常规三轴压缩下含瓦斯水合物煤体能量变化规律研究_高霞.pdf

第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 常规三轴压缩下含瓦斯水合物煤体能量 变化规律研究 高霞 1， 孟 伟 1， 吴 强 2， 张保勇2 （1.黑龙江科技大学 建筑工程学院， 黑龙江 哈尔滨 150022； 2.黑龙江科技大学 安全工程学院， 黑龙江 哈尔滨 150022） 摘要 基于常规三轴压缩下含瓦斯水合物煤体的偏应力-应变曲线， 结合热力学第一定律， 研 究含瓦斯水合物煤体变形破坏过程中能量变化规律。研究表明 含瓦斯水合物煤体变形破坏过 程中以峰前弹性应变能为主导转化为峰后耗散能为主导； 所吸收的总能量、 弹性应变能、 耗散能 均随围压、 饱和度的增大而增大； 建立了饱和度和围压对煤样压缩破坏过程中临界破坏点总能 量耦合影响的多元线性回归方程， 取得了较好的拟合度； 随着围压和饱和度增加， 临界破坏点处 积聚的弹性能增大， 从而产生较大的耗散能。 关键词 煤与瓦斯突出； 含瓦斯水合物煤体； 三轴压缩； 能量特征； 临界破坏点 中图分类号 TD712文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020 ） 010-0196-06 Energy Variation Rules of Gas Hydrate-bearing Coal Under Conventional Triaxial Compression GAO Xia1, MENG Wei1, WU Qiang2, ZHANG Baoyong2 （1.School of Architecture and Civil Engineering, Heilongjiang University of Science and Technology, Harbin 150022, China; 2.School of Safety Engineering, Heilongjiang University of Science while the gas hydrate-bearing coal may experience energy dissipation after the peak stress. Then, the total energy, elastic strain energy and dissipation energy all increase with increasing of the confining pressure and the saturation. Furthermore, the multiple linear regression equation depicting the viriation of saturation and confining pressure was established with the total energy of the critical failure point, with the better fitting effect. Moreover, the elastic energy accumulation at the failure point increases, thus producing the larger dissipation energy. Key words coal and gas outburst; gas hydrate-bearing coal; triaxial compression; energy characteristics; critical failure point 目前较为普遍的学术观点认为煤与瓦斯突出 的过程是地应力、瓦斯压力、煤体自身力学性质相 互作用的结果[1]。吴强课等提出利用瓦斯水合固化 技术防治煤与瓦斯突出并通过试验初步证实瓦斯水 合物的生成降低了瓦斯压力，提高了煤体的强度， 有利于煤与瓦斯突出的防治[2-3]。利用水合物技术 预防煤与瓦斯突出的关键之一在于深入了解含瓦 斯水合物煤体的力学性质。而煤岩变形破坏过程中 的能量演化规律能够更真实地反映煤岩体变形破坏 的本质特征[4]。目前有关三轴压缩条件下含瓦斯水 合物煤体的能量转化机制研究工作尚未有报道。部 分学者对受载煤体变形破坏过程中能量的演化规律 加以研究[5-11]， 研究证明在三轴压缩变形过程中瓦斯 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.010.031 高霞， 孟伟， 吴强， 等.