不同圍壓與飽和度下含瓦斯水合物煤體能量變化規律

祝 威，高 霞，張保勇,*，吳 強

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

煤與瓦斯突出是一種復雜動力災害，嚴重威脅煤礦安全[1-4]，隨著我國煤礦開采深度的增加，煤層瓦斯壓力和含量呈現遞增趨勢，煤與瓦斯突出問題更加嚴峻[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度，體現了水合固化技術對煤與瓦斯突出防治的積極作用[7-9]。水合固化防突技術應用的關鍵之一是深入了解煤體在瓦斯水合固化前后力學性質變化。含瓦斯水合物煤體作為一種多元多相非均勻介質，由于水合物在煤體中的存在，與煤巖存在較大不同，其力學性質受水合物含量(飽和度)與圍壓的共同影響。煤巖材料破壞的本質是能量驅動下的失穩破裂[10-11]，煤礦井下采場和煤巷周圍煤體多處于三向應力或雙向應力狀態[12]，煤巖的破裂演化過程與應力狀態和加載過程具有強烈的相關性[13]，目前關于煤巖試驗能量演化分析的研究中按照試驗方式可以分為單軸壓縮試驗和三軸壓縮試驗的能量分析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程中的能量演化規律，為揭示其破壞內在機制提供新思路，對科學指導煤與瓦斯突出動力災害防治具有重要意義。

為揭示巖石破壞內在機制，眾多學者圍繞著煤巖破壞過程中能量演化規律開展了一系列研究，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律方面：謝和平等[15-16]系統性開展了巖石變形破壞過程的熱力學分析，揭示了能量積聚、耗散和釋放與巖石強度及破壞的內在聯系；楊永杰等[17]基于加卸載試驗，得出了煤巖破壞過程中峰值應力前能量的演化規律；王向宇[18]、Yu Xin[19]等通過研究揭示了煤巖能量演化特征及損傷機制與圍壓的關系；張堯[20]、康向濤[21]等基于三軸試驗分析并探討了不同變形破壞階段煤巖的能量演化趨勢與圍壓和瓦斯壓力的關系；齊消寒[22]、張軍[23]等通過研究得出煤樣總能量在峰值應力前以積聚能量為主且能量積聚與圍壓呈正相關；魯細根等[24]分析了三軸卸荷條件下能量耗散特性發現圍壓能夠提高煤體峰值彈性能、極限儲能及殘余彈性能；秦虎等[25]基于卸圍壓試驗發現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]通過開展三軸壓縮試驗，揭示了圍壓與耗散能及損傷值之間的關系；紀洪廣等[27]基于三軸循環加卸載試驗，發現巖石儲能能力隨著圍壓的增大而提高；此外，還有一些學者通過研究發現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方面，李波波等[31]基于三軸壓縮試驗定義了臨界破壞點總能量、儲能極限和臨界破壞點耗散能的概念；Wang Peng 等[32]通過三軸加卸載試驗，給出了耗能比的定義；楊小彬[33]、Wang Zhonghui[34]等通過開展砂巖力學特征試驗，得出了耗能比與軸向應變及圍壓的關系，并指出耗能比可以反映巖石內部損傷及塑性變形情況；Li Diyuan 等[35]通過研究也指出耗能比可以用來描述巖石變形和破壞程度；宮鳳強等[36]揭示了彈性能和總輸入能間的線性函數關系，并定義二者的比值為儲能系數。張志鎮等[37]基于紅砂巖軸向加、卸載試驗，分析了彈性能比例與圍壓的關系，揭示了儲能能力與圍壓的關系；孟慶彬等[38]基于三軸循環加卸載試驗，揭示了圍壓對受載巖樣能量演化特征的影響規律并指出最大彈性能(巖石儲能極限)占總能量的比值隨著圍壓的提高而增大。

通過上述分析可知，目前對于能量方面的研究主要是針對煤巖在常規三軸壓縮及三軸卸圍壓試驗條件下，且主要試驗變量為瓦斯壓力、圍壓及加載速率等，而對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律研究鮮見報道。基于此，有必要對含瓦斯水合物煤體展開能量方面的研究。

