低饱和度含瓦斯水合物突出煤体三轴压缩实验研究

康　宇

(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实验室， 哈尔滨 150022)



低饱和度含瓦斯水合物突出煤体三轴压缩实验研究

康宇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实验室， 哈尔滨 150022)

为探索防治煤与瓦斯突出的有效途径，利用自主研制的含瓦斯水合固化-三轴力学压缩一体化装置，开展低饱和度含瓦斯水合物突出煤体三轴压缩实验，研究不同围压下低饱和度含瓦斯水合物突出煤体应力-应变关系。结果表明：不同围压下，低饱和度含瓦斯水合物突出煤体应力-应变曲线为软化型，其峰值强度随围压增加而增加；通过摩尔库伦强度准则，计算低饱和度含瓦斯水合物突出煤体黏聚力和内摩擦角。两者均低于高饱和度条件该参数数值，可见饱和度对含瓦斯水合物突出煤体强度影响较大。

瓦斯水合物； 围压； 低饱和度； 三轴压缩

0　引　言

煤与瓦斯突出是煤矿主要灾害，因其具有极大危害性、较强突发性以及复杂的发生机理，不易预测和防治，制约煤矿的安全生产。目前，较普遍观点认为，降低瓦斯压力，减少、延缓瓦斯集中涌出以及提高煤岩体力学性质，是防治煤与瓦斯突出的有效途径。吴强等[1-5]提出利用瓦斯水合原理防治煤与瓦斯突出，开辟了煤与瓦斯突出防治的新途径。

煤与瓦斯突出是能量集中释放、煤岩体破坏的过程，其发生是受煤岩体强度、瓦斯压力以及地应力的影响。因此，研究煤体中瓦斯水合固化前后煤岩体强度变化规律，是应用水合原理防治煤与瓦斯突出的关键，其性质主要受水合物饱和度、晶体类型以及围压等影响较大。鉴于以上分析，笔者参照含水合物多孔介质力学性质实验研究经验，利用突出煤层原煤制取型煤，依据自主研制的含瓦斯水合固化-三轴压缩力学性能测试于一体的实验装置，开展低饱和度含瓦斯水合物突出煤体三轴压缩强度实验研究，探讨低饱和度含瓦斯水合物突出煤体强度变化规律。

1　实　验

1.1试件制取

实验选用龙煤集团双鸭山矿业公司七星煤矿12#煤层原煤，该煤层发生过煤与瓦斯突出。为避免个体差异使实验结果带有偶然性，将原煤制作成型煤试件。制备过程采用国际岩石力学学会统一标准，将原煤粉碎后筛分出粒径为180～250 μm煤粉220 g，同时注入定量纯净水搅拌，压制成直径φ50 mm、高度100 mm的圆柱体，两端面不平行度不超过0.5 mm。通过水量控制保证瓦斯水合物形成后其饱和度达到40%。以气体过饱和法合成水合物。采用美国康塔PoreMaster33型压汞仪进行型煤试样孔隙结构特征测试，表面张力取0.480 N/m，汞与煤接触角为140°，进汞压力范围0.14～231.00 MPa，相应孔径范围D0.007 0～1 000.000 0 μm，最后测得孔容μp为0.189 2 mL/g。合成水合物所用甲烷由哈尔滨黎明气体有限公司提供，纯度达到99.99%，实验用蒸馏水自制。

1.2实验设备

实验在自主研发的集瓦斯水合固化和三轴压缩原位测试一体化设备中进行，如图1所示。该设备主要由承载试件的水合固化-载荷高压釜、三轴压缩加载系统、气体增压系统、恒温箱以及数据采集系统组成。

图1　含瓦斯水合物突出煤体强度测试装置

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

1.3水合物生成及其饱和度控制

根据水合物三相相平衡曲线，应用Sloan相平衡软件进行理论计算，得出瓦斯水合物生成的相平衡条件为：温度t0.55 ℃，压力p2.77 MPa。实验中，煤样孔隙中CH4压力4.0 MPa，温度控制在0.5 ℃，该条件为CH4水合物生成相平衡的稳定区域，易于生成水合物。

水合物饱和度φ是生成的水合物体积与试件孔隙体积之比，本组实验设定40%水合物饱和度条件。假设注入水量即为参与反应水量，同时，考虑到1 m3瓦斯水合物需要消耗0.8 m3淡水，结合煤样压汞测试数据，可计算形成不同饱和度含瓦斯水合物突出煤体所需初始注水量m。煤样编号及参数见表1。

表1七星矿型煤煤样参数

Table 1Experimental parameters for coal sample from Qixing coal mine

煤样编号σ3/MPaϕ/mmh/mmm/gSH/%1-14.0501011-25.0501011-36.05010015.6240

1.4实验方案及步骤

实验过程采用常规三轴实验方法，先固定围压后加载轴压。为了探讨低饱和度含瓦斯水合物突出煤体强度特征，采用瓦斯压力4.0 MPa，围压分别为4.0、5.0、6.0 MPa三种条件。内容包括瓦斯水合物生成和含瓦斯水合物煤体三轴压缩实验两部分。具体步骤如下：