常规三轴压缩下含瓦斯水合物煤体能量变化规律研究 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （10 ） 196-201. GAO Xia, MENG Wei, WU Qiang, et al. Energy Variation Rules of Gas Hydrate-bearing Coal Under Con－ ventional Triaxial Compression ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （10） 196-201.移动扫码阅读 基金项目 国家自然科学基金资助项目 （51974112， 51674108） ； 黑 龙江省普通本科高等学校青年创新人才培养计划资助项目 （UNPYSCT- 2017138） 196 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 图 2含瓦斯水合物煤体偏应力-应变曲线关系[15] Fig.2Deviatoric stress-strain curves of gas-bearing hydrate coal[15] （a ） 装置组成（b） 三轴压力室 图 1瓦斯水合固化和三轴压缩荷载作用于一体的 试验装置设备图 Fig.1Experimental equipment of gas hydrate ation and triaxial compression 压力、 卸荷速率、 围压对煤岩破坏过程能量变化有 一定影响。因此， 从能量角度研究煤岩变形破坏规 律， 更接近煤岩的变形破坏本质[12-14]。鉴于此， 对含 瓦斯水合物煤体变形破坏过程中的能量变化规律深 入研究，初步探讨围压、饱和度对含瓦斯水合物煤 体在三轴压缩过程中能量变化规律的影响，建立饱 和度和围压对煤样压缩破坏过程中临界破坏点总能 量耦合影响的多元线性回归方程，以期对三轴压缩 破坏过程中煤岩能量耗散方面的研究做有益补充， 并可对利用瓦斯水合技术预防煤与瓦斯突出提供理 论依据。 1试验概况 试验采用含瓦斯水合物煤体力学性质测试装 置，瓦斯水合固化高压反应和三轴压缩荷载作用于 一体的试验装置设备如图 1。装置主要由高低温恒 温试验箱、围压加载仪、轴压加载仪和空气压缩机 组成， 具体参数见文献[15]。所用煤样取自七台河市 桃山矿。型煤直径为 50 mm， 高为 100 mm； 试验所 用的瓦斯气体为哈尔滨通达气体有限公司提供的纯 度为 99.99的 CH4； 试验所用蒸馏水为自制， 试样 制备与步骤见文献[15]。 2试验结果 三轴压缩试验得到的围压分别为 4、 5、 6 MPa， 饱和度分别为 50、 60、 70、 80时， 饱和度与含 瓦斯水合物煤体偏应力-应变曲线关系如图 2。 从图 2 可以看出，含瓦斯水合物煤体的偏应 力-应变曲线可以分为 3 个阶段 线弹性阶段、 屈服 阶段、破坏后阶段。相同围压、不同饱和度下偏应 力-应变曲线的变化趋势基本一致，都呈应变软化 型。此外，含瓦斯水合物煤体的峰值强度和残余强 度随饱和度和围压的增大均有所增大。含瓦斯水合 物煤体在围压逐渐增高的情况下，煤体线弹性阶段 的偏应力-应变曲线形态基本相同；屈服阶段主要 发生不可恢复的塑性变形，可见随着围压的增大， 饱和度增加， 即水合物生成越多， 含瓦斯水合物煤体 的塑性变形能力加强。 以水合物饱和度 50为例， 围压从 4 MPa 增至 6 MPa，煤样的峰值强度增量分别为 2.062、 1.479 MPa，增幅分别为 34.8、 18.5；以围压 4 MPa 为 例， 饱和度从 50增至 80， 煤样的峰值强度增量 分别为 0.624、 1.173、 1.006 MPa， 增幅分别为 10.6、 17.9、 13.0。分析可见煤体随着围压、 饱和度的增 加承受破坏能力越来越高。 197 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 图 3围压 4 MPa 条件下含瓦斯水合物煤体能量变化规律 Fig.3Energy variations of gas hydrate-bearing coal at 4 MPa 3煤岩变形破坏过程中的能量演化机制理论 在煤岩变形破坏过程中， 总能量、 耗散能与弹性 应变能的关系[13]如下 U＝U d U e （1） 式中 U 为外部输入的总能量， MJ/m3； U d 为煤体 单元的耗散能， MJ/m3； U e 为煤体单元的弹性应变 能， MJ/m3。 