CN108254524B - 含瓦斯煤岩体加载应力与瓦斯压力耦合关系测定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及煤矿动力灾害防控技术领域，具体涉及含瓦斯煤岩体加载应力与瓦斯压力耦合关系测定方法；本发明针对含瓦斯煤岩体气固耦合特性，应力与瓦斯压力耦合响应关系进行实验和理论分析综合测定，采用三轴加载试验获得加载应力‑体积应变曲线、根据含瓦斯煤岩体孔隙特性与瓦斯解吸吸附理论，分别建立加载应力‑孔隙率物理力学模型和孔隙率‑瓦斯压力理论模型，以及进一步对判别模型进行可靠性验证，最终获得加载应力与瓦斯压力耦合模型；本发明的方法能够揭示煤层瓦斯压力受控于采动应力耦合致灾的力学本质，为煤与瓦斯动力灾害防控技术提供理论依据，具有广泛的实用性。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿动力灾害防控技术领域，具体涉及含瓦斯煤岩体加载应力与瓦斯压力耦合关系测定方法。
背景技术
煤层力学状态和瓦斯赋存状态是煤与瓦斯动力灾变的主要影响因素，其中煤层应力和瓦斯压力是最重要的两个指标。尤其进入深部开采，实施瓦斯综合治理措施后，低指标状态煤与瓦斯动力灾害事故时有发生，给生产安全造成严重威胁。
受采动应力影响，含瓦斯煤层气固耦合致灾演化本质更加复杂，煤与瓦斯动力灾害越发严重，为有效防控煤与瓦斯动力灾害的发生，弄清含瓦斯煤岩体气固耦合致灾机理尤为重要，而揭示煤层应力与瓦斯压力耦合响应规律是探索煤与瓦斯动力灾害力学本质和实施防控措施的重要基础。因此，科学准确获得应力与瓦斯压力耦合互馈效应模型，并采取有效控制措施，对控制动力灾害具有重要意义。
目前，针对含瓦斯煤岩体加载应力与瓦斯压力耦合关系主要是基于现场和实验室测定研究。现场测定主要是分别测定开采工作面煤层地应力和煤层瓦斯压力，然后通过各自测定结果反映出两者之间的变化趋势关系，一方面存在测定误差；另一方面二者是独立测定的，并不能真正揭示二者之间的耦合关系；实验室研究主要是依据加载应力和精密传感器探测密封煤样罐内的瓦斯压力，认为煤样罐内瓦斯压力近似等于含瓦斯煤体内瓦斯压力，根据含瓦斯煤岩体解吸吸附理论可知，含瓦斯煤岩体瓦斯压力是其孔隙内游离瓦斯气体的宏观表现，与其受力后孔隙率变化有关，若以煤样罐内气体压力代替瓦斯压力是极其不合理的。由于在加载压缩过程中煤样罐腔体内体积始终是减小的，且腔体减小引起气体压力变化幅度要比孔隙变化引起气体压力变化幅度要大得多。表明，实验室瓦斯压力测定是不准确、不科学、不合理的。综上所述，现有针对应力与瓦斯压力耦合关系机理研究从本质上存在一定缺陷。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明公开含瓦斯煤岩体加载应力与瓦斯压力耦合关系测定方法，能够解决现有现场独立测定无法揭示耦合本质和实验室瓦斯压力测定不准确、不科学和不合理问题。
(二)技术方案
含瓦斯煤岩体加载应力与瓦斯压力耦合关系测定方法，包括以下步骤：
a)取不同地质赋存条件煤样，分析含瓦斯煤岩体体积应变特征，获得加载应力-体积应变曲线；
b)根据含瓦斯煤岩体孔隙特性，构建孔隙率-体积应变-加载应力物理力学模型；
c)分析加载应力-体积应变曲线，根据构建的孔隙率-体积应变-加载应力物理力学模型，获得加载应力-孔隙率耦合关系曲线；