據此，以含瓦斯水合物煤體為研究對象，基于常規三軸試驗獲得的不同飽和度(20%、50%、80%)含瓦斯水合物煤體在不同圍壓(12、16、20 MPa)下的偏應力-應變全過程曲線，計算分析偏應力-應變全過程中輸入能、彈性能、耗散能的變化規律，并引入臨界破壞點總能量Uf、儲能極限和臨界破壞點耗散能3 種能量特征參數，建立能量轉化與變形破壞之間的聯系，進一步探索深部條件下含瓦斯水合物煤體的破壞機制，以期形成預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出。

1 巖石破壞過程中能量演化機制

假設單元體積巖石在外力作用下產生變形時與外界不存在熱交換，即一個封閉系統，外力所做的功U可認為全部被巖石吸收，根據熱力學第一定律[15]可得：

單元體積巖石應力功及能量的計算[12]：

由式(3)可知彈性能是由3 個方向應力做功總和，由于常規三軸試驗 σ2=σ3且圍壓做功產生的彈性能遠小于軸向的，可忽略不計[31]，可認為彈性能主要由軸向應力加載做功產生，故彈性能公式可簡化為：

又由于軸向應力做功是在靜水壓力的基礎上做功即應力差 Δσ做功，故彈性能可改寫為：

聯合式(1)和式(5)可得出巖石破壞過程中耗散能為：

2 試驗概況

試驗采用含瓦斯水合物煤體力學性質原位測試裝置進行含瓦斯水合物煤體力學試驗，該裝置主要由加載系統，瓦斯氣體供給系統，溫度控制系統和數據采集系統構成，如圖1 所示，該裝置最大軸向壓力600 kN，最大圍壓100 MPa，溫度設置范圍-40～80℃，精度±0.5℃，軸向變形測量最大值20 mm，徑向變形測量最大值10 mm。在測試過程中能夠實時監測軸壓、圍壓、溫度、軸向變形及徑向變形等相關參數。

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

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

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

(2) 采用壓力試驗機將煤粉壓制成標準圓柱形試樣，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行瓦斯吸附(純度99.99%，壓力6 MPa 持續16 h)制備含瓦斯煤樣。

(4) 對瓦斯制備成型的含瓦斯煤體進行降溫(0.5℃持續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-時間曲線Fig.2 Formation path and pressure-temperature-time curves of hydrates in coals

(5) 對制備成型的含瓦斯水合物煤體進行常規三軸加載試驗。

(6) 對于不同圍壓、飽和度含瓦斯水合物煤體三軸試驗，重復步驟(1)-步驟(5)。試驗方案見表1，飽和度計算方法見文獻[7]，具體試驗步驟見文獻[9]。

表1 含瓦斯水合物煤體三軸試驗方案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程壓力-溫度-時間曲線變化規律一致，故選此工況進行分析。結合圖2，對瓦斯水合物在煤體中生成全過程的溫度-瓦斯壓力-時間曲線進行分析，將含瓦斯水合物煤體制備過程分為瓦斯吸附、水合物生成、水合物穩定存在3 個階段。

1) 瓦斯吸附階段

吸附開始，瓦斯壓力為6.0 MPa，溫度為常溫，此時對應圖2a 中b點和圖2b 中瓦斯吸附階段初期；隨著瓦斯吸附進行，瓦斯壓力逐漸下降，16 h 后瓦斯壓力趨于穩定，認為瓦斯吸附結束，此時對應圖2a 中c點和圖2b 中瓦斯吸附末期。根據文獻[39]可判定煤體中瓦斯吸附達到平衡。

2) 水合物生成階段

降溫開始，瓦斯壓力再次下降，此階段對應圖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 能量變化規律

通過能量計算公式(前5 個公式)，分別計算出含瓦斯水合物煤體三軸壓縮全過程中總能量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力-能量-應變曲線及能量指標變化全過程如圖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律Fig.3 Laws of changes in the energy of gas hydrate-bearing coals under different confining pressures and saturations

結合圖3 中偏應力-應變曲線變化特征，對不同圍壓、飽和度下含瓦斯水合物煤體三軸壓縮過程中能量變化特性進行分析，將含瓦斯水合物煤體試樣壓縮過程中能量變化過程劃分為3 個階段。

1) 彈性階段(OA段)

外界輸入的總能量和彈性能均隨著偏應力增加而緩慢增加，彈性能曲線基本和總能量曲線重合，耗散能曲線保持在很小的定值附近呈現水平狀發展(基本趨近于0)，此階段彈性能大于耗散能，彈性能轉化率較高。表明彈性階段試樣在外力作用下內部結構變得較為密實無微裂紋萌生，外界對試樣所做的功基本都轉化為彈性能儲存在試樣中，耗散能基本沒有產生，試樣抵抗變形破壞的能力能夠得到充分發揮。

