不同圍壓與飽和度下含瓦斯水合物煤體能量變化規(guī)律

祝 威，高 霞，張保勇,*，吳 強(qiáng)

(1.黑龍江科技大學(xué) 安全工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022；2.黑龍江科技大學(xué) 建筑工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022)

煤與瓦斯突出是一種復(fù)雜動(dòng)力災(zāi)害，嚴(yán)重威脅煤礦安全[1-4]，隨著我國(guó)煤礦開(kāi)采深度的增加，煤層瓦斯壓力和含量呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，煤與瓦斯突出問(wèn)題更加嚴(yán)峻[5-6]。

在煤體中生成瓦斯水合物不僅可以降低煤體中瓦斯壓力還能有效提高煤體強(qiáng)度，體現(xiàn)了水合固化技術(shù)對(duì)煤與瓦斯突出防治的積極作用[7-9]。水合固化防突技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵之一是深入了解煤體在瓦斯水合固化前后力學(xué)性質(zhì)變化。含瓦斯水合物煤體作為一種多元多相非均勻介質(zhì)，由于水合物在煤體中的存在，與煤巖存在較大不同，其力學(xué)性質(zhì)受水合物含量(飽和度)與圍壓的共同影響。煤巖材料破壞的本質(zhì)是能量驅(qū)動(dòng)下的失穩(wěn)破裂[10-11]，煤礦井下采場(chǎng)和煤巷周?chē)后w多處于三向應(yīng)力或雙向應(yīng)力狀態(tài)[12]，煤巖的破裂演化過(guò)程與應(yīng)力狀態(tài)和加載過(guò)程具有強(qiáng)烈的相關(guān)性[13]，目前關(guān)于煤巖試驗(yàn)?zāi)芰垦莼治龅难芯恐邪凑赵囼?yàn)方式可以分為單軸壓縮試驗(yàn)和三軸壓縮試驗(yàn)的能量分析2 種[14]。因此，探尋圍壓與飽和度共同作用下含瓦斯水合物煤體三軸壓縮破壞過(guò)程中的能量演化規(guī)律，為揭示其破壞內(nèi)在機(jī)制提供新思路，對(duì)科學(xué)指導(dǎo)煤與瓦斯突出動(dòng)力災(zāi)害防治具有重要意義。

為揭示巖石破壞內(nèi)在機(jī)制，眾多學(xué)者圍繞著煤巖破壞過(guò)程中能量演化規(guī)律開(kāi)展了一系列研究，取得了一系列研究成果。在煤巖三軸壓縮條件下能量變化規(guī)律方面：謝和平等[15-16]系統(tǒng)性開(kāi)展了巖石變形破壞過(guò)程的熱力學(xué)分析，揭示了能量積聚、耗散和釋放與巖石強(qiáng)度及破壞的內(nèi)在聯(lián)系；楊永杰等[17]基于加卸載試驗(yàn)，得出了煤巖破壞過(guò)程中峰值應(yīng)力前能量的演化規(guī)律；王向宇[18]、Yu Xin[19]等通過(guò)研究揭示了煤巖能量演化特征及損傷機(jī)制與圍壓的關(guān)系；張堯[20]、康向濤[21]等基于三軸試驗(yàn)分析并探討了不同變形破壞階段煤巖的能量演化趨勢(shì)與圍壓和瓦斯壓力的關(guān)系；齊消寒[22]、張軍[23]等通過(guò)研究得出煤樣總能量在峰值應(yīng)力前以積聚能量為主且能量積聚與圍壓呈正相關(guān)；魯細(xì)根等[24]分析了三軸卸荷條件下能量耗散特性發(fā)現(xiàn)圍壓能夠提高煤體峰值彈性能、極限儲(chǔ)能及殘余彈性能；秦虎等[25]基于卸圍壓試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)煤巖加載階段吸收的能量與卸載階段釋放的能量均隨著圍壓的增加而增加；溫韜等[26]通過(guò)開(kāi)展三軸壓縮試驗(yàn)，揭示了圍壓與耗散能及損傷值之間的關(guān)系；紀(jì)洪廣等[27]基于三軸循環(huán)加卸載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)巖石儲(chǔ)能能力隨著圍壓的增大而提高；此外，還有一些學(xué)者通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)隨著圍壓增大巖石峰值處的彈性能和總能量均有所增加[28-30]。在煤巖能量特征參數(shù)方面，李波波等[31]基于三軸壓縮試驗(yàn)定義了臨界破壞點(diǎn)總能量、儲(chǔ)能極限和臨界破壞點(diǎn)耗散能的概念；Wang Peng 等[32]通過(guò)三軸加卸載試驗(yàn)，給出了耗能比的定義；楊小彬[33]、Wang Zhonghui[34]等通過(guò)開(kāi)展砂巖力學(xué)特征試驗(yàn)，得出了耗能比與軸向應(yīng)變及圍壓的關(guān)系，并指出耗能比可以反映巖石內(nèi)部損傷及塑性變形情況；Li Diyuan 等[35]通過(guò)研究也指出耗能比可以用來(lái)描述巖石變形和破壞程度；宮鳳強(qiáng)等[36]揭示了彈性能和總輸入能間的線(xiàn)性函數(shù)關(guān)系，并定義二者的比值為儲(chǔ)能系數(shù)。張志鎮(zhèn)等[37]基于紅砂巖軸向加、卸載試驗(yàn)，分析了彈性能比例與圍壓的關(guān)系，揭示了儲(chǔ)能能力與圍壓的關(guān)系；孟慶彬等[38]基于三軸循環(huán)加卸載試驗(yàn)，揭示了圍壓對(duì)受載巖樣能量演化特征的影響規(guī)律并指出最大彈性能(巖石儲(chǔ)能極限)占總能量的比值隨著圍壓的提高而增大。

