不同围压与饱和度下含瓦斯水合物煤体能量变化规律

祝 威，高 霞，张保勇,*，吴 强

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

煤与瓦斯突出是一种复杂动力灾害，严重威胁煤矿安全[1-4]，随着我国煤矿开采深度的增加，煤层瓦斯压力和含量呈现递增趋势，煤与瓦斯突出问题更加严峻[5-6]。

在煤体中生成瓦斯水合物不仅可以降低煤体中瓦斯压力还能有效提高煤体强度，体现了水合固化技术对煤与瓦斯突出防治的积极作用[7-9]。水合固化防突技术应用的关键之一是深入了解煤体在瓦斯水合固化前后力学性质变化。含瓦斯水合物煤体作为一种多元多相非均匀介质，由于水合物在煤体中的存在，与煤岩存在较大不同，其力学性质受水合物含量(饱和度)与围压的共同影响。煤岩材料破坏的本质是能量驱动下的失稳破裂[10-11]，煤矿井下采场和煤巷周围煤体多处于三向应力或双向应力状态[12]，煤岩的破裂演化过程与应力状态和加载过程具有强烈的相关性[13]，目前关于煤岩试验能量演化分析的研究中按照试验方式可以分为单轴压缩试验和三轴压缩试验的能量分析2 种[14]。因此，探寻围压与饱和度共同作用下含瓦斯水合物煤体三轴压缩破坏过程中的能量演化规律，为揭示其破坏内在机制提供新思路，对科学指导煤与瓦斯突出动力灾害防治具有重要意义。

为揭示岩石破坏内在机制，众多学者围绕着煤岩破坏过程中能量演化规律开展了一系列研究，取得了一系列研究成果。在煤岩三轴压缩条件下能量变化规律方面：谢和平等[15-16]系统性开展了岩石变形破坏过程的热力学分析，揭示了能量积聚、耗散和释放与岩石强度及破坏的内在联系；杨永杰等[17]基于加卸载试验，得出了煤岩破坏过程中峰值应力前能量的演化规律；王向宇[18]、Yu Xin[19]等通过研究揭示了煤岩能量演化特征及损伤机制与围压的关系；张尧[20]、康向涛[21]等基于三轴试验分析并探讨了不同变形破坏阶段煤岩的能量演化趋势与围压和瓦斯压力的关系；齐消寒[22]、张军[23]等通过研究得出煤样总能量在峰值应力前以积聚能量为主且能量积聚与围压呈正相关；鲁细根等[24]分析了三轴卸荷条件下能量耗散特性发现围压能够提高煤体峰值弹性能、极限储能及残余弹性能；秦虎等[25]基于卸围压试验发现煤岩加载阶段吸收的能量与卸载阶段释放的能量均随着围压的增加而增加；温韬等[26]通过开展三轴压缩试验，揭示了围压与耗散能及损伤值之间的关系；纪洪广等[27]基于三轴循环加卸载试验，发现岩石储能能力随着围压的增大而提高；此外，还有一些学者通过研究发现随着围压增大岩石峰值处的弹性能和总能量均有所增加[28-30]。在煤岩能量特征参数方面，李波波等[31]基于三轴压缩试验定义了临界破坏点总能量、储能极限和临界破坏点耗散能的概念；Wang Peng 等[32]通过三轴加卸载试验，给出了耗能比的定义；杨小彬[33]、Wang Zhonghui[34]等通过开展砂岩力学特征试验，得出了耗能比与轴向应变及围压的关系，并指出耗能比可以反映岩石内部损伤及塑性变形情况；Li Diyuan 等[35]通过研究也指出耗能比可以用来描述岩石变形和破坏程度；宫凤强等[36]揭示了弹性能和总输入能间的线性函数关系，并定义二者的比值为储能系数。张志镇等[37]基于红砂岩轴向加、卸载试验，分析了弹性能比例与围压的关系，揭示了储能能力与围压的关系；孟庆彬等[38]基于三轴循环加卸载试验，揭示了围压对受载岩样能量演化特征的影响规律并指出最大弹性能(岩石储能极限)占总能量的比值随着围压的提高而增大。

