，同時，考慮到1 m3瓦斯水合物需要消耗0.8 m3淡水，結合煤樣壓汞測試數據，可計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。煤樣編號及參數見表1。

表1七星礦型煤煤樣參數

Table 1Experimental parameters for coal sample from Qixing coal mine

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

1.4實驗方案及步驟

實驗過程采用常規(guī)三軸實驗方法，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。內容包括瓦斯水合物生成和含瓦斯水合物煤體三軸壓縮實驗兩部分。具體步驟如下：

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

(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)設定恒溫箱溫度進行水合反應，并適時對圍壓進行壓力補償；進行三軸壓縮實驗，保持圍壓4 MPa，孔隙壓力恒定，逐步加載軸壓直至應變接近20%終止。

(4)將圍壓變?yōu)?、6 MPa并重復以上操作。

2　結果與分析

2.1應力-應變關系

實驗獲取飽和度(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)下三軸應力-應變曲線，如圖2所示。圖2可以發(fā)現，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變軟化型，峰值過后有不同程度脆性跌落；參照巖石典型—完整應力應變曲線，可將實驗所得曲線分為彈性階段、強化階段、應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力-應變關系

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

(1)彈性階段：該階段煤體軸向應變與偏應力差呈線性關系，即曲線初始近直線階段。軸向應變大致位于0～1.25%之間。隨著軸向應變增加，偏應力差、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，其應變范圍明顯較小[6-8]。

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

(3)應變軟化階段：當偏應力差經過峰值強度后，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：該階段偏應力差數值基本保持不變，呈延性發(fā)展的流塑性狀態(tài)。通過實驗發(fā)現，試件在瓦斯水合物低飽和度狀態(tài)下軸向應變可到10%以上。

2.2低飽和度條件下圍壓對煤體強度和變形的影響

對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驗[9-10]，通過分析其應力應變曲線特征點，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度和變形模量變化關系，如圖3、4所示。對于40%飽和度的含瓦斯水合物突出煤體，圍壓4、5和6 MPa所對應的峰值強度分別為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度關系

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，變形模量急劇增加，與4 MPa相比，增加率達到36.49%。

2.3低飽和度條件黏聚力與內摩擦角

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

圖5　含低飽和度瓦斯水合物煤體應力摩爾圓

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

黏聚力c和內摩擦角φ的大小是根據摩爾-庫倫破壞理論中抗剪強度與破壞面上的法向應力σ間的線性關系τf=c+σtanφ進行確定。飽和度為40%的含瓦斯水合物煤體的黏聚力和內摩擦角分別為1.03 MPa，39.08°。根據之前實驗數據[11-12]，低飽和度含瓦斯水合物突出煤體黏聚力和內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度，對于防治煤與瓦斯突出起到促進作用。

3　結　論

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

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

(3)40%飽和度條件下，含瓦斯水合物煤體的黏聚力和內摩擦角分別為1.03 MPa，39.08°。對比之前實驗結論，水合作用可以改善煤體強度進而達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

國家自然科學基金重點項目(51334005)；國家自然科學基金項目(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