通過(guò)上述分析可知，目前對(duì)于能量方面的研究主要是針對(duì)煤巖在常規(guī)三軸壓縮及三軸卸圍壓試驗(yàn)條件下，且主要試驗(yàn)變量為瓦斯壓力、圍壓及加載速率等，而對(duì)于以圍壓與飽和度共同作用下含瓦斯水合物煤體的能量變化規(guī)律研究鮮見(jiàn)報(bào)道?；诖?，有必要對(duì)含瓦斯水合物煤體展開(kāi)能量方面的研究。

據(jù)此，以含瓦斯水合物煤體為研究對(duì)象，基于常規(guī)三軸試驗(yàn)獲得的不同飽和度(20%、50%、80%)含瓦斯水合物煤體在不同圍壓(12、16、20 MPa)下的偏應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線(xiàn)，計(jì)算分析偏應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^(guò)程中輸入能、彈性能、耗散能的變化規(guī)律，并引入臨界破壞點(diǎn)總能量Uf、儲(chǔ)能極限和臨界破壞點(diǎn)耗散能3 種能量特征參數(shù)，建立能量轉(zhuǎn)化與變形破壞之間的聯(lián)系，進(jìn)一步探索深部條件下含瓦斯水合物煤體的破壞機(jī)制，以期形成預(yù)防煤與瓦斯突出更為有效的防治方法，保障深部煤炭資源安全產(chǎn)出。

1 巖石破壞過(guò)程中能量演化機(jī)制

假設(shè)單元體積巖石在外力作用下產(chǎn)生變形時(shí)與外界不存在熱交換，即一個(gè)封閉系統(tǒng)，外力所做的功U可認(rèn)為全部被巖石吸收，根據(jù)熱力學(xué)第一定律[15]可得：

單元體積巖石應(yīng)力功及能量的計(jì)算[12]：

由式(3)可知彈性能是由3 個(gè)方向應(yīng)力做功總和，由于常規(guī)三軸試驗(yàn) σ2=σ3且圍壓做功產(chǎn)生的彈性能遠(yuǎn)小于軸向的，可忽略不計(jì)[31]，可認(rèn)為彈性能主要由軸向應(yīng)力加載做功產(chǎn)生，故彈性能公式可簡(jiǎn)化為：

又由于軸向應(yīng)力做功是在靜水壓力的基礎(chǔ)上做功即應(yīng)力差 Δσ做功，故彈性能可改寫(xiě)為：

聯(lián)合式(1)和式(5)可得出巖石破壞過(guò)程中耗散能為：

2 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)采用含瓦斯水合物煤體力學(xué)性質(zhì)原位測(cè)試裝置進(jìn)行含瓦斯水合物煤體力學(xué)試驗(yàn)，該裝置主要由加載系統(tǒng)，瓦斯氣體供給系統(tǒng)，溫度控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1 所示，該裝置最大軸向壓力600 kN，最大圍壓100 MPa，溫度設(shè)置范圍-40～80℃，精度±0.5℃，軸向變形測(cè)量最大值20 mm，徑向變形測(cè)量最大值10 mm。在測(cè)試過(guò)程中能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)軸壓、圍壓、溫度、軸向變形及徑向變形等相關(guān)參數(shù)。

圖1 含瓦斯水合物煤體力學(xué)性質(zhì)原位測(cè)試裝置[9]Fig.1 In-situ testing device for mechanical properties of gas hydrate-bearing coals [9]

試驗(yàn)所采用原煤取自龍煤集團(tuán)新安煤礦8 號(hào)上煤層，試驗(yàn)主要包括煤體中瓦斯水合物生成試驗(yàn)和含瓦斯水合物煤體三軸壓縮試驗(yàn)，主要操作步驟如下：

(1) 采用粉碎機(jī)將原煤粉碎并選取60～80 目(0.250～0.180 mm)煤粉。

(2) 采用壓力試驗(yàn)機(jī)將煤粉壓制成標(biāo)準(zhǔn)圓柱形試樣，試樣尺寸為高×直徑=100 mm×50 mm (壓力97 kN 保壓3 h)。

(3) 將煤樣放置到三軸壓力室中進(jìn)行瓦斯吸附(純度99.99%，壓力6 MPa 持續(xù)16 h)制備含瓦斯煤樣。

(4) 對(duì)瓦斯制備成型的含瓦斯煤體進(jìn)行降溫(0.5℃持續(xù)24 h)使瓦斯水合物在煤體中生成，制備含瓦斯水合物煤體試樣，具體生成過(guò)程如圖2 所示。

圖2 水合物在煤體中生成路徑及壓力-溫度-時(shí)間曲線(xiàn)Fig.2 Formation path and pressure-temperature-time curves of hydrates in coals

(5) 對(duì)制備成型的含瓦斯水合物煤體進(jìn)行常規(guī)三軸加載試驗(yàn)。

(6) 對(duì)于不同圍壓、飽和度含瓦斯水合物煤體三軸試驗(yàn)，重復(fù)步驟(1)-步驟(5)。試驗(yàn)方案見(jiàn)表1，飽和度計(jì)算方法見(jiàn)文獻(xiàn)[7]，具體試驗(yàn)步驟見(jiàn)文獻(xiàn)[9]。

