圍壓對含瓦斯水合物煤體應力應變關系的影響

張保勇,高　橙,高　霞,劉文新,吳　強,張　強

(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 基礎研究國家級專業中心實驗室,哈爾濱 150022;3.黑龍江科技大學 建筑工程學院,哈爾濱 150022)

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圍壓對含瓦斯水合物煤體應力應變關系的影響

張保勇1,2,高橙1,2,高霞2,3,劉文新1,2,吳強1,2,張強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 基礎研究國家級專業中心實驗室,哈爾濱 150022;3.黑龍江科技大學 建筑工程學院,哈爾濱 150022)

力學性質是基于水合原理預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。結果表明:三種圍壓下,應力-應變曲線均為軟化型;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,而內摩擦角的變化較小;含瓦斯水合物煤體的初始屈服強度、峰值強度、殘余強度和變形模量隨著圍壓的增加呈線性關系增加,圍壓對含瓦斯水合物煤體的力學性質有所強化。

煤與瓦斯突出;含瓦斯水合物煤體;三軸壓縮實驗;力學性質;應力應變關系

0　引　言

煤與瓦斯突出是煤礦生產過程最為嚴重自然災害之一,其發生主要取決于煤層所處的地應力狀態、瓦斯壓力和煤巖物理力學特性[1]。吳強等[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。目前,有關煤體富含水合物狀態下力學性質研究工作相關文獻報道較為有限[3],類似研究主要集中于含天然氣水合物沉積物力學性質方面,其主要為了解決鉆井安全(如井壁失穩)、氣候環境變化導致的地質災害(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特性;魏厚振等[6]研究了常規三軸作用下含天然氣水合物沉積物變形和強度等力學參數隨飽和度和圍壓的變化規律;Yun等[7]研究了含不同飽和度四氫呋喃水合物的砂土、黏土和粉土的強度;李洋輝等[8]研究發現圍壓的提高引起了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實驗。綜合以上研究發現,圍壓是影響水合物沉積物力學特性的一個重要因素,這些研究工作有助于深入認識含水合物介質的力學特性與破壞機制。

筆者利用自主研發的集低溫高壓水合固化反應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性質影響。

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充分攪拌。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。按照國際巖石力學學會標準制作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。型煤試樣孔隙結構特征采用美國康塔PoreMaster33型壓汞儀進行測試,實驗中汞的表面張力取0.480 N/m,汞與煤接觸角取140°,實驗進汞壓力范圍為0.14～231 MPa,相應孔徑D范圍為0.007～1 000 μm。經壓汞儀測得孔容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、恒溫控制箱、氣體增壓系統、數據采集系統等。核心部分為水合固化-荷載高壓反應釜,煤樣即安裝在水合固化-荷載高壓釜內,反應釜可承受最大圍壓30 MPa、最大軸壓50 MPa、釜內承壓16 MPa,可對樣品進行兩端同時供氣,滿足氣體平穩供應;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性質原位測試裝置

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定區域,可生成CH4水合物。

對于甲烷氣體,其水合過程可由化學方程式控制:

(1)

基于水完全參加反應的假設,本組實驗設定80%的飽和度條件。結合1.1煤樣壓汞測試數據,可以計算出不同飽和度狀態下初始注水量mw:

VH=SH×vP×ms,

(2)

mH=VH×ρH,

(3)

mw=mH×(46×18)/(46×18+8×16),

(4)

式中，ms為試樣型煤質量220 g,孔容vP為 0.189 2 ml/g,mH為水合物質量,mw為達到目標飽和度所需水的質量;因甲烷水合物為Ⅰ型水合物,其密度為ρH=0.91 g/cm3。據此,計算出生成目標飽和度為80%的含瓦斯水合物煤體需水量為26.05 g。

1.4實驗方案

為系統探討圍壓對含瓦斯水合物煤體力學性質的影響,設定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,通過進氣管路通入0.3 MPa氣體壓力,排空;反復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)恒溫箱溫度設定為0.5 ℃,進行水合反應,反應過程中壓力下降0.1 MPa即對孔隙壓力進行補氣,使其保持在4.0 MPa,最后當氣體壓力連續6 h不再下降時,認為水合物完全生成。試樣中瓦斯水合物完全生成后,開始進行三軸壓縮實驗,先加圍壓至4.0 MPa,保持釜內瓦斯壓力不變,然后施加軸壓直至應變達到15%,實驗終止。

