CN105809561B - 一种含瓦斯煤弹性应变储能的计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种含瓦斯煤弹性应变储能的计算方法，涉及煤岩力学特性研究技术领域，包括步骤1、获得含瓦斯煤应力‑体积应变曲线；步骤2、分析含瓦斯煤应力‑体积应变曲线，计算含瓦斯煤储存的弹性应变能；步骤3、进一步对含瓦斯煤弹性应变能计算新方法进行可靠性验证，以含瓦斯煤力学特性为依据，能够科学划分含瓦斯煤加载时弹性变形区段和塑性变形区段，扩容临界点前为弹性变形区段，扩容临界点后为塑性变形区段，有效解决了应力‑轴向应变曲线无法准确全面计算弹性应变能的难题，含瓦斯煤加载试验操作简单，无需反复加卸载试验，具有广泛的实用性。
Description
技术领域
本发明涉及煤岩力学特性研究技术领域，具体涉及一种含瓦斯煤弹性应变储能的计算方法。
背景技术
随着开采深度增加，深部煤炭开采动力灾害发生的频度和强度增大，严重威胁煤矿安全高效开采。深部煤炭开采动力灾害主要分为冲击地压和煤与瓦斯突出两类。随着开采向深部延伸，煤层瓦斯压力和瓦斯含量增大，深部煤层开采发生的动力灾害很难分清是冲击地压还是煤与瓦斯突出。目前，有关冲击地压和煤与瓦斯突出的防治，基于能量角度研究成果较丰富，也得到了国内外专家学者的认同。从能量的角度研究煤层动力灾害，认为煤与瓦斯动力灾害发生时，煤岩体内释放的能量主要来自外力所做的功和瓦斯内能，外力对煤岩体所做的功主要以弹性变形能的形式储存。这些能量在动力灾害发生过程中主要转化为煤体破碎耗散能和抛出时的动能。工作面煤体开采扰动而诱发的能量累积和释放过程是动力灾害发生的主要原因和内驱力。因此，对煤岩体内能量积聚及其转化过程的准确掌握和预测是有效防控煤与瓦斯动力灾害的关键。尤其是煤岩体储存的弹性应变能的计算准确与否直接关系煤与瓦斯动力灾害防控效果。
目前，煤体弹性应变能的计算主要是依据冲击地压能量判据的能量冲击指标法、弹性应变能指标法和岩爆能量指标法中对煤岩体弹性应变能的计算方法。能量冲击指标法等主要以煤体全应力-轴向应变曲线为基础，认为煤体抗压峰值强度前应力-轴向应变曲线投影围成的面积近似为煤体储存的弹性应变能。众所周知，煤岩体受外力作用至峰值强度时不但会发生弹性变形也发生塑性变形，而目前将煤体抗压峰值强度前应力-轴向应变曲线投影围成的面积定为煤体储存的弹性应变能，主要是忽略了峰值强度前部分塑性变形，这一计算方法对于不含瓦斯的岩石受力后储存的弹性应变能的计算基本能满足试验和实际要求，而对深部含瓦斯煤层，忽略部分塑性变形则会导致弹性应变能的计算结果存在很大偏差，使得煤与瓦斯动力灾害预判准确性大大降低。而若采用弹性应变能指数法计算弹性应变能，需开展加卸载实验，然而加卸载实验仅能开展峰前强度的实验(如峰值强度的70％、80％等)，无法开展峰值强度的加卸载实验，由于循环加卸载试验条件限制，同样会导致弹性变形能计算结果存在偏差。因此，迫切需要对含瓦斯煤层受力作用后储存的弹性应变能的准确计算方法进行研究。