表1 含瓦斯水合物煤體三軸試驗(yàn)方案Table 1 Triaxial test scheme for gas hydrate-bearing coals

由于篇幅有限且不同圍壓下制備不同飽和度含瓦斯水合物煤體全過(guò)程壓力-溫度-時(shí)間曲線(xiàn)變化規(guī)律一致，故選此工況進(jìn)行分析。結(jié)合圖2，對(duì)瓦斯水合物在煤體中生成全過(guò)程的溫度-瓦斯壓力-時(shí)間曲線(xiàn)進(jìn)行分析，將含瓦斯水合物煤體制備過(guò)程分為瓦斯吸附、水合物生成、水合物穩(wěn)定存在3 個(gè)階段。

1) 瓦斯吸附階段

吸附開(kāi)始，瓦斯壓力為6.0 MPa，溫度為常溫，此時(shí)對(duì)應(yīng)圖2a 中b點(diǎn)和圖2b 中瓦斯吸附階段初期；隨著瓦斯吸附進(jìn)行，瓦斯壓力逐漸下降，16 h 后瓦斯壓力趨于穩(wěn)定，認(rèn)為瓦斯吸附結(jié)束，此時(shí)對(duì)應(yīng)圖2a 中c點(diǎn)和圖2b 中瓦斯吸附末期。根據(jù)文獻(xiàn)[39]可判定煤體中瓦斯吸附達(dá)到平衡。

2) 水合物生成階段

降溫開(kāi)始，瓦斯壓力再次下降，此階段對(duì)應(yīng)圖2a中c-d段和圖2b 中水合物生成階段，水合物生成的相平衡溫度和壓力為(0.5℃、2.77 MPa)，壓力越高，越能促進(jìn)水合物生成，因此水合物生成的溫度和壓力確定為(0.5℃、4 MPa)。由圖2b 可知，隨著溫度降至0.5℃，瓦斯壓力不再下降，根據(jù)相平衡原理[40]可知此階段瓦斯水合物在煤體中生成。

3) 水合物穩(wěn)定存在階段

溫度基本保持恒定0.5℃，瓦斯壓力基本不變，表明此階段瓦斯水合物穩(wěn)定存在。

3 含瓦斯水合物煤體能量變化特性

3.1 能量變化規(guī)律

通過(guò)能量計(jì)算公式(前5 個(gè)公式)，分別計(jì)算出含瓦斯水合物煤體三軸壓縮全過(guò)程中總能量U、彈性能Ue及耗散能Ud。不同圍壓(12、16、20 MPa)、飽和度(20%、50%、80%)下含瓦斯水合物煤體偏應(yīng)力-能量-應(yīng)變曲線(xiàn)及能量指標(biāo)變化全過(guò)程如圖3 所示。

圖3 不同圍壓和飽和度條件下含瓦斯水合物煤體能量變化規(guī)律Fig.3 Laws of changes in the energy of gas hydrate-bearing coals under different confining pressures and saturations

結(jié)合圖3 中偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)變化特征，對(duì)不同圍壓、飽和度下含瓦斯水合物煤體三軸壓縮過(guò)程中能量變化特性進(jìn)行分析，將含瓦斯水合物煤體試樣壓縮過(guò)程中能量變化過(guò)程劃分為3 個(gè)階段。

1) 彈性階段(OA段)

外界輸入的總能量和彈性能均隨著偏應(yīng)力增加而緩慢增加，彈性能曲線(xiàn)基本和總能量曲線(xiàn)重合，耗散能曲線(xiàn)保持在很小的定值附近呈現(xiàn)水平狀發(fā)展(基本趨近于0)，此階段彈性能大于耗散能，彈性能轉(zhuǎn)化率較高。表明彈性階段試樣在外力作用下內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得較為密實(shí)無(wú)微裂紋萌生，外界對(duì)試樣所做的功基本都轉(zhuǎn)化為彈性能儲(chǔ)存在試樣中，耗散能基本沒(méi)有產(chǎn)生，試樣抵抗變形破壞的能力能夠得到充分發(fā)揮。

2) 屈服階段(AB段)

隨著偏應(yīng)力持續(xù)增加各能量指標(biāo)均有所增加，彈性能曲線(xiàn)不再與總能量曲線(xiàn)重合，外界對(duì)試樣做的功不再全部轉(zhuǎn)化為彈性能，此階段初期外界對(duì)試樣做的功仍以轉(zhuǎn)化為彈性能為主，耗散能增加速率高于彈性能，耗散能曲線(xiàn)呈現(xiàn)“上凹狀”，彈性能曲線(xiàn)呈現(xiàn)“上凸?fàn)睢?，此階段后期耗散能超越彈性能，彈性能轉(zhuǎn)化率開(kāi)始降低。表明隨著偏應(yīng)力增大，試樣內(nèi)部開(kāi)始出現(xiàn)微裂紋并發(fā)生裂紋擴(kuò)展，導(dǎo)致試樣整體結(jié)構(gòu)開(kāi)始出現(xiàn)損傷，試樣抵抗變形破壞能力下降。

3) 強(qiáng)化階段(BC段)

隨著進(jìn)一步加載，外界對(duì)試樣做的功基本上全部轉(zhuǎn)化為耗散能，此階段耗散能和總能量保持同樣較高的增加速率，曲線(xiàn)都表現(xiàn)為“上凹型”，彈性能增加幅度逐漸減小，曲線(xiàn)呈水平狀發(fā)展。表明隨著偏應(yīng)力進(jìn)一步增加，試樣內(nèi)部裂縫開(kāi)始擴(kuò)展至貫通，貫通裂縫不僅會(huì)弱化試樣結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，還會(huì)驅(qū)使更多的輸入能用于裂紋加速擴(kuò)展和貫通而被耗散掉，進(jìn)而使試樣積聚能量的能力不斷被削弱，承載能力進(jìn)一步弱化，但由于圍壓的約束作用，試樣仍具有抵抗外力破壞的能力。