d)分析加载应力-孔隙率耦合关系曲线，根据含瓦斯煤岩体瓦斯解吸吸附理论，建立加载应力-孔隙率-瓦斯压力理论关系模型，最终获得加载应力-瓦斯压力耦合响应关系曲线。
优选的，步骤a中测试不同围压下含瓦斯煤岩体加载应力-体积应变曲线。
优选的，步骤a中在含瓦斯煤岩体试样上的不同方向设置应变传感器，测定含瓦斯煤岩体体积应变。
优选的，步骤a中荷载加载方式为三轴应力加载方式，荷载加载过程的加压压差为0.005MPa/s。
优选的，步骤b中，基于孔隙特性，推导加载过程中孔隙率-体积应变-加载应力物理力学模型。
优选的，步骤c中，根据构建的孔隙率-体积应变-加载应力物理力学模型，将其体积应变转换为孔隙率，代入加载应力-体积应变曲线中，得到加载应力-孔隙率耦合曲线。
优选的，步骤d中，基于含瓦斯煤岩体瓦斯解吸吸附理论，建立应力-孔隙率-瓦斯压力理论关系模型，以孔隙率为中间变量，进一步将瓦斯压力转换为孔隙率，代入加载应力-孔隙率耦合曲线，得到加载应力-瓦斯压力耦合响应关系曲线。
优选的，还包括步骤e，所述加载应力-瓦斯压力耦合关系可靠性依据现场采动应力与瓦斯压力实际测定进行验证。
(三)有益效果
本发明提供了含瓦斯煤岩体加载应力与瓦斯压力耦合关系测定方法，针对含瓦斯煤岩体气固耦合特性，应力与瓦斯压力耦合响应关系进行实验和理论分析综合测定，采用三轴加载试验获得加载应力-体积应变曲线、根据含瓦斯煤岩体孔隙特性与瓦斯解吸吸附理论，分别建立加载应力-孔隙率物理力学模型和孔隙率-瓦斯压力理论模型，以及进一步对判别模型进行可靠性验证，最终获得加载应力与瓦斯压力耦合模型；本发明的方法能够揭示煤层瓦斯压力受控于采动应力耦合致灾的力学本质，为煤与瓦斯动力灾害防控技术提供理论依据，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的技术方案，下面将对实施例描述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保护的一些实施例，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为本发明的流程图；
图2为本发明一个实施例下加载应力-体积应变曲线图；
图3为本发明一个实施例下加载应力-孔隙率曲线图(围压2MPa)；
图4为本发明一个实施例下加载应力-孔隙率曲线图(围压4MPa)；
图5为本发明一个实施例下加载应力-孔隙率曲线图(围压6MPa)；
图6为本发明一个实施例下加载应力-瓦斯压力曲线图(围压2MPa)；
图7为本发明一个实施例下加载应力-瓦斯压力曲线图(围压4MPa)；
图8图为本发明一个实施例下加载应力-瓦斯压力曲线图(围压6MPa)；
图9为本发明一个实施例下含瓦斯煤岩体现场测试采动应力-瓦斯压力曲线图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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它实施例，都属于本发明保护的范围。
参看附图1，含瓦斯煤岩体加载应力与瓦斯压力耦合关系测定方法，包括如下步骤：
步骤a，取不同地质条件煤样，分析含瓦斯煤岩体体积应变变化特征，获得加载应力-体积应变曲线。
具体的，利用MTS-816型岩石伺服气固耦合试验系统测试不同围压下加载应力-体积应变曲线，其中采用三轴应力加载方式实现不同围压加载，荷载加载过程的加压压差为0.005MPa/s；