经研究发现，受高采动应力作用，含瓦斯煤发生扩容力学现象，考虑煤岩体发生扩容后应变变形主要以塑性变形为主，能够划分弹性变形区段和塑性变形区段，扩容临界点前为弹性变形区段，扩容临界点后为塑性变形区段，该方法以发生扩容临界点为界限，依据含瓦斯煤应力-体积应变曲线投影到横坐标围成的阴影部分面积计算弹性应变能，有效解决了应力-轴向应变曲线或循环加卸载试验无法准确全面计算弹性应变能的难题，为含瓦斯煤动力灾害有效防治提供了保障。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明公开一种含瓦斯煤弹性应变储能的计算方法，能够解决现有忽略抗压峰值强度前塑性变形，导致弹性应变能的计算结果存在很大偏差的问题。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种含瓦斯煤弹性应变储能的计算方法，包括以下步骤：
S1：获得含瓦斯煤应力-体积应变曲线，取不同地质赋存条件煤样，测试含瓦斯煤应力-体积应变曲线，分析含瓦斯煤体积应变特征；进行三轴加载试验，其试验采用荷载加载方式；
S2：分析含瓦斯煤应力-体积应变曲线，计算含瓦斯煤储存的弹性应变能，针对含瓦斯煤应力-体积应变曲线特性，基于含瓦斯煤扩容力学现象，以含瓦斯煤扩容临界点为界，划分含瓦斯煤加载时弹性变形区段和塑性变形区段，扩容临界点前为弹性变形区段，扩容临界点后为塑性变形区段，以弹性变形区段应力-体积应变曲线投影到横坐标围成的阴影部分面积计算含瓦斯煤弹性应变能；
S3：进一步对含瓦斯煤弹性应变能计算新方法进行可靠性验证。
优选的，所述荷载加载方式为三轴应力加载方式。
优选的，所述步骤S1中，需在含瓦斯煤试样上的不同方向设置应变传感器，从而观测含瓦斯煤应力-体积应变曲线。
优选的，所述含瓦斯煤弹性应变能的计算方法可靠性依据不含瓦斯煤的弹性应变能指标法进行验证。
优选的，所述荷载加载过程的一次加压压差为0.005MPa/s。
本发明公开一种含瓦斯煤弹性应变储能的计算方法，以含瓦斯煤力学特性为依据，能够划分含瓦斯煤加载时弹性变形区段和塑性变形区段，扩容临界点前为弹性变形区段，扩容临界点后为塑性变形区段，有效解决了应力-轴向应变曲线无法准确全面计算弹性应变能的难题，含瓦斯煤加载试验操作简单，无需反复加卸载试验，具有广泛的实用性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明中含瓦斯煤应力-体积应变曲线图；
图2是本发明中常用弹性变形能计算示意图；
图3是本发明中大理岩应力-应变曲线；
图4是本发明的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至图4所示，本发明实施例所述一种含瓦斯煤弹性应变能的计算新方法，包括：
步骤1、获得含瓦斯煤应力-体积应变曲线
取不同地质赋存条件煤样，测试含瓦斯煤应力-体积应变曲线，分析含瓦斯煤体积应变特征：
进行三轴加载试验：利用MTS-816型岩石伺服气固耦合试验系统测试含瓦斯煤的应力-体积应变曲线，其中采用荷载加载方式，荷载加载过程的一次加压压差为0.005MPa/s；
测试含瓦斯煤三轴全应力-应变曲线时，在含瓦斯煤试样上的不同方向设置应变传感器，测定含瓦斯煤体积应变，从而观测含瓦斯煤体积应变由压缩转变为非线性膨胀拐点，即扩容临界点；
步骤2、分析含瓦斯煤应力-体积应变曲线，计算含瓦斯煤储存的弹性应变能；
含瓦斯煤应力-体积应变曲线，如图1所示。煤体加载时，其体积应变经历先压缩后膨胀的扩容过程，认为含瓦斯煤发生扩容后应变变形主要表现为塑性变形，故以含瓦斯煤扩容临界点(A点)为界，以加载开始扩容段(0-A段)体积应变曲线投影围成的面积计算弹性应变能。因此，含瓦斯煤储存的弹性应变能可用体积应变曲线与横坐标围成的阴影部分面积SOAB表示，故其储存弹性变形能We为：