3.2 能量特征參數(shù)

為定量描述含瓦斯水合物煤體在臨界破壞點(diǎn)處能量分配特性，引入臨界破壞點(diǎn)總能量Uf、儲(chǔ)能極限和臨界破壞點(diǎn)耗散能3 種能量特征參數(shù)[31]。臨界破壞點(diǎn)總能量可表征煤巖吸收能量的能力，臨界破壞點(diǎn)總能量越大，煤巖吸收能量的能力越大[34]；儲(chǔ)能極限大小可表征巖體抵抗變形破壞的能力，儲(chǔ)能極限越大，巖體越不易受能量驅(qū)動(dòng)而破壞[37]；臨界破壞點(diǎn)耗散能可表征巖石能量耗散的能力，其值越大表明巖石內(nèi)部越易發(fā)生損傷和塑性滑移[37]。根據(jù)能量計(jì)算公式(前5 個(gè)公式)分別計(jì)算出不同圍壓、飽和度下含瓦斯水合物煤體臨界破壞點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的總能量、彈性能、耗散能，即臨界破壞點(diǎn)總能量、儲(chǔ)能極限和臨界破壞點(diǎn)耗散能3 種能量特征參數(shù)值，見(jiàn)表2。

表2 含瓦斯水合物煤體能量特征參數(shù)值Table 2 Values of energy characteristic parameters for gas hydrate-bearing coals

3.2.1 能量特征參數(shù)的圍壓效應(yīng)

為研究不同飽和度下，圍壓對(duì)含瓦斯水合物煤體臨界破壞點(diǎn)總能量、儲(chǔ)能極限和臨界破壞點(diǎn)耗散能3 種能量特征參數(shù)的影響，結(jié)合表2，本節(jié)給出不同飽和度含瓦斯水合物煤體臨界破壞點(diǎn)總能量、儲(chǔ)能極限及臨界破壞點(diǎn)耗散能與圍壓的關(guān)系，如圖4 所示。

圖4 含瓦斯水合物煤體能量特征參數(shù)值與圍壓的關(guān)系Fig.4 Values of energy characteristic parameters for gas hydrate-bearing coals vs.confining pressure

由圖4 可知，不同飽和度時(shí)，隨著圍壓增加，含瓦斯水合物煤體臨界破壞點(diǎn)總能量、儲(chǔ)能極限及臨界破壞點(diǎn)耗散能均有不同增幅。飽和度為20%時(shí)，圍壓12 MPa下臨界破壞點(diǎn)總能量、儲(chǔ)能極限及臨界破壞點(diǎn)耗散能分別為1.522、0.227、1.295 MJ/m3，與之相比，圍壓16、20 MPa 下臨界破壞點(diǎn)總能量、儲(chǔ)能極限及臨界破壞點(diǎn)耗散能分別增加87.51%、120.30%；83.70%、174.89%；88.19%、110.73%；飽和度為50%、80%時(shí)也表現(xiàn)出與飽和度為20%相同的性質(zhì)，但增幅降低。表明含瓦斯水合物煤體在高圍壓時(shí)吸收能量的能力、抵抗變形破壞的能力及損傷所消耗的能量均高于低圍壓，越不易破壞，低飽和度時(shí)其各能量特征參數(shù)對(duì)圍壓變化更敏感。

分析認(rèn)為，隨著含瓦斯水合物煤體所受?chē)鷫涸龃?，?cè)向約束更為明顯，顆粒間相互作用增強(qiáng)，二者接觸面積和摩擦阻力增大，有效限制了二者自由運(yùn)動(dòng)，使其受載破壞時(shí)用于克服內(nèi)部顆?；葡牡哪芰吭黾?，即臨界破壞點(diǎn)耗散能增加[41-43]；同時(shí)圍壓增大，抑制裂縫產(chǎn)生及生長(zhǎng)[44]，強(qiáng)化結(jié)構(gòu)完整度和力學(xué)特性，提高其峰值強(qiáng)度及彈性模量，使其在受載破壞過(guò)程中吸收的總能量和聚集在其內(nèi)部的彈性能增多[20]，即臨界破壞點(diǎn)總能量和儲(chǔ)能極限增加。

3.2.2 能量特征參數(shù)的水合物飽和度效應(yīng)

為研究不同圍壓下，水合物飽和度對(duì)臨界破壞點(diǎn)總能量、儲(chǔ)能極限和臨界破壞點(diǎn)耗散能3 種能量特征參數(shù)的影響規(guī)律，結(jié)合表2，本節(jié)給出不同圍壓下含瓦斯水合物煤體臨界破壞點(diǎn)總能量、儲(chǔ)能極限及臨界破壞點(diǎn)耗散能與水合物飽和度的關(guān)系，如圖5 所示。

圖5 含瓦斯水合物煤體能量特征參數(shù)值與飽和度的關(guān)系Fig.5 Values of energy characteristic parameters for gas hydrate-bearing coals vs.saturation