(1)将型煤放置釜内后，平缓加载围压至0.5 MPa，通入0.3 MPa气体压力后排空，反复多次操作以排除试件和管线内空气。

(2)围压升至4.0 MPa，孔隙压力升至4.0 MPa，持续24 h，使气体充分溶解。

(3)设定恒温箱温度进行水合反应，并适时对围压进行压力补偿；进行三轴压缩实验，保持围压4 MPa，孔隙压力恒定，逐步加载轴压直至应变接近20%终止。

(4)将围压变为5、6 MPa并重复以上操作。

2　结果与分析

2.1应力-应变关系

实验获取饱和度(40%)状态下含瓦斯水合物突出煤体在三种不同围压(4.0、5.0和6.0 MPa)下三轴应力-应变曲线，如图2所示。图2可以发现，含低饱和度瓦斯水合物突出煤体在三种不同围压下均属应变软化型，峰值过后有不同程度脆性跌落；参照岩石典型—完整应力应变曲线，可将实验所得曲线分为弹性阶段、强化阶段、应变软化阶段以及残余变形阶段。

图2　含低饱和度瓦斯水合物煤体应力-应变关系

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

(1)弹性阶段：该阶段煤体轴向应变与偏应力差呈线性关系，即曲线初始近直线阶段。轴向应变大致位于0～1.25%之间。随着轴向应变增加，偏应力差、变形模量均线性增加；相比较含高饱和度瓦斯水合物突出煤体相同变形阶段，其应变范围明显较小[6-8]。

(2)强化阶段：与岩石应力-应变曲线相类似，该阶段从塑性变形初始至峰值强度。该阶段随着轴向应变的增加，偏应力差增长缓慢，曲线斜率持续减小。

(3)应变软化阶段：当偏应力差经过峰值强度后，发生脆性跌落，且低饱和度状态下，其跌落速度相比高饱和度更快、更明显。

(4)残余变形阶段：该阶段偏应力差数值基本保持不变，呈延性发展的流塑性状态。通过实验发现，试件在瓦斯水合物低饱和度状态下轴向应变可到10%以上。

2.2低饱和度条件下围压对煤体强度和变形的影响

对含低饱和度瓦斯水合物突出煤体在不同围压下三轴压缩实验[9-10]，通过分析其应力应变曲线特征点，可得到含低饱和度瓦斯水合物突出煤体在不同围压下的峰值强度和变形模量变化关系，如图3、4所示。对于40%饱和度的含瓦斯水合物突出煤体，围压4、5和6 MPa所对应的峰值强度分别为3.989、6.816和9.970 MPa，变形模量E50分别为422、440和576 MPa。

图3　含低饱和度瓦斯水合物煤体围压与峰值强度关系

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

图4　含低饱和度瓦斯水合物煤体围压与变形模量关系

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

从图3、4可以看出，随着围压的增大，含低瓦斯水合物饱和度突出煤体的峰值强度线性增加，而4和5 MPa条件下，变形模量增加速度较缓，增加率为4.27%。6 MPa时，变形模量急剧增加，与4 MPa相比，增加率达到36.49%。

2.3低饱和度条件黏聚力与内摩擦角

通过绘制不同围压的摩尔应力圆可获得饱和度40%条件下含瓦斯水合物煤体的强度参数，绘制后的摩尔应力圆如图5所示。

图5　含低饱和度瓦斯水合物煤体应力摩尔圆

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

黏聚力c和内摩擦角φ的大小是根据摩尔-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进行确定。饱和度为40%的含瓦斯水合物煤体的黏聚力和内摩擦角分别为1.03 MPa，39.08°。根据之前实验数据[11-12]，低饱和度含瓦斯水合物突出煤体黏聚力和内摩擦角与高饱和度条件相比均有所降低，但相比含瓦斯煤体又有所增加。因此，水合作用改善了煤体强度，对于防治煤与瓦斯突出起到促进作用。

3　结　论

(1)低饱和度含瓦斯水合物突出煤体应力-应变曲线为软化型。曲线全过程分为四部分，即弹性阶段、强化阶段、应变软化阶段以及残余变形阶段。随着围压升高，到达峰值强度的过程延长。

(2)低饱和度含瓦斯水合物突出煤体的峰值强度随围压增加而线性增加，变形模量呈现先缓慢增加后急剧增加的趋势。

(3)40%饱和度条件下，含瓦斯水合物煤体的黏聚力和内摩擦角分别为1.03 MPa，39.08°。对比之前实验结论，水合作用可以改善煤体强度进而达到防治煤与瓦斯突出的目的。

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(编辑徐岩)

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

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)

康宇(1982-)，男，黑龙江省肇源人，讲师，博士研究生，研究方向：瓦斯灾害防治，E-mail:1982kangyu@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.04.007

TD713

2095-7262(2016)04-0383-04

A