通过上述分析可知，目前对于能量方面的研究主要是针对煤岩在常规三轴压缩及三轴卸围压试验条件下，且主要试验变量为瓦斯压力、围压及加载速率等，而对于以围压与饱和度共同作用下含瓦斯水合物煤体的能量变化规律研究鲜见报道。基于此，有必要对含瓦斯水合物煤体展开能量方面的研究。

据此，以含瓦斯水合物煤体为研究对象，基于常规三轴试验获得的不同饱和度(20%、50%、80%)含瓦斯水合物煤体在不同围压(12、16、20 MPa)下的偏应力-应变全过程曲线，计算分析偏应力-应变全过程中输入能、弹性能、耗散能的变化规律，并引入临界破坏点总能量Uf、储能极限和临界破坏点耗散能3 种能量特征参数，建立能量转化与变形破坏之间的联系，进一步探索深部条件下含瓦斯水合物煤体的破坏机制，以期形成预防煤与瓦斯突出更为有效的防治方法，保障深部煤炭资源安全产出。

1 岩石破坏过程中能量演化机制

假设单元体积岩石在外力作用下产生变形时与外界不存在热交换，即一个封闭系统，外力所做的功U可认为全部被岩石吸收，根据热力学第一定律[15]可得：

单元体积岩石应力功及能量的计算[12]：

由式(3)可知弹性能是由3 个方向应力做功总和，由于常规三轴试验 σ2=σ3且围压做功产生的弹性能远小于轴向的，可忽略不计[31]，可认为弹性能主要由轴向应力加载做功产生，故弹性能公式可简化为：

又由于轴向应力做功是在静水压力的基础上做功即应力差 Δσ做功，故弹性能可改写为：

联合式(1)和式(5)可得出岩石破坏过程中耗散能为：

2 试验概况

试验采用含瓦斯水合物煤体力学性质原位测试装置进行含瓦斯水合物煤体力学试验，该装置主要由加载系统，瓦斯气体供给系统，温度控制系统和数据采集系统构成，如图1 所示，该装置最大轴向压力600 kN，最大围压100 MPa，温度设置范围-40～80℃，精度±0.5℃，轴向变形测量最大值20 mm，径向变形测量最大值10 mm。在测试过程中能够实时监测轴压、围压、温度、轴向变形及径向变形等相关参数。

图1 含瓦斯水合物煤体力学性质原位测试装置[9]Fig.1 In-situ testing device for mechanical properties of gas hydrate-bearing coals [9]

试验所采用原煤取自龙煤集团新安煤矿8 号上煤层，试验主要包括煤体中瓦斯水合物生成试验和含瓦斯水合物煤体三轴压缩试验，主要操作步骤如下：

(1) 采用粉碎机将原煤粉碎并选取60～80 目(0.250～0.180 mm)煤粉。

(2) 采用压力试验机将煤粉压制成标准圆柱形试样，试样尺寸为高×直径=100 mm×50 mm (压力97 kN 保压3 h)。

(3) 将煤样放置到三轴压力室中进行瓦斯吸附(纯度99.99%，压力6 MPa 持续16 h)制备含瓦斯煤样。

(4) 对瓦斯制备成型的含瓦斯煤体进行降温(0.5℃持续24 h)使瓦斯水合物在煤体中生成，制备含瓦斯水合物煤体试样，具体生成过程如图2 所示。

图2 水合物在煤体中生成路径及压力-温度-时间曲线Fig.2 Formation path and pressure-temperature-time curves of hydrates in coals