2) 屈服階段(AB段)

隨著偏應力持續增加各能量指標均有所增加，彈性能曲線不再與總能量曲線重合，外界對試樣做的功不再全部轉化為彈性能，此階段初期外界對試樣做的功仍以轉化為彈性能為主，耗散能增加速率高于彈性能，耗散能曲線呈現“上凹狀”，彈性能曲線呈現“上凸狀”，此階段后期耗散能超越彈性能，彈性能轉化率開始降低。表明隨著偏應力增大，試樣內部開始出現微裂紋并發生裂紋擴展，導致試樣整體結構開始出現損傷，試樣抵抗變形破壞能力下降。

3) 強化階段(BC段)

隨著進一步加載，外界對試樣做的功基本上全部轉化為耗散能，此階段耗散能和總能量保持同樣較高的增加速率，曲線都表現為“上凹型”，彈性能增加幅度逐漸減小，曲線呈水平狀發展。表明隨著偏應力進一步增加，試樣內部裂縫開始擴展至貫通，貫通裂縫不僅會弱化試樣結構的力學特性，還會驅使更多的輸入能用于裂紋加速擴展和貫通而被耗散掉，進而使試樣積聚能量的能力不斷被削弱，承載能力進一步弱化，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

為定量描述含瓦斯水合物煤體在臨界破壞點處能量分配特性，引入臨界破壞點總能量Uf、儲能極限和臨界破壞點耗散能3 種能量特征參數[31]。臨界破壞點總能量可表征煤巖吸收能量的能力，臨界破壞點總能量越大，煤巖吸收能量的能力越大[34]；儲能極限大小可表征巖體抵抗變形破壞的能力，儲能極限越大，巖體越不易受能量驅動而破壞[37]；臨界破壞點耗散能可表征巖石能量耗散的能力，其值越大表明巖石內部越易發生損傷和塑性滑移[37]。根據能量計算公式(前5 個公式)分別計算出不同圍壓、飽和度下含瓦斯水合物煤體臨界破壞點處對應的總能量、彈性能、耗散能，即臨界破壞點總能量、儲能極限和臨界破壞點耗散能3 種能量特征參數值，見表2。

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

3.2.1 能量特征參數的圍壓效應

為研究不同飽和度下，圍壓對含瓦斯水合物煤體臨界破壞點總能量、儲能極限和臨界破壞點耗散能3 種能量特征參數的影響，結合表2，本節給出不同飽和度含瓦斯水合物煤體臨界破壞點總能量、儲能極限及臨界破壞點耗散能與圍壓的關系，如圖4 所示。

圖4 含瓦斯水合物煤體能量特征參數值與圍壓的關系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，隨著圍壓增加，含瓦斯水合物煤體臨界破壞點總能量、儲能極限及臨界破壞點耗散能均有不同增幅。飽和度為20%時，圍壓12 MPa下臨界破壞點總能量、儲能極限及臨界破壞點耗散能分別為1.522、0.227、1.295 MJ/m3，與之相比，圍壓16、20 MPa 下臨界破壞點總能量、儲能極限及臨界破壞點耗散能分別增加87.51%、120.30%；83.70%、174.89%；88.19%、110.73%；飽和度為50%、80%時也表現出與飽和度為20%相同的性質，但增幅降低。表明含瓦斯水合物煤體在高圍壓時吸收能量的能力、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，低飽和度時其各能量特征參數對圍壓變化更敏感。

分析認為，隨著含瓦斯水合物煤體所受圍壓增大，側向約束更為明顯，顆粒間相互作用增強，二者接觸面積和摩擦阻力增大，有效限制了二者自由運動，使其受載破壞時用于克服內部顆粒滑移消耗的能量增加，即臨界破壞點耗散能增加[41-43]；同時圍壓增大，抑制裂縫產生及生長[44]，強化結構完整度和力學特性，提高其峰值強度及彈性模量，使其在受載破壞過程中吸收的總能量和聚集在其內部的彈性能增多[20]，即臨界破壞點總能量和儲能極限增加。