由圖5 可知，不同圍壓下，隨著飽和度增加，臨界破壞點(diǎn)總能量、儲(chǔ)能極限及臨界破壞點(diǎn)耗散能變化規(guī)律有所不同。圍壓12 MPa 下，臨界破壞點(diǎn)總能量、臨界破壞點(diǎn)耗散能均隨著飽和度的增加而增加，而儲(chǔ)能極限隨著飽和度的增加先減小后增加；飽和度為20%時(shí)臨界破壞點(diǎn)總能量、儲(chǔ)能極限及臨界破壞點(diǎn)耗散能分別為1.522、0.227、1.295 MJ/m3，與之相比，飽和度為50%、80%時(shí)臨界破壞點(diǎn)總能量、儲(chǔ)能極限及臨界破壞點(diǎn)耗散能分別增加48.55%、81.60%；-3.08%、37.44%；57.61%、89.34%；圍壓16、20 MPa 下，臨界破壞點(diǎn)總能量表現(xiàn)出與圍壓12 MPa 下相同的性質(zhì)，臨界破壞點(diǎn)耗散能隨著飽和度增加先增加后減??；圍壓16 MPa 下，儲(chǔ)能極限隨著飽和度增加先減小后增加，圍壓20 MPa 下，儲(chǔ)能極限隨著飽和度增加先增加后減小。能量特征參數(shù)變化幅度隨著圍壓增加逐漸減小，表明低圍壓下能量特征參數(shù)對(duì)飽和度變化更敏感。

分析認(rèn)為，隨著飽和度增大，水合物對(duì)煤顆粒膠結(jié)和填充效果越好，含瓦斯水合物煤體越密實(shí)，顆粒間黏聚力和咬合作用越大，結(jié)構(gòu)完整度越好[45-46]，受載時(shí)用于克服內(nèi)部顆?；扑璧哪芰吭黾?，使臨界破壞點(diǎn)耗散能增加；同時(shí)由于顆粒間黏聚力和咬合作用增大，能抑制其受載時(shí)裂縫產(chǎn)生及生長(zhǎng)，增強(qiáng)其抗剪破壞的能力[47]，使得其在受載破壞過(guò)程中能夠吸收更多的能量和儲(chǔ)存更多的彈性能，即臨界破壞點(diǎn)總能量和儲(chǔ)能極限增加。

圍壓16、20 MPa 下，儲(chǔ)能極限隨著飽和度增加先減小后增加，臨界破壞點(diǎn)耗散能與之相反。分析認(rèn)為，水合物生成過(guò)程中可能會(huì)堵塞煤體孔隙或阻斷空隙水連通截面，阻礙水合物進(jìn)一步生成，造成理論飽和度80%的試樣實(shí)際飽和度低于理論飽和度50%的試樣實(shí)際飽和度[48-49]；由于飽和度越高，水合物中膠結(jié)模式占比越大，抑制顆粒運(yùn)動(dòng)和黏滑效果越好，顆粒間結(jié)構(gòu)性越強(qiáng)[43,50-51]，受載破壞時(shí)用于克服顆?；扑玫哪芰恳苍蕉啵M(jìn)而導(dǎo)致理論飽和度80%的試樣臨界破壞點(diǎn)耗散能低于理論飽和度50%的試樣臨界破壞點(diǎn)耗散能。

3.3 能量分配規(guī)律

3.3.1 能耗比變化規(guī)律

為研究含瓦斯水合物煤體在三軸壓縮過(guò)程中穩(wěn)定狀態(tài)，引入能耗比ku(耗散能與彈性能的比值)。能耗比ku與1 的大小關(guān)系能夠間接表征受載巖樣的穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)ku<1 時(shí)，受載巖樣處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)ku=1 時(shí)，受載巖樣處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)ku＞1 時(shí)，受載巖樣處于非穩(wěn)定狀態(tài)[38]。

圖6 給出了不同圍壓、飽和度下含瓦斯水合物煤體偏應(yīng)力-能耗比-軸向應(yīng)變關(guān)系。由圖可知，隨著偏應(yīng)力增加，不同圍壓、飽和度下含瓦斯水合物煤體能耗比均勻速增長(zhǎng)，根據(jù)能耗比ku與1 的大小將含瓦斯水合物煤體整個(gè)壓縮過(guò)程劃分為3 種狀態(tài)。(1)穩(wěn)定狀態(tài)：彈性階段和屈服階段前期ku始終小于1，試樣處于穩(wěn)定狀態(tài)，外界對(duì)試樣做的功主要轉(zhuǎn)化為彈性能積聚在試樣內(nèi)部。(2)臨界穩(wěn)定狀態(tài)：屈服階段后期ku=1，試樣處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，外界對(duì)試樣做的功在此刻轉(zhuǎn)化為彈性能的量等于試樣損傷所消耗掉的量。(3)非穩(wěn)定狀態(tài)：強(qiáng)化階段ku始終大于1，表明試樣處于非穩(wěn)定狀態(tài)，外界對(duì)試樣做的功主要用于試樣內(nèi)部損傷而消耗。

圖6 偏應(yīng)力-能耗比-軸向應(yīng)變關(guān)系Fig.6 Deviatoric stress vs.ratio of dissipated energy to elastic energy vs.axial strain

3.3.2 臨界軸向應(yīng)變與圍壓及飽和度的關(guān)系

為研究含瓦斯水合物煤體臨界軸向應(yīng)變(臨界失穩(wěn)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變)與圍壓、飽和度的關(guān)系，結(jié)合圖6中不同圍壓、飽和度下臨界軸向應(yīng)變值，本節(jié)給出了含瓦斯水合物煤體臨界軸向應(yīng)變與圍壓、飽和度的關(guān)系，如圖7 所示。

圖7 含瓦斯水合物煤體臨界軸向應(yīng)變與飽和度及圍壓的關(guān)系Fig.7 Critical axial strain of gas hydrate-bearing coals vs.saturation and confining pressure