(5) 对制备成型的含瓦斯水合物煤体进行常规三轴加载试验。

(6) 对于不同围压、饱和度含瓦斯水合物煤体三轴试验，重复步骤(1)-步骤(5)。试验方案见表1，饱和度计算方法见文献[7]，具体试验步骤见文献[9]。

表1 含瓦斯水合物煤体三轴试验方案Table 1 Triaxial test scheme for gas hydrate-bearing coals

由于篇幅有限且不同围压下制备不同饱和度含瓦斯水合物煤体全过程压力-温度-时间曲线变化规律一致，故选此工况进行分析。结合图2，对瓦斯水合物在煤体中生成全过程的温度-瓦斯压力-时间曲线进行分析，将含瓦斯水合物煤体制备过程分为瓦斯吸附、水合物生成、水合物稳定存在3 个阶段。

1) 瓦斯吸附阶段

吸附开始，瓦斯压力为6.0 MPa，温度为常温，此时对应图2a 中b点和图2b 中瓦斯吸附阶段初期；随着瓦斯吸附进行，瓦斯压力逐渐下降，16 h 后瓦斯压力趋于稳定，认为瓦斯吸附结束，此时对应图2a 中c点和图2b 中瓦斯吸附末期。根据文献[39]可判定煤体中瓦斯吸附达到平衡。

2) 水合物生成阶段

降温开始，瓦斯压力再次下降，此阶段对应图2a中c-d段和图2b 中水合物生成阶段，水合物生成的相平衡温度和压力为(0.5℃、2.77 MPa)，压力越高，越能促进水合物生成，因此水合物生成的温度和压力确定为(0.5℃、4 MPa)。由图2b 可知，随着温度降至0.5℃，瓦斯压力不再下降，根据相平衡原理[40]可知此阶段瓦斯水合物在煤体中生成。

3) 水合物稳定存在阶段

温度基本保持恒定0.5℃，瓦斯压力基本不变，表明此阶段瓦斯水合物稳定存在。

3 含瓦斯水合物煤体能量变化特性

3.1 能量变化规律

通过能量计算公式(前5 个公式)，分别计算出含瓦斯水合物煤体三轴压缩全过程中总能量U、弹性能Ue及耗散能Ud。不同围压(12、16、20 MPa)、饱和度(20%、50%、80%)下含瓦斯水合物煤体偏应力-能量-应变曲线及能量指标变化全过程如图3 所示。

图3 不同围压和饱和度条件下含瓦斯水合物煤体能量变化规律Fig.3 Laws of changes in the energy of gas hydrate-bearing coals under different confining pressures and saturations

结合图3 中偏应力-应变曲线变化特征，对不同围压、饱和度下含瓦斯水合物煤体三轴压缩过程中能量变化特性进行分析，将含瓦斯水合物煤体试样压缩过程中能量变化过程划分为3 个阶段。

1) 弹性阶段(OA段)

外界输入的总能量和弹性能均随着偏应力增加而缓慢增加，弹性能曲线基本和总能量曲线重合，耗散能曲线保持在很小的定值附近呈现水平状发展(基本趋近于0)，此阶段弹性能大于耗散能，弹性能转化率较高。表明弹性阶段试样在外力作用下内部结构变得较为密实无微裂纹萌生，外界对试样所做的功基本都转化为弹性能储存在试样中，耗散能基本没有产生，试样抵抗变形破坏的能力能够得到充分发挥。

2) 屈服阶段(AB段)

随着偏应力持续增加各能量指标均有所增加，弹性能曲线不再与总能量曲线重合，外界对试样做的功不再全部转化为弹性能，此阶段初期外界对试样做的功仍以转化为弹性能为主，耗散能增加速率高于弹性能，耗散能曲线呈现“上凹状”，弹性能曲线呈现“上凸状”，此阶段后期耗散能超越弹性能，弹性能转化率开始降低。表明随着偏应力增大，试样内部开始出现微裂纹并发生裂纹扩展，导致试样整体结构开始出现损伤，试样抵抗变形破坏能力下降。

3) 强化阶段(BC段)