在三轴压缩试验中 σ2σ3，总能量 U 的计算公 式为[9] U n i 1 Σ 1 2 △σi1△σiiiεi1-εiii- n i 1 Σ △σ3i1-iip σ3i-iipiiε3i1-ε3iii（2） 式中 △σi为偏应力-应变曲线中对应每点的主 应力差， MPa； εi为偏应力-应变曲线中对应每点的 轴向应变值， ； σ3i为径向应变曲线中对应每点的 应力值， MPa； p 为孔隙压力， MPa； σ3i为径向应变曲 线中对应每点应变值， 。 煤体弹性应变能的计算公式为 U e △σiii 2 2Eu （3） 式中 Eu为卸载弹性模量， MPa。 试验中， 取初始弹性模量 E0代替 Eu， 尤明庆等 验证了 E0代替 Eu的合理性[16]。则式 （3） 可改为 U e ≈ △σiii 2 2E0 （4） 式中 E0为初始弹性模量， MPa。 综合式 （1 ） 、 式 （4） ， 得到煤岩变形破坏过程中 耗散能的数学表达式为 U d U- △σiii 2 2E0 （5） 4含瓦斯水合物煤体能量变化规律 4.1能量特征 围压为 4 MPa， 饱和度分别为 50、 60、 70、 80下， 含瓦斯水合物煤体能量变化规律如图 3。图 3 能量变化规律表明 在同一围压下， 随着饱和度增 大，即水合物生成越多，煤样压缩破坏过程中吸收 的总能量 U 越大。 此外总能量 U、弹性应变能 Ue在线弹性阶段， 随着水合物煤体试验过程中变形程度的增加而不断增加， 而此阶段耗散能 Ud处于较低的状态， 由图可 198 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 图 4临界破坏点能量变化与不同围压、 饱和度的关系 Fig.4Variations of energy with different confining pressures and saturations for critical failure point 表 1含瓦斯水合物煤样临界破坏点能量计算结果 Table 1Calculated energy of critical failure point for hydrate-bearing coal 围压/MPa饱和度/U/ （MJ m-3） Ue/ （MJ m-3）Ud/ （MJ m-3） 4 50 60 70 80 0.103 0.124 0.146 0.188 0.055 0.069 0.095 0.115 0.048 0.055 0.051 0.073 5 50 60 70 80 0.137 0.164 0.221 0.515 0.093 0.118 0.159 0.357 0.045 0.046 0.061 0.169 6 50 60 70 80 0.179 0.299 0.464 0.585 0.079 0.170 0.240 0.355 0.099 0.129 0.224 0.235 知其几乎没有增长的趋势， 此时总能量 U 与弹性应 变能 Ue曲线变化相当， 表明水合物煤体内部在线弹 性阶段只有极少部分用于能量耗散，水合物煤体产 生破坏较少；当进入屈服破坏阶段，煤样基本不再 吸收应变能， 弹性应变能 Ue由原来随着偏应力增加 而不断增加开始转变为随着偏应力增加而不断下 降，存储在水合物煤体中的弹性应变能 Ue逐渐释 放，而耗散能 Ud开始随着偏应力的增加而快速增 加，表明水合物煤体内部产生的破坏程度快速增 加； 当进入破坏后阶段， 弹性应变能 Ue趋于平缓， 没 有明显变化， 而总能量 U 和耗散能 Ud不断增加， 表 明此阶段水合物煤体所吸收的总能量 U 几乎都转 化为耗散能 Ud耗散了。 4.2围压和饱和度的影响 引入临界破坏点总能量、储能极限和临界破坏 点耗散能[9]， 以便研究饱和度和围压分别与临界破 坏点总能量、储能极限、临界破坏点耗散能之间的 关系。不同饱和度下煤样临界破坏点能量计算结果 见表 1。 从表 1 可以看出， 围压从 4 MPa 升高到 5 MPa， 低饱和度下临界破坏点总能量 U、储能极限 Ue、 临 界破坏点耗散能 Ud的变化量并不大， 高饱和度下临 界破坏点总能量 U、 储能极限 Ue、 临界破坏点耗散 能 Ud变化明显， 而从 5 MPa 升高到 6 MPa， 三者都 有明显的增大，说明在较高围压和较高饱和度下， 水合物煤体前期储存了较高的弹性应变能 Ue， 从而 煤样在屈服破坏阶段得到释放，使水合物煤体在压 缩过程中发生较大程度的破坏。 临界破坏点能量变化与不同围压、饱和度的关 系如图 4。 由图 4 （a） 可知， 含瓦斯水合物煤样临界破坏点 总能量随饱和度、围压增大而增大。