由圖7a 可知，臨界軸向應(yīng)變?cè)陲柡投葹?0%和80%時(shí)隨著圍壓增加而增加，但在飽和度20%時(shí)隨著圍壓增加表現(xiàn)為先減小后增加。飽和度20%時(shí)，圍壓12 MPa 下，臨界軸向應(yīng)變?yōu)?.067%，隨著圍壓增加，臨界軸向應(yīng)變?cè)黾勇蕿?19.11%、10.76%；飽和度為50%和80%時(shí)，圍壓12 MPa 下，臨界軸向應(yīng)變分別為2.460%、3.167%，隨著圍壓的增加，臨界軸向應(yīng)變?cè)黾勇史謩e為16.26%、66.46%；6.98%、12.19%。飽和度50%時(shí)，臨界軸向應(yīng)變值隨圍壓增大的變化幅度小于飽和度80%時(shí)。表明飽和度50%和80%時(shí)，圍壓的增加有助于提高臨界失穩(wěn)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變，增強(qiáng)含瓦斯水合物煤體受載穩(wěn)定性，且臨界軸向應(yīng)變的變化幅度隨著飽和度增大對(duì)圍壓的敏感性逐漸降低。

分析認(rèn)為，隨著含瓦斯水合物煤體所受?chē)鷫涸龃?，?duì)其側(cè)向約束更加明顯，顆粒間作用力更強(qiáng)，抑制了裂縫的產(chǎn)生及發(fā)展，試樣產(chǎn)生裂縫并發(fā)生破壞失穩(wěn)就需產(chǎn)生更大形變。同時(shí)水合物飽和度越高，試樣內(nèi)部顆粒間膠結(jié)作用越好，在低圍壓發(fā)生失穩(wěn)時(shí)其已經(jīng)發(fā)生較大破壞并產(chǎn)生了較大形變，圍壓增大對(duì)其臨界軸向應(yīng)變提升效果不佳。

由圖7b 可知，臨界軸向應(yīng)變?cè)趪鷫?6、20 MPa 下，隨著飽和度增加均有不同增幅，在圍壓12 MPa 下，隨著飽和度增加先減小后增加。圍壓12 MPa 下，飽和度20%對(duì)應(yīng)的臨界軸向應(yīng)變?yōu)?.067%，與之相比，飽和度為50%、80%時(shí)對(duì)應(yīng)的臨界軸向應(yīng)變分別增加-19.79%、3.26%；圍壓16、20 MPa 下，飽和度20%對(duì)應(yīng)的臨界軸向應(yīng)變?yōu)?.481%、3.397%，與之相比，飽和度為50%、80%時(shí)對(duì)應(yīng)的臨界軸向應(yīng)變分別增加15.28%、36.56%；20.55%、4.59%；圍壓20 MPa 下臨界軸向應(yīng)變值隨飽和度增加的變化幅度小于圍壓16 MPa 下。表明圍壓16、20 MPa 下，飽和度增加會(huì)使含瓦斯水合物煤體臨界穩(wěn)定狀態(tài)對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變?cè)龃?，增?qiáng)含瓦斯水合物煤體受載穩(wěn)定性，且臨界軸向應(yīng)變的變化幅度隨著圍壓增大對(duì)飽和度的敏感性逐漸降低。

分析認(rèn)為，隨著含瓦斯水合物煤體飽和度增大，水合物對(duì)煤顆粒膠結(jié)和填充效果越好，顆粒間黏聚力和咬合作用越大，試樣產(chǎn)生裂縫并發(fā)生破壞失穩(wěn)就需產(chǎn)生更大形變，故隨著飽和度增加，其臨界軸向應(yīng)變提升均有不同程度增加，但由于煤體中水合物生成特性及制樣的缺陷性，可能會(huì)導(dǎo)致試樣中水合物分布不均勻及理論飽和度低于實(shí)際飽和度，進(jìn)而導(dǎo)致不同圍壓下，臨界軸向應(yīng)變與飽和度關(guān)系異常的情況。

3.3.3 臨界破壞點(diǎn)處儲(chǔ)能系數(shù)與圍壓的關(guān)系

儲(chǔ)能系數(shù)指的是彈性能與總輸入能的比值，反映巖石彈性能的儲(chǔ)存能力，儲(chǔ)能系數(shù)越大，巖石材料儲(chǔ)存彈性能的能力越強(qiáng)[36]，即同等能量輸入情況下，會(huì)有更多的能量轉(zhuǎn)化為彈性能存儲(chǔ)在試樣中，試樣受載抵抗外力變形的能力就越強(qiáng)。為研究不同飽和度時(shí)圍壓對(duì)臨界破壞點(diǎn)彈性能的儲(chǔ)存能力的影響，本節(jié)給出了不同飽和度含瓦斯水合物煤體臨界破壞處儲(chǔ)能系數(shù)-圍壓關(guān)系，如圖8 所示。

圖8 臨界破壞點(diǎn)處儲(chǔ)能系數(shù)與圍壓關(guān)系Fig.8 Energy storage coefficient at the critical failure point vs.confining pressure

由圖8 可知，含瓦斯水合物煤體臨界破壞點(diǎn)儲(chǔ)能系數(shù)在飽和度20%時(shí)隨圍壓增加先減小后增加，在飽和度50%和80%時(shí)隨圍壓增加而增加。圍壓12 MPa下，飽和度20%、50%、80%時(shí)，含瓦斯水合物煤體臨界破壞點(diǎn)儲(chǔ)能系數(shù)分別為0.149、0.097、0.113，與此相比，隨著圍壓增大，各飽和度臨界破壞點(diǎn)儲(chǔ)能系數(shù)分別增加-2.01%、24.83%；34.02%、62.89%；39.82%、69.03%；臨界破壞點(diǎn)儲(chǔ)能系數(shù)隨圍壓增加而產(chǎn)生的變化幅度逐漸增大。表明飽和度50%、80%時(shí)，含瓦斯水合物煤體在臨界破壞點(diǎn)儲(chǔ)存彈性能的能力隨著圍壓增加而增強(qiáng)，即高圍壓下試樣受載不易發(fā)生變形破壞；且在高飽和度時(shí)該特性對(duì)圍壓更敏感。