随着进一步加载，外界对试样做的功基本上全部转化为耗散能，此阶段耗散能和总能量保持同样较高的增加速率，曲线都表现为“上凹型”，弹性能增加幅度逐渐减小，曲线呈水平状发展。表明随着偏应力进一步增加，试样内部裂缝开始扩展至贯通，贯通裂缝不仅会弱化试样结构的力学特性，还会驱使更多的输入能用于裂纹加速扩展和贯通而被耗散掉，进而使试样积聚能量的能力不断被削弱，承载能力进一步弱化，但由于围压的约束作用，试样仍具有抵抗外力破坏的能力。

3.2 能量特征参数

为定量描述含瓦斯水合物煤体在临界破坏点处能量分配特性，引入临界破坏点总能量Uf、储能极限和临界破坏点耗散能3 种能量特征参数[31]。临界破坏点总能量可表征煤岩吸收能量的能力，临界破坏点总能量越大，煤岩吸收能量的能力越大[34]；储能极限大小可表征岩体抵抗变形破坏的能力，储能极限越大，岩体越不易受能量驱动而破坏[37]；临界破坏点耗散能可表征岩石能量耗散的能力，其值越大表明岩石内部越易发生损伤和塑性滑移[37]。根据能量计算公式(前5 个公式)分别计算出不同围压、饱和度下含瓦斯水合物煤体临界破坏点处对应的总能量、弹性能、耗散能，即临界破坏点总能量、储能极限和临界破坏点耗散能3 种能量特征参数值，见表2。

表2 含瓦斯水合物煤体能量特征参数值Table 2 Values of energy characteristic parameters for gas hydrate-bearing coals

3.2.1 能量特征参数的围压效应

为研究不同饱和度下，围压对含瓦斯水合物煤体临界破坏点总能量、储能极限和临界破坏点耗散能3 种能量特征参数的影响，结合表2，本节给出不同饱和度含瓦斯水合物煤体临界破坏点总能量、储能极限及临界破坏点耗散能与围压的关系，如图4 所示。

图4 含瓦斯水合物煤体能量特征参数值与围压的关系Fig.4 Values of energy characteristic parameters for gas hydrate-bearing coals vs.confining pressure

由图4 可知，不同饱和度时，随着围压增加，含瓦斯水合物煤体临界破坏点总能量、储能极限及临界破坏点耗散能均有不同增幅。饱和度为20%时，围压12 MPa下临界破坏点总能量、储能极限及临界破坏点耗散能分别为1.522、0.227、1.295 MJ/m3，与之相比，围压16、20 MPa 下临界破坏点总能量、储能极限及临界破坏点耗散能分别增加87.51%、120.30%；83.70%、174.89%；88.19%、110.73%；饱和度为50%、80%时也表现出与饱和度为20%相同的性质，但增幅降低。表明含瓦斯水合物煤体在高围压时吸收能量的能力、抵抗变形破坏的能力及损伤所消耗的能量均高于低围压，越不易破坏，低饱和度时其各能量特征参数对围压变化更敏感。

分析认为，随着含瓦斯水合物煤体所受围压增大，侧向约束更为明显，颗粒间相互作用增强，二者接触面积和摩擦阻力增大，有效限制了二者自由运动，使其受载破坏时用于克服内部颗粒滑移消耗的能量增加，即临界破坏点耗散能增加[41-43]；同时围压增大，抑制裂缝产生及生长[44]，强化结构完整度和力学特性，提高其峰值强度及弹性模量，使其在受载破坏过程中吸收的总能量和聚集在其内部的弹性能增多[20]，即临界破坏点总能量和储能极限增加。

3.2.2 能量特征参数的水合物饱和度效应

为研究不同围压下，水合物饱和度对临界破坏点总能量、储能极限和临界破坏点耗散能3 种能量特征参数的影响规律，结合表2，本节给出不同围压下含瓦斯水合物煤体临界破坏点总能量、储能极限及临界破坏点耗散能与水合物饱和度的关系，如图5 所示。

图5 含瓦斯水合物煤体能量特征参数值与饱和度的关系Fig.5 Values of energy characteristic parameters for gas hydrate-bearing coals vs.saturation