与围压 4 MPa 煤样变形破坏比较， 在饱和度为 50， 围压分别为 5、 6 MPa 时，煤样临界破坏点总能量 U 分别增大了 0.034、 0.076 MJ/m3，增 长 百 分 比 分 别 为 33.0 、 73.8； 此外在饱和度为 60、 70、 80时， 煤样临 界破坏点总能量 U 分别增大了 0.04、 0.175、 0.075、 0.318、 0.327、 0.397 MJ/m3，增长百分比分别为32.3、 141.1、 51.4、 217.8、 173.9、 211.2。可见在同 一饱和度下，随着围压的不断增大，水合物煤体临 199 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 界破坏点总能量 U 不断增大； 在同一围压下， 水合 物煤体临界破坏点总能量 U 随着饱和度的增加不 断增大。 分析发现， 临界破坏点总能量 U 随围压和饱和 度的增大呈近似线性增大，因此，为明确饱和度和 围压对临界破坏点总能量 U 的耦合影响关系、 预测 临界破坏点总能量 U 随饱和度 Sh和围压 σ3的变化 趋势，建立了围压、饱和度与临界破坏点总能量 U 的多元线性回归方程 Uaσ3bShc（6） 式中 a、 b、 c 均为回归系数。 利用多元线性回归分析方法，可确定多元线性 回归方程如下 U-0.9610.121σ30.950Sh（7） 基于图 4 （a） 中的相关数据， 对多元线性回归方 程 （7） 进行检验， 得到 R2为 0.820， 说明拟合公式的 相关系数较好， 能表达饱和度 Sh、 围压 σ3与临界破 坏点总能量 U 之间的耦合关系。分析认为， 围压对 煤样具有压密作用[17]， 围压越大， 压密作用越明显， 煤样内部颗粒之间的作用越紧密，因此，随着围压 越大，临界破坏点总能量越大。针对含水合物沉积 物的研究发现，水合物生成对其赋存介质的粘聚力 有明显的提升作用[18-19]， 随着饱和度的增大煤样的 粘聚力提升作用越强烈[20]， 故随着饱和度增大， 即水 合物生成越多， 临界破坏点总能量越大。 由图 4 （b ） 可知， 煤样在围压分别为 4、 5、 6 MPa， 饱和度分别为 50、 60、 70、 80下煤岩在偏应 力达到峰值时，储能极限呈上升趋势，可以看出饱 和度越大，即水合物生成越多，水合物煤体在破坏 过程中储能极限的积聚越大，同时储能极限随着围 压的不断增大而呈上升趋势，由于篇幅所限，仅列 出围压 4 MPa、饱和度分别为 50、 60、 70、 80 下的储能极限，此时增量分别为 0.014、 0.026、 0.02 MJ/m3，增长百分比分别为 25.5、 37.7、 17.4； 饱和度为 60、 围压分别为 4、 5、 6 MPa 下的储能极 限， 增量分别为 0.049、 0.052 MJ/m3， 增长百分比分 别为 71.0、 30.3，分析可见同一围压下水合物煤 体随着饱和度的增加储能极限不断增大；同一饱 和度下随着围压的不断增大水合物煤体的储能极 限也在增大，由此说明围压和饱和度均对煤样有较 大影响。 由图 4 （c）可知， 煤样在围压 4、 5、 6 MPa， 饱和 度分别为 50、 60、 70、 80下的临界破坏点耗 散能 Ud总体呈上升趋势， 可以看出低围压和低饱和 度下临界破坏点耗散能 Ud的变化不是很明显， 但随 着围压和饱和度的增加， 临界破坏点耗能 Ud不断增 加， 这是由于随着围压和饱和度的增大， 在峰值偏应 力点处储能极限的积聚也会增大，从而产生较大的 耗散能。 通过在不同围压、饱和度下含瓦斯水合物煤体 三轴压缩破坏过程中能量变化的特征曲线，得到煤 样在三轴压缩破坏过程中临界破坏点总能量 U、 储 能极限 Ue和临界破坏点耗散能 Ud都会随之变化， 发现 2 种条件下都会对煤样产生较大影响；通过不 同围压、饱和度下总能量与多元线性回归方程的拟 合结果可以看出，在不同饱和度、围压下临界破坏 点总能量呈线性增加。 5结论 1） 含瓦斯水合物煤体偏应力-应变曲线都呈应 变软化型，煤样在线弹性阶段随着饱和度越高所积 累的总能量和弹性应变能越大；在屈服阶段，弹性 应变能快速下降，耗散能快速增加，煤样由原来的 弹性应变能主导转化为耗散能主导；煤样在破坏后 阶段， 总能量、 耗散能不断增加， 弹性应变能趋于平 缓状态。 2） 临界破坏点总能量随着围压和饱和度的增加 总体呈线性增加关系， 建立围压 σ3、 饱和度 Sh与临 界破坏点总能量 U 之间的多元线性回归方程； 饱和 度越大，煤样在破坏过程中线弹性阶段弹性应变能 的积聚越大，同时此阶段储能极限随着围压的增大 亦呈上升趋势； 随着围压和饱和度的增加， 临界破坏 点耗散能不断增加。 参考文献 ［1］ 俞启香.矿井瓦斯防治 ［M］ .徐州 中国矿业大学出版 社， 1992. ［2］WU Qiang, HE Xueqiu. 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