3.3.4 儲(chǔ)能極限和臨界破壞點(diǎn)處儲(chǔ)能系數(shù)的關(guān)系

儲(chǔ)能系數(shù)為彈性能和總能量的比值，儲(chǔ)能極限指彈性能在三軸加載過(guò)程中的最大值，臨界破壞點(diǎn)儲(chǔ)能系數(shù)和儲(chǔ)能極限都能表現(xiàn)材料存儲(chǔ)彈性能的能力，但臨界破壞點(diǎn)儲(chǔ)能系數(shù)與儲(chǔ)能極限為相對(duì)值和絕對(duì)值的關(guān)系，不能夠完全對(duì)應(yīng)，更不能有效說(shuō)明臨界破壞點(diǎn)儲(chǔ)能系數(shù)越大儲(chǔ)能極限也越大。為了解含瓦斯水合物煤體儲(chǔ)能極限與臨界破壞點(diǎn)儲(chǔ)能系數(shù)的關(guān)聯(lián)性，本節(jié)給出了不同圍壓下二者關(guān)系，如圖9 所示。

圖9 儲(chǔ)能極限與臨界破壞點(diǎn)處儲(chǔ)能系數(shù)關(guān)系Fig.9 Energy storage limit vs.energy storage coefficient at the critical failure point

由圖9 可知，圍壓12 MPa 下，儲(chǔ)能極限隨著臨界破壞點(diǎn)儲(chǔ)能系數(shù)的增加先增加后減??；圍壓16、20 MPa下儲(chǔ)能極限隨著臨界破壞點(diǎn)儲(chǔ)能系數(shù)增加而增加。表明圍壓16、20 MPa 下，含瓦斯水合物煤體臨界破壞點(diǎn)儲(chǔ)能系數(shù)相對(duì)較高時(shí)其儲(chǔ)能極限也較高，即在圍壓較高時(shí)臨界破壞點(diǎn)儲(chǔ)能系數(shù)和儲(chǔ)能極限一樣具有表征含瓦斯水合物煤體儲(chǔ)存彈性能的能力，能夠表征含瓦斯水合物煤體受能量驅(qū)動(dòng)而破壞的難易程度，但在低圍壓時(shí)，二者相關(guān)性較弱。

4 水合物生成對(duì)煤體能量變化特性的影響

為研究煤體中水合物生成對(duì)其力學(xué)及能量變化特性的影響，本節(jié)對(duì)比分析煤體中瓦斯水合物生成前后受載變形過(guò)程中偏應(yīng)力、能量變化規(guī)律及能量特征參數(shù)(臨界破壞點(diǎn)總能量、儲(chǔ)能極限及臨界破壞點(diǎn)耗散能)。由于篇幅有限且不同圍壓、飽和度下含瓦斯煤體與含瓦斯水合物煤體能量變化規(guī)律相似，故本次僅給出圍壓20 MPa 下，含瓦斯煤體(含水量10.62 g)和含瓦斯水合物煤體(飽和度80%)偏應(yīng)力、總能量、彈性能和耗散能與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)及峰值強(qiáng)度、能量特征參數(shù)柱狀圖，如圖10 所示。

圖10 含瓦斯體與含瓦斯水合物煤體參數(shù)對(duì)比分析 (圍壓20 MPa)Fig.10 Comparative analysis of parameters of gas-bearing coals and gas hydrate-bearing coals (at confining pressure 20 MPa)

4.1 含瓦斯煤體與含瓦斯水合物煤體能量變化規(guī)律分析

由圖10a-圖10d 可知，圍壓20 MPa 下，含瓦斯煤體和含瓦斯水合物煤體在加載破壞過(guò)程中能量變化規(guī)律一致，含瓦斯煤體在三軸壓縮過(guò)程中能量變化規(guī)律也可依據(jù)偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)劃分為3 個(gè)階段(彈性階段、屈服階段、強(qiáng)化階段)。(1)彈性階段(OA段)：試樣抵抗外力破壞能力較強(qiáng)，外界對(duì)試樣所做的功基本都轉(zhuǎn)化為彈性能，無(wú)耗散能產(chǎn)生。(2)屈服階段(AB段)：試樣抵抗外力破壞能力逐漸減弱，初期外界對(duì)試樣做的功以轉(zhuǎn)化為彈性能為主，后期以轉(zhuǎn)化為耗散能為主。(3)強(qiáng)化階段(BC段)：試樣抵抗外力破壞能力逐漸達(dá)到最大值，外界對(duì)試樣做的功基本全部轉(zhuǎn)化為耗散能，彈性能增加幅度逐漸減小并趨于零，雖然試樣破壞嚴(yán)重但由于圍壓的約束作用，試樣仍具有較強(qiáng)抵抗外力破壞的能力。