由图5 可知，不同围压下，随着饱和度增加，临界破坏点总能量、储能极限及临界破坏点耗散能变化规律有所不同。围压12 MPa 下，临界破坏点总能量、临界破坏点耗散能均随着饱和度的增加而增加，而储能极限随着饱和度的增加先减小后增加；饱和度为20%时临界破坏点总能量、储能极限及临界破坏点耗散能分别为1.522、0.227、1.295 MJ/m3，与之相比，饱和度为50%、80%时临界破坏点总能量、储能极限及临界破坏点耗散能分别增加48.55%、81.60%；-3.08%、37.44%；57.61%、89.34%；围压16、20 MPa 下，临界破坏点总能量表现出与围压12 MPa 下相同的性质，临界破坏点耗散能随着饱和度增加先增加后减小；围压16 MPa 下，储能极限随着饱和度增加先减小后增加，围压20 MPa 下，储能极限随着饱和度增加先增加后减小。能量特征参数变化幅度随着围压增加逐渐减小，表明低围压下能量特征参数对饱和度变化更敏感。

分析认为，随着饱和度增大，水合物对煤颗粒胶结和填充效果越好，含瓦斯水合物煤体越密实，颗粒间黏聚力和咬合作用越大，结构完整度越好[45-46]，受载时用于克服内部颗粒滑移所需的能量增加，使临界破坏点耗散能增加；同时由于颗粒间黏聚力和咬合作用增大，能抑制其受载时裂缝产生及生长，增强其抗剪破坏的能力[47]，使得其在受载破坏过程中能够吸收更多的能量和储存更多的弹性能，即临界破坏点总能量和储能极限增加。

围压16、20 MPa 下，储能极限随着饱和度增加先减小后增加，临界破坏点耗散能与之相反。分析认为，水合物生成过程中可能会堵塞煤体孔隙或阻断空隙水连通截面，阻碍水合物进一步生成，造成理论饱和度80%的试样实际饱和度低于理论饱和度50%的试样实际饱和度[48-49]；由于饱和度越高，水合物中胶结模式占比越大，抑制颗粒运动和黏滑效果越好，颗粒间结构性越强[43,50-51]，受载破坏时用于克服颗粒滑移所用的能量也越多，进而导致理论饱和度80%的试样临界破坏点耗散能低于理论饱和度50%的试样临界破坏点耗散能。

3.3 能量分配规律

3.3.1 能耗比变化规律

为研究含瓦斯水合物煤体在三轴压缩过程中稳定状态，引入能耗比ku(耗散能与弹性能的比值)。能耗比ku与1 的大小关系能够间接表征受载岩样的稳定状态，当ku<1 时，受载岩样处于相对稳定状态，当ku=1 时，受载岩样处于临界稳定状态，当ku＞1 时，受载岩样处于非稳定状态[38]。

图6 给出了不同围压、饱和度下含瓦斯水合物煤体偏应力-能耗比-轴向应变关系。由图可知，随着偏应力增加，不同围压、饱和度下含瓦斯水合物煤体能耗比均匀速增长，根据能耗比ku与1 的大小将含瓦斯水合物煤体整个压缩过程划分为3 种状态。(1)稳定状态：弹性阶段和屈服阶段前期ku始终小于1，试样处于稳定状态，外界对试样做的功主要转化为弹性能积聚在试样内部。(2)临界稳定状态：屈服阶段后期ku=1，试样处于临界稳定状态，外界对试样做的功在此刻转化为弹性能的量等于试样损伤所消耗掉的量。(3)非稳定状态：强化阶段ku始终大于1，表明试样处于非稳定状态，外界对试样做的功主要用于试样内部损伤而消耗。

图6 偏应力-能耗比-轴向应变关系Fig.6 Deviatoric stress vs.ratio of dissipated energy to elastic energy vs.axial strain

3.3.2 临界轴向应变与围压及饱和度的关系

为研究含瓦斯水合物煤体临界轴向应变(临界失稳点对应的轴向应变)与围压、饱和度的关系，结合图6中不同围压、饱和度下临界轴向应变值，本节给出了含瓦斯水合物煤体临界轴向应变与围压、饱和度的关系，如图7 所示。