式中:εv为体积应变值，εB为扩容临界点对应的体积应变值，σi为差应力。
由图1分析可知，阴影部分面积SOAB是曲边三角形，因此，SOAB面积采用定积分的原理进行计算，即将SOAB曲边形分成n个小曲边梯形，而每个小曲边梯形可以近似看成小矩形，将所有小矩形的面积之和作为曲边三角形面积，故实际计算可按式(2)进行。
We＝∑σiεΔvi (2)
式中：εΔvi为σi时对应的单位体积应变值，σi为差应力。
步骤3、进一步对含瓦斯煤弹性应变能计算方法进行可靠性验证
目前，针对煤岩体加载过程中储存弹性应变能计算方法应用较多是：能量冲击性指标法、理想弹塑性模型的弹性能和弹性应变能指数法，如图2所示。
选取对锦屏大理岩具有岩爆倾向性岩石进行能量计算验证，如图3所示。
根据图3的轴向应变和体积应变曲线进行弹性能量计算，如表1所示。
表1大理岩应力–应变曲线弹性应变能计算结果
*注：实际储存弹性应变能以弹性应变能指数2计算
由表1分析可知，大理岩不同加载速度加载时，以弹性应变能指数法计算的实际储存弹性应变能分别为130.46焦耳、145.82焦耳，而以应力-体积应变曲线计算的弹性应变能分别为124.95焦耳、139.55焦耳。两种方法计算结果很接近，误差约为4.22％。由此表明，以扩容临界点为界的体积应变曲线计算弹性能的新方法的正确性、合理性。
综上所述本发明公开一种含瓦斯煤弹性应变储能的计算方法，以含瓦斯煤体力学特性为依据，能够划分含瓦斯煤加载时弹性变形区段和塑性变形区段，扩容临界点前为弹性变形区段，扩容临界点后为塑性变形区段，有效解决了应力-轴向应变曲线无法准确全面计算弹性应变能的难题含瓦斯煤加载试验操作简单，无需反复加卸载试验，具有广泛的实用性。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (5)
1.一种含瓦斯煤弹性应变储能的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：获得含瓦斯煤应力-体积应变曲线，取不同地质赋存条件煤样，测试含瓦斯煤应力-体积应变曲线，分析含瓦斯煤体积应变特征；进行三轴加载试验，其试验采用荷载加载方式；
S2：分析含瓦斯煤应力-体积应变曲线，计算含瓦斯煤储存的弹性应变能，针对含瓦斯煤应力-体积应变曲线特性，基于含瓦斯煤扩容力学现象，以含瓦斯煤扩容临界点为界，划分含瓦斯煤加载时弹性变形区段和塑性变形区段，扩容临界点前为弹性变形区段，扩容临界点后为塑性变形区段，以弹性变形区段应力-体积应变曲线投影到横坐标围成的阴影部分面积计算含瓦斯煤弹性应变能；
S3：进一步对含瓦斯煤弹性应变能计算新方法进行可靠性验证。
2.如权利要求1所述含瓦斯煤弹性应变储能的计算方法，其特征在于：所述荷载加载方式为三轴应力加载方式。
3.如权利要求1所述含瓦斯煤弹性应变储能的计算方法，其特征在于：所述步骤S1中，需在含瓦斯煤试样上的不同方向设置应变传感器，从而观测含瓦斯煤应力-体积应变曲线。
4.如权利要求1所述含瓦斯煤弹性应变储能的计算方法，其特征在于：所述含瓦斯煤弹性应变能的计算方法可靠性依据不含瓦斯煤的弹性应变能指标法进行验证。
5.如权利要求1所述含瓦斯煤弹性应变储能的计算方法，其特征在于：所述荷载加载过程的一次加压压差为0.005MPa/s。
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