(4)根據采集數據分析圍壓對含瓦斯水合物煤體的屈服強度、峰值強度、殘余強度、變形模量的影響,并且計算應力-應變曲線不同階段的黏聚力和內摩擦角。

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

2　結果與討論

2.1應力-應變關系

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下的應力-應變曲線如圖4所示,圖4中可以看出:三種圍壓下,應力-應變曲線呈應變軟化型,含瓦斯水合物煤樣峰后應力發生脆性跌落;參考巖石的應力-應變全過程曲線[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化段,峰值強度之前曲線斜率變化明顯的應力點取為初始屈服點,出現強化處;隨著圍壓升高,含水合物煤體的峰值強度和殘余強度均有明顯增大。

圖4　含瓦斯水合物煤體應力-應變關系

進一步分析應力-應變曲線,將全曲線分為以下四個階段:

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

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

(3)應變軟化段BC:在峰值強度點之后,應力-應變曲線為負斜率,在應變軟化過程中,強度參數由峰值逐漸下降到殘余值,發生脆性跌落。主應力差隨著應變的增大開始降低,但降低幅度緩慢。

(4)殘余變形段C點后:該階段偏應力差隨著應變增大基本保持不變。

2.2圍壓對含瓦斯水合物煤體強度的影響

對不同圍壓下應力-應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度、峰值強度、殘余強度和變形模量,表1為含瓦斯水合物煤體應力-應變全程曲線的特征參數。圖5分別為圍壓與初始屈服強度、峰值強度和殘余強度的關系。

表1　應力-應變全程曲線特征參數

圖5　含瓦斯水合物煤體不同圍壓與各強度的關系

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,所對應的起始屈服強度分別為6.12、7.80和12.55 MPa;其初始屈服強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,所對應的峰值強度分別為9.51、10.63和13.94 MPa,其峰值強度隨圍壓增加后的增大率分別為11.78%和31.14%;與峰值強度相對應的軸向應變分別為3.45%、3.65%和3.79%,可見對于不同的圍壓,當試樣達到峰值強度時,其軸向應變趨于相同。圖5c為不同圍壓與殘余強度的關系,圍壓為4.0、5.0和6.0 MPa時所對應的殘余強度分別為6.5、9.3和11.1 MPa,其殘余強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行分析發現,在一定飽和度下,含瓦斯水合物煤樣的初始屈服強度、峰值強度和殘余強度均隨著圍壓的增加而增大。

隨著圍壓增加,初始屈服強度、峰值強度和殘余強度明顯增大。強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

目前因缺少相關的含瓦斯水合物煤體力學特性的力學檢測標準,文中取偏應力達到50%峰值強度σ1p時對應的割線模量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。當圍壓為4.0、5.0和6.0 MPa時所對應的變形模量分別為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系

2.4不同階段的黏聚力和內摩擦角

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摩擦角的值,分別繪制不同圍壓的摩爾應力圓求所需的強度參數,如圖7所示。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進而確定黏聚力c和內摩擦角φ的大小。

圖7　瓦斯水合物煤體不同階段的摩爾應力圓

從計算結果看,峰前強化時的黏聚力最小,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,降低幅度達到35%,而內摩擦角的變化不大。

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

3　結　論

(1)含瓦斯水合物煤體的應力-應變曲線均為應變軟化型。應力-應變全曲線分為四個階段,分別為峰前線彈性階段和強化段,以及峰后應力軟化段和殘余變形段。

(2)隨著圍壓增加,峰值強度、殘余強度和變形模量呈單調遞增,符合Coulomb強度準則。

(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。

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(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

國家自然科學基金重點項目(51334005),國家自然科學基金項目(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用,E-mail:zhangbaoyong2002@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.02.005

TD712

2095-7262(2015)02-0137-06

A