图7 含瓦斯水合物煤体临界轴向应变与饱和度及围压的关系Fig.7 Critical axial strain of gas hydrate-bearing coals vs.saturation and confining pressure

由图7a 可知，临界轴向应变在饱和度为50%和80%时随着围压增加而增加，但在饱和度20%时随着围压增加表现为先减小后增加。饱和度20%时，围压12 MPa 下，临界轴向应变为3.067%，随着围压增加，临界轴向应变增加率为-19.11%、10.76%；饱和度为50%和80%时，围压12 MPa 下，临界轴向应变分别为2.460%、3.167%，随着围压的增加，临界轴向应变增加率分别为16.26%、66.46%；6.98%、12.19%。饱和度50%时，临界轴向应变值随围压增大的变化幅度小于饱和度80%时。表明饱和度50%和80%时，围压的增加有助于提高临界失稳状态对应的轴向应变，增强含瓦斯水合物煤体受载稳定性，且临界轴向应变的变化幅度随着饱和度增大对围压的敏感性逐渐降低。

分析认为，随着含瓦斯水合物煤体所受围压增大，对其侧向约束更加明显，颗粒间作用力更强，抑制了裂缝的产生及发展，试样产生裂缝并发生破坏失稳就需产生更大形变。同时水合物饱和度越高，试样内部颗粒间胶结作用越好，在低围压发生失稳时其已经发生较大破坏并产生了较大形变，围压增大对其临界轴向应变提升效果不佳。

由图7b 可知，临界轴向应变在围压16、20 MPa 下，随着饱和度增加均有不同增幅，在围压12 MPa 下，随着饱和度增加先减小后增加。围压12 MPa 下，饱和度20%对应的临界轴向应变为3.067%，与之相比，饱和度为50%、80%时对应的临界轴向应变分别增加-19.79%、3.26%；围压16、20 MPa 下，饱和度20%对应的临界轴向应变为2.481%、3.397%，与之相比，饱和度为50%、80%时对应的临界轴向应变分别增加15.28%、36.56%；20.55%、4.59%；围压20 MPa 下临界轴向应变值随饱和度增加的变化幅度小于围压16 MPa 下。表明围压16、20 MPa 下，饱和度增加会使含瓦斯水合物煤体临界稳定状态对应的轴向应变增大，增强含瓦斯水合物煤体受载稳定性，且临界轴向应变的变化幅度随着围压增大对饱和度的敏感性逐渐降低。

分析认为，随着含瓦斯水合物煤体饱和度增大，水合物对煤颗粒胶结和填充效果越好，颗粒间黏聚力和咬合作用越大，试样产生裂缝并发生破坏失稳就需产生更大形变，故随着饱和度增加，其临界轴向应变提升均有不同程度增加，但由于煤体中水合物生成特性及制样的缺陷性，可能会导致试样中水合物分布不均匀及理论饱和度低于实际饱和度，进而导致不同围压下，临界轴向应变与饱和度关系异常的情况。

3.3.3 临界破坏点处储能系数与围压的关系

储能系数指的是弹性能与总输入能的比值，反映岩石弹性能的储存能力，储能系数越大，岩石材料储存弹性能的能力越强[36]，即同等能量输入情况下，会有更多的能量转化为弹性能存储在试样中，试样受载抵抗外力变形的能力就越强。为研究不同饱和度时围压对临界破坏点弹性能的储存能力的影响，本节给出了不同饱和度含瓦斯水合物煤体临界破坏处储能系数-围压关系，如图8 所示。

图8 临界破坏点处储能系数与围压关系Fig.8 Energy storage coefficient at the critical failure point vs.confining pressure