3.2.2 能量特征參數的水合物飽和度效應

為研究不同圍壓下，水合物飽和度對臨界破壞點總能量、儲能極限和臨界破壞點耗散能3 種能量特征參數的影響規律，結合表2，本節給出不同圍壓下含瓦斯水合物煤體臨界破壞點總能量、儲能極限及臨界破壞點耗散能與水合物飽和度的關系，如圖5 所示。

圖5 含瓦斯水合物煤體能量特征參數值與飽和度的關系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，臨界破壞點總能量、儲能極限及臨界破壞點耗散能變化規律有所不同。圍壓12 MPa 下，臨界破壞點總能量、臨界破壞點耗散能均隨著飽和度的增加而增加，而儲能極限隨著飽和度的增加先減小后增加；飽和度為20%時臨界破壞點總能量、儲能極限及臨界破壞點耗散能分別為1.522、0.227、1.295 MJ/m3，與之相比，飽和度為50%、80%時臨界破壞點總能量、儲能極限及臨界破壞點耗散能分別增加48.55%、81.60%；-3.08%、37.44%；57.61%、89.34%；圍壓16、20 MPa 下，臨界破壞點總能量表現出與圍壓12 MPa 下相同的性質，臨界破壞點耗散能隨著飽和度增加先增加后減小；圍壓16 MPa 下，儲能極限隨著飽和度增加先減小后增加，圍壓20 MPa 下，儲能極限隨著飽和度增加先增加后減小。能量特征參數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對飽和度變化更敏感。

分析認為，隨著飽和度增大，水合物對煤顆粒膠結和填充效果越好，含瓦斯水合物煤體越密實，顆粒間黏聚力和咬合作用越大，結構完整度越好[45-46]，受載時用于克服內部顆粒滑移所需的能量增加，使臨界破壞點耗散能增加；同時由于顆粒間黏聚力和咬合作用增大，能抑制其受載時裂縫產生及生長，增強其抗剪破壞的能力[47]，使得其在受載破壞過程中能夠吸收更多的能量和儲存更多的彈性能，即臨界破壞點總能量和儲能極限增加。

圍壓16、20 MPa 下，儲能極限隨著飽和度增加先減小后增加，臨界破壞點耗散能與之相反。分析認為，水合物生成過程中可能會堵塞煤體孔隙或阻斷空隙水連通截面，阻礙水合物進一步生成，造成理論飽和度80%的試樣實際飽和度低于理論飽和度50%的試樣實際飽和度[48-49]；由于飽和度越高，水合物中膠結模式占比越大，抑制顆粒運動和黏滑效果越好，顆粒間結構性越強[43,50-51]，受載破壞時用于克服顆粒滑移所用的能量也越多，進而導致理論飽和度80%的試樣臨界破壞點耗散能低于理論飽和度50%的試樣臨界破壞點耗散能。

3.3 能量分配規律

3.3.1 能耗比變化規律

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

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

圖6 偏應力-能耗比-軸向應變關系Fig.6 Deviatoric stress vs.ratio of dissipated energy to elastic energy vs.axial strain

3.3.2 臨界軸向應變與圍壓及飽和度的關系

為研究含瓦斯水合物煤體臨界軸向應變(臨界失穩點對應的軸向應變)與圍壓、飽和度的關系，結合圖6中不同圍壓、飽和度下臨界軸向應變值，本節給出了含瓦斯水合物煤體臨界軸向應變與圍壓、飽和度的關系，如圖7 所示。

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

由圖7a 可知，臨界軸向應變在飽和度為50%和80%時隨著圍壓增加而增加，但在飽和度20%時隨著圍壓增加表現為先減小后增加。飽和度20%時，圍壓12 MPa 下，臨界軸向應變為3.067%，隨著圍壓增加，臨界軸向應變增加率為-19.11%、10.76%；飽和度為50%和80%時，圍壓12 MPa 下，臨界軸向應變分別為2.460%、3.167%，隨著圍壓的增加，臨界軸向應變增加率分別為16.26%、66.46%；6.98%、12.19%。飽和度50%時，臨界軸向應變值隨圍壓增大的變化幅度小于飽和度80%時。表明飽和度50%和80%時，圍壓的增加有助于提高臨界失穩狀態對應的軸向應變，增強含瓦斯水合物煤體受載穩定性，且臨界軸向應變的變化幅度隨著飽和度增大對圍壓的敏感性逐漸降低。