4.2 含瓦斯煤體與含瓦斯水合物煤體能量特征參數(shù)變化分析

由圖10e、圖10f 可知，圍壓20 MPa 下，含水量10.62 g 含瓦斯煤體峰值強(qiáng)度為25.856 MPa，臨界破壞點(diǎn)總能量、儲(chǔ)能極限及臨界破壞點(diǎn)耗散能分別為2.726、0.456、2.269 MJ/m3；與此相比，同圍壓下飽和度80%含瓦斯水合物煤體峰值強(qiáng)度、臨界破壞點(diǎn)總能量、儲(chǔ)能極限及臨界破壞點(diǎn)耗散能分別增加26.60%、24.58%、42.32%、21.11%。表明瓦斯水合物在煤體中生成能有效提高其峰值強(qiáng)度，增強(qiáng)其吸收能量、儲(chǔ)存能量的能力，也會(huì)使其發(fā)生損傷破壞時(shí)所消耗的能量增加。從力學(xué)及能量角度均表明煤體中水合物生成能有效提高其受載時(shí)抵抗外力破壞變形的能力。

根據(jù)水合物具有膠結(jié)、填充和支撐作用，分析認(rèn)為，水合物在煤體中生成后會(huì)膠結(jié)和填充煤顆粒，增強(qiáng)其黏聚力，強(qiáng)化結(jié)構(gòu)完整度[45-46]，煤樣受載破壞時(shí)用于克服內(nèi)部顆粒滑移的能量增多，使其臨界破壞點(diǎn)耗散能增加；同時(shí)由于顆粒間黏聚力、咬合作用增大及骨架支撐型水合物共同作用，抑制了其受載時(shí)裂縫產(chǎn)生及生長(zhǎng)，增強(qiáng)其抗剪破壞的能力[47]，使其在受載破壞過(guò)程中能夠吸收更多的能量和儲(chǔ)存更多的彈性能，即使其臨界破壞點(diǎn)總能量和儲(chǔ)能極限增加。

5 討論

受制樣以及測(cè)試技術(shù)約束，本研究采用理論飽和度來(lái)表示含瓦斯水合物煤體中水合物的含量，假設(shè)水完全參與水合物的生成，這與實(shí)際水合物在煤體中的含量必然存在差別。由本次試驗(yàn)結(jié)果可以看出，含瓦斯水合物煤體在不同圍壓條件下隨著水合物飽和度增加，其臨界破壞點(diǎn)總能量和儲(chǔ)能極限的變化有規(guī)律可循，但臨界破壞點(diǎn)耗散能在不同圍壓條件下隨著水合物飽和度的增加則展現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。根據(jù)一些學(xué)者對(duì)水合物生成過(guò)程中水合物的賦存狀態(tài)進(jìn)行了一系列研究[33-36]，可知水合物實(shí)際飽和度、賦存狀態(tài)及分布模式可能是導(dǎo)致儲(chǔ)能極限與臨界破壞點(diǎn)耗散能與水合物飽和度變化規(guī)律異常原因之一。

所以，采用合理方法制樣減小理論飽和度與實(shí)際飽和度差異將是制樣工作的研究重點(diǎn)，煤體中水合物賦存狀態(tài)及水合物分布模式對(duì)含瓦斯水合物煤體響應(yīng)特征影響機(jī)制也將是本課題組細(xì)觀力學(xué)研究的重點(diǎn)。

6 結(jié)論

a.含瓦斯水合物煤體能量變化規(guī)律與偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)各階段相對(duì)應(yīng)，在彈性階段和屈服階段前期，含瓦斯煤體吸收的能量主要轉(zhuǎn)化為彈性能，但進(jìn)入屈服階段，彈性能增長(zhǎng)速率逐漸降低；在屈服階段后期及強(qiáng)化階段含瓦斯煤體吸收的能量主要轉(zhuǎn)化為耗散能，耗散能急劇增大，使含瓦斯水合物煤體破壞加劇。

b.圍壓及水合物飽和度的變化會(huì)對(duì)含瓦斯水合物煤體臨界破壞點(diǎn)總能量、儲(chǔ)能極限及臨界破壞點(diǎn)耗散能產(chǎn)生不同影響規(guī)律；但圍壓及水合物飽和度的增加均有助于增加含瓦斯水合物煤體在臨界破壞點(diǎn)處吸收的總能量，即圍壓與水合物飽和度增大均有助于提高其吸收能量的能力。相對(duì)于水合物飽和度，圍壓對(duì)于儲(chǔ)能極限和臨界破壞點(diǎn)耗散能的影響規(guī)律更加明顯，二者均隨著圍壓的增加而增加。

c.能耗比的變化與偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)的幾個(gè)階段密切相關(guān)，其能有效反映含瓦斯水合物煤體的穩(wěn)定狀態(tài)。圍壓及水合物飽和度變化均會(huì)影響含瓦斯水合物煤體在臨界穩(wěn)定狀態(tài)對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變，圍壓對(duì)臨界軸向應(yīng)變影響規(guī)律性強(qiáng)于飽和度。

d.飽和度50%、80%時(shí)臨界破壞點(diǎn)處儲(chǔ)能系數(shù)隨著圍壓的增加而增加，圍壓16、20 MPa 下臨界破壞點(diǎn)處儲(chǔ)能系數(shù)和儲(chǔ)能極限一樣也具有表征含瓦斯水合物煤體在臨界破壞點(diǎn)處儲(chǔ)存彈性能的能力。

e.煤體中水合物的生成能有效降低瓦斯壓力，提高煤體的峰值強(qiáng)度、臨界破壞點(diǎn)總能量、儲(chǔ)能極限及臨界破壞點(diǎn)耗散能，能夠有效改善煤體力學(xué)性質(zhì)?？蔀槔盟衔锛夹g(shù)預(yù)防煤與瓦斯突出提供重要的理論基礎(chǔ)。

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