由图8 可知，含瓦斯水合物煤体临界破坏点储能系数在饱和度20%时随围压增加先减小后增加，在饱和度50%和80%时随围压增加而增加。围压12 MPa下，饱和度20%、50%、80%时，含瓦斯水合物煤体临界破坏点储能系数分别为0.149、0.097、0.113，与此相比，随着围压增大，各饱和度临界破坏点储能系数分别增加-2.01%、24.83%；34.02%、62.89%；39.82%、69.03%；临界破坏点储能系数随围压增加而产生的变化幅度逐渐增大。表明饱和度50%、80%时，含瓦斯水合物煤体在临界破坏点储存弹性能的能力随着围压增加而增强，即高围压下试样受载不易发生变形破坏；且在高饱和度时该特性对围压更敏感。

3.3.4 储能极限和临界破坏点处储能系数的关系

储能系数为弹性能和总能量的比值，储能极限指弹性能在三轴加载过程中的最大值，临界破坏点储能系数和储能极限都能表现材料存储弹性能的能力，但临界破坏点储能系数与储能极限为相对值和绝对值的关系，不能够完全对应，更不能有效说明临界破坏点储能系数越大储能极限也越大。为了解含瓦斯水合物煤体储能极限与临界破坏点储能系数的关联性，本节给出了不同围压下二者关系，如图9 所示。

图9 储能极限与临界破坏点处储能系数关系Fig.9 Energy storage limit vs.energy storage coefficient at the critical failure point

由图9 可知，围压12 MPa 下，储能极限随着临界破坏点储能系数的增加先增加后减小；围压16、20 MPa下储能极限随着临界破坏点储能系数增加而增加。表明围压16、20 MPa 下，含瓦斯水合物煤体临界破坏点储能系数相对较高时其储能极限也较高，即在围压较高时临界破坏点储能系数和储能极限一样具有表征含瓦斯水合物煤体储存弹性能的能力，能够表征含瓦斯水合物煤体受能量驱动而破坏的难易程度，但在低围压时，二者相关性较弱。

4 水合物生成对煤体能量变化特性的影响

为研究煤体中水合物生成对其力学及能量变化特性的影响，本节对比分析煤体中瓦斯水合物生成前后受载变形过程中偏应力、能量变化规律及能量特征参数(临界破坏点总能量、储能极限及临界破坏点耗散能)。由于篇幅有限且不同围压、饱和度下含瓦斯煤体与含瓦斯水合物煤体能量变化规律相似，故本次仅给出围压20 MPa 下，含瓦斯煤体(含水量10.62 g)和含瓦斯水合物煤体(饱和度80%)偏应力、总能量、弹性能和耗散能与轴向应变关系曲线及峰值强度、能量特征参数柱状图，如图10 所示。

图10 含瓦斯体与含瓦斯水合物煤体参数对比分析 (围压20 MPa)Fig.10 Comparative analysis of parameters of gas-bearing coals and gas hydrate-bearing coals (at confining pressure 20 MPa)

4.1 含瓦斯煤体与含瓦斯水合物煤体能量变化规律分析

由图10a-图10d 可知，围压20 MPa 下，含瓦斯煤体和含瓦斯水合物煤体在加载破坏过程中能量变化规律一致，含瓦斯煤体在三轴压缩过程中能量变化规律也可依据偏应力-应变曲线划分为3 个阶段(弹性阶段、屈服阶段、强化阶段)。(1)弹性阶段(OA段)：试样抵抗外力破坏能力较强，外界对试样所做的功基本都转化为弹性能，无耗散能产生。(2)屈服阶段(AB段)：试样抵抗外力破坏能力逐渐减弱，初期外界对试样做的功以转化为弹性能为主，后期以转化为耗散能为主。(3)强化阶段(BC段)：试样抵抗外力破坏能力逐渐达到最大值，外界对试样做的功基本全部转化为耗散能，弹性能增加幅度逐渐减小并趋于零，虽然试样破坏严重但由于围压的约束作用，试样仍具有较强抵抗外力破坏的能力。