分析認為，隨著含瓦斯水合物煤體所受圍壓增大，對其側向約束更加明顯，顆粒間作用力更強，抑制了裂縫的產生及發展，試樣產生裂縫并發生破壞失穩就需產生更大形變。同時水合物飽和度越高，試樣內部顆粒間膠結作用越好，在低圍壓發生失穩時其已經發生較大破壞并產生了較大形變，圍壓增大對其臨界軸向應變提升效果不佳。

由圖7b 可知，臨界軸向應變在圍壓16、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%對應的臨界軸向應變為3.067%，與之相比，飽和度為50%、80%時對應的臨界軸向應變分別增加-19.79%、3.26%；圍壓16、20 MPa 下，飽和度20%對應的臨界軸向應變為2.481%、3.397%，與之相比，飽和度為50%、80%時對應的臨界軸向應變分別增加15.28%、36.56%；20.55%、4.59%；圍壓20 MPa 下臨界軸向應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，飽和度增加會使含瓦斯水合物煤體臨界穩定狀態對應的軸向應變增大，增強含瓦斯水合物煤體受載穩定性，且臨界軸向應變的變化幅度隨著圍壓增大對飽和度的敏感性逐漸降低。

分析認為，隨著含瓦斯水合物煤體飽和度增大，水合物對煤顆粒膠結和填充效果越好，顆粒間黏聚力和咬合作用越大，試樣產生裂縫并發生破壞失穩就需產生更大形變，故隨著飽和度增加，其臨界軸向應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，可能會導致試樣中水合物分布不均勻及理論飽和度低于實際飽和度，進而導致不同圍壓下，臨界軸向應變與飽和度關系異常的情況。

3.3.3 臨界破壞點處儲能系數與圍壓的關系

儲能系數指的是彈性能與總輸入能的比值，反映巖石彈性能的儲存能力，儲能系數越大，巖石材料儲存彈性能的能力越強[36]，即同等能量輸入情況下，會有更多的能量轉化為彈性能存儲在試樣中，試樣受載抵抗外力變形的能力就越強。為研究不同飽和度時圍壓對臨界破壞點彈性能的儲存能力的影響，本節給出了不同飽和度含瓦斯水合物煤體臨界破壞處儲能系數-圍壓關系，如圖8 所示。

圖8 臨界破壞點處儲能系數與圍壓關系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儲能系數在飽和度20%時隨圍壓增加先減小后增加，在飽和度50%和80%時隨圍壓增加而增加。圍壓12 MPa下，飽和度20%、50%、80%時，含瓦斯水合物煤體臨界破壞點儲能系數分別為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儲能系數分別增加-2.01%、24.83%；34.02%、62.89%；39.82%、69.03%；臨界破壞點儲能系數隨圍壓增加而產生的變化幅度逐漸增大。表明飽和度50%、80%時，含瓦斯水合物煤體在臨界破壞點儲存彈性能的能力隨著圍壓增加而增強，即高圍壓下試樣受載不易發生變形破壞；且在高飽和度時該特性對圍壓更敏感。

3.3.4 儲能極限和臨界破壞點處儲能系數的關系

儲能系數為彈性能和總能量的比值，儲能極限指彈性能在三軸加載過程中的最大值，臨界破壞點儲能系數和儲能極限都能表現材料存儲彈性能的能力，但臨界破壞點儲能系數與儲能極限為相對值和絕對值的關系，不能夠完全對應，更不能有效說明臨界破壞點儲能系數越大儲能極限也越大。為了解含瓦斯水合物煤體儲能極限與臨界破壞點儲能系數的關聯性，本節給出了不同圍壓下二者關系，如圖9 所示。

圖9 儲能極限與臨界破壞點處儲能系數關系Fig.9 Energy storage limit vs.energy storage coefficient at the critical failure point

由圖9 可知，圍壓12 MPa 下，儲能極限隨著臨界破壞點儲能系數的增加先增加后減小；圍壓16、20 MPa下儲能極限隨著臨界破壞點儲能系數增加而增加。表明圍壓16、20 MPa 下，含瓦斯水合物煤體臨界破壞點儲能系數相對較高時其儲能極限也較高，即在圍壓較高時臨界破壞點儲能系數和儲能極限一樣具有表征含瓦斯水合物煤體儲存彈性能的能力，能夠表征含瓦斯水合物煤體受能量驅動而破壞的難易程度，但在低圍壓時，二者相關性較弱。