4.2 含瓦斯煤体与含瓦斯水合物煤体能量特征参数变化分析

由图10e、图10f 可知，围压20 MPa 下，含水量10.62 g 含瓦斯煤体峰值强度为25.856 MPa，临界破坏点总能量、储能极限及临界破坏点耗散能分别为2.726、0.456、2.269 MJ/m3；与此相比，同围压下饱和度80%含瓦斯水合物煤体峰值强度、临界破坏点总能量、储能极限及临界破坏点耗散能分别增加26.60%、24.58%、42.32%、21.11%。表明瓦斯水合物在煤体中生成能有效提高其峰值强度，增强其吸收能量、储存能量的能力，也会使其发生损伤破坏时所消耗的能量增加。从力学及能量角度均表明煤体中水合物生成能有效提高其受载时抵抗外力破坏变形的能力。

根据水合物具有胶结、填充和支撑作用，分析认为，水合物在煤体中生成后会胶结和填充煤颗粒，增强其黏聚力，强化结构完整度[45-46]，煤样受载破坏时用于克服内部颗粒滑移的能量增多，使其临界破坏点耗散能增加；同时由于颗粒间黏聚力、咬合作用增大及骨架支撑型水合物共同作用，抑制了其受载时裂缝产生及生长，增强其抗剪破坏的能力[47]，使其在受载破坏过程中能够吸收更多的能量和储存更多的弹性能，即使其临界破坏点总能量和储能极限增加。

5 讨论

受制样以及测试技术约束，本研究采用理论饱和度来表示含瓦斯水合物煤体中水合物的含量，假设水完全参与水合物的生成，这与实际水合物在煤体中的含量必然存在差别。由本次试验结果可以看出，含瓦斯水合物煤体在不同围压条件下随着水合物饱和度增加，其临界破坏点总能量和储能极限的变化有规律可循，但临界破坏点耗散能在不同围压条件下随着水合物饱和度的增加则展现出不同的变化规律。根据一些学者对水合物生成过程中水合物的赋存状态进行了一系列研究[33-36]，可知水合物实际饱和度、赋存状态及分布模式可能是导致储能极限与临界破坏点耗散能与水合物饱和度变化规律异常原因之一。

所以，采用合理方法制样减小理论饱和度与实际饱和度差异将是制样工作的研究重点，煤体中水合物赋存状态及水合物分布模式对含瓦斯水合物煤体响应特征影响机制也将是本课题组细观力学研究的重点。

6 结论

a.含瓦斯水合物煤体能量变化规律与偏应力-应变曲线各阶段相对应，在弹性阶段和屈服阶段前期，含瓦斯煤体吸收的能量主要转化为弹性能，但进入屈服阶段，弹性能增长速率逐渐降低；在屈服阶段后期及强化阶段含瓦斯煤体吸收的能量主要转化为耗散能，耗散能急剧增大，使含瓦斯水合物煤体破坏加剧。

b.围压及水合物饱和度的变化会对含瓦斯水合物煤体临界破坏点总能量、储能极限及临界破坏点耗散能产生不同影响规律；但围压及水合物饱和度的增加均有助于增加含瓦斯水合物煤体在临界破坏点处吸收的总能量，即围压与水合物饱和度增大均有助于提高其吸收能量的能力。相对于水合物饱和度，围压对于储能极限和临界破坏点耗散能的影响规律更加明显，二者均随着围压的增加而增加。

c.能耗比的变化与偏应力-应变曲线的几个阶段密切相关，其能有效反映含瓦斯水合物煤体的稳定状态。围压及水合物饱和度变化均会影响含瓦斯水合物煤体在临界稳定状态对应的轴向应变，围压对临界轴向应变影响规律性强于饱和度。

d.饱和度50%、80%时临界破坏点处储能系数随着围压的增加而增加，围压16、20 MPa 下临界破坏点处储能系数和储能极限一样也具有表征含瓦斯水合物煤体在临界破坏点处储存弹性能的能力。

e.煤体中水合物的生成能有效降低瓦斯压力，提高煤体的峰值强度、临界破坏点总能量、储能极限及临界破坏点耗散能，能够有效改善煤体力学性质。可为利用水合物技术预防煤与瓦斯突出提供重要的理论基础。

符号注释：