4 水合物生成對煤體能量變化特性的影響

為研究煤體中水合物生成對其力學及能量變化特性的影響，本節對比分析煤體中瓦斯水合物生成前后受載變形過程中偏應力、能量變化規律及能量特征參數(臨界破壞點總能量、儲能極限及臨界破壞點耗散能)。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%)偏應力、總能量、彈性能和耗散能與軸向應變關系曲線及峰值強度、能量特征參數柱狀圖，如圖10 所示。

圖10 含瓦斯體與含瓦斯水合物煤體參數對比分析 (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程中能量變化規律一致，含瓦斯煤體在三軸壓縮過程中能量變化規律也可依據偏應力-應變曲線劃分為3 個階段(彈性階段、屈服階段、強化階段)。(1)彈性階段(OA段)：試樣抵抗外力破壞能力較強，外界對試樣所做的功基本都轉化為彈性能，無耗散能產生。(2)屈服階段(AB段)：試樣抵抗外力破壞能力逐漸減弱，初期外界對試樣做的功以轉化為彈性能為主，后期以轉化為耗散能為主。(3)強化階段(BC段)：試樣抵抗外力破壞能力逐漸達到最大值，外界對試樣做的功基本全部轉化為耗散能，彈性能增加幅度逐漸減小并趨于零，雖然試樣破壞嚴重但由于圍壓的約束作用，試樣仍具有較強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 含瓦斯煤體峰值強度為25.856 MPa，臨界破壞點總能量、儲能極限及臨界破壞點耗散能分別為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度、臨界破壞點總能量、儲能極限及臨界破壞點耗散能分別增加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度，增強其吸收能量、儲存能量的能力，也會使其發生損傷破壞時所消耗的能量增加。從力學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抵抗外力破壞變形的能力。

根據水合物具有膠結、填充和支撐作用，分析認為，水合物在煤體中生成后會膠結和填充煤顆粒，增強其黏聚力，強化結構完整度[45-46]，煤樣受載破壞時用于克服內部顆粒滑移的能量增多，使其臨界破壞點耗散能增加；同時由于顆粒間黏聚力、咬合作用增大及骨架支撐型水合物共同作用，抑制了其受載時裂縫產生及生長，增強其抗剪破壞的能力[47]，使其在受載破壞過程中能夠吸收更多的能量和儲存更多的彈性能，即使其臨界破壞點總能量和儲能極限增加。

5 討論

受制樣以及測試技術約束，本研究采用理論飽和度來表示含瓦斯水合物煤體中水合物的含量，假設水完全參與水合物的生成，這與實際水合物在煤體中的含量必然存在差別。由本次試驗結果可以看出，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，其臨界破壞點總能量和儲能極限的變化有規律可循，但臨界破壞點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出不同的變化規律。根據一些學者對水合物生成過程中水合物的賦存狀態進行了一系列研究[33-36]，可知水合物實際飽和度、賦存狀態及分布模式可能是導致儲能極限與臨界破壞點耗散能與水合物飽和度變化規律異常原因之一。

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

6 結論

a.含瓦斯水合物煤體能量變化規律與偏應力-應變曲線各階段相對應，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化為彈性能，但進入屈服階段，彈性能增長速率逐漸降低；在屈服階段后期及強化階段含瓦斯煤體吸收的能量主要轉化為耗散能，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對含瓦斯水合物煤體臨界破壞點總能量、儲能極限及臨界破壞點耗散能產生不同影響規律；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。相對于水合物飽和度，圍壓對于儲能極限和臨界破壞點耗散能的影響規律更加明顯，二者均隨著圍壓的增加而增加。

c.能耗比的變化與偏應力-應變曲線的幾個階段密切相關，其能有效反映含瓦斯水合物煤體的穩定狀態。圍壓及水合物飽和度變化均會影響含瓦斯水合物煤體在臨界穩定狀態對應的軸向應變，圍壓對臨界軸向應變影響規律性強于飽和度。

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

e.煤體中水合物的生成能有效降低瓦斯壓力，提高煤體的峰值強度、臨界破壞點總能量、儲能極限及臨界破壞點耗散能，能夠有效改善煤體力學性質。可為利用水合物技術預防煤與瓦斯突出提供重要的理論基礎。

符號注釋：