在一个实施例中，不同围压应力分别为：2MPa、4MPa、6MPa。试验结果如图2所示。实验表明，随着围压增加，含瓦斯煤岩体体积应变压缩变形量增大、含瓦斯煤岩体峰值应力和应变均增大的响应特征。
步骤b、根据含瓦斯煤岩体孔隙特性，构建孔隙率-体积应变-加载应力物理力学模型。
具体的，基于孔隙率定义，含瓦斯煤岩体加载过程中体积应变与体积模量和静水压力之间关系推到获得，其推导如下：
式中：η为含瓦斯煤岩体孔隙率，η0为含瓦斯煤岩体原始孔隙率，Vp为含瓦斯煤岩体试样孔隙体积，Vb为含瓦斯煤岩体试样体积。Vp0为含瓦斯煤岩体试样原始孔隙体积，Vb0为含瓦斯煤岩体试样原始体积，△Vp为含瓦斯煤岩体试样孔隙体积变化量，△Vb为含瓦斯煤岩体试样体积变化量，εv为含瓦斯煤岩体试样体积应变。
含瓦斯煤岩体试样孔隙体积变化是体积变化和试样骨架体积变量综合结果。
而骨架体积变化量与静水压力有关，可表示为：
式中：εvg为骨架体积变量，σ0为静水压力。联立公式(1-1)、公式(1-2)和公式(1-3)得：
步骤c，基于加载应力-体积应变曲线试验数据进行处理，根据构建的孔隙率-体积应变-加载应力物理力学模型，以体积应变为中间变量，将其体积应变转换为孔隙率，代入加载应力-体积应变曲线中，得到加载应力与孔隙率之间的耦合曲线，如图3、图4、图5所示。
步骤d，分析加载应力-孔隙率耦合关系曲线，根据含瓦斯煤岩体瓦斯解吸吸附理论，建立应力-孔隙率-瓦斯压力理论关系模型，最终获得加载应力-瓦斯压力耦合响应关系曲线。
依据孔隙率与孔隙容积定义可知：
η＝ρV (1-5)
式中：ρ为含瓦斯煤岩体密度，V为含瓦斯煤岩体孔隙容积。
根据游离态瓦斯含量计算方法可知：
Xy＝VPT0/(TP0ξ) (1-6)
式中：Xy含瓦斯煤岩体游离瓦斯含量，P为含瓦斯煤岩体瓦斯压力，P0为标准大气压力，T0为标准状态下绝对温度(273K)，T为瓦斯的绝对温度，含瓦斯煤岩体瓦斯压力；ξ为瓦斯气体压缩系数。
联立式(1-4)～(1-6)可得：
令T0＝T，ξ＝1，式(9)变为：
式中：υ为含瓦斯煤岩体泊松比。
分析步骤c中加载应力-孔隙率曲线数据，以孔隙率中间变量，代入加载应力-孔隙率耦合曲线，从而获得加载应力-瓦斯压力耦合响应关系曲线，如图6、图7、图8所示。
步骤e，加载应力-瓦斯压力耦合关系可靠性依据现场采动应力与瓦斯压力实际测定进行验证；
在本实施例里，依据淮北矿业集团祁南煤矿714工作面采动应力与瓦斯压力实际测定结果，与实验室试验测定结果进行比较分析，研究表明，含瓦斯煤岩体峰值强度前，应力与瓦斯压力之间具有典型的耦合效应，如图9所示，验证了其科学性和合理性。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (6)
1.含瓦斯煤岩体加载应力与瓦斯压力耦合关系测定方法，其特征在于,包括以下步骤：
a)取不同地质赋存条件煤样，分析含瓦斯煤岩体体积应变特征，由三向加载试验测定获得加载应力-体积应变曲线；
b)根据含瓦斯煤岩体孔隙特性，构建孔隙率-体积应变-加载应力物理力学模型；
具体的，基于孔隙率定义，含瓦斯煤岩体加载过程中体积应变与体积模量和静水压力之间关系推导 获得，其推导如下：
式中：η为含瓦斯煤岩体孔隙率，η0为含瓦斯煤岩体原始孔隙率，Vp为含瓦斯煤岩体试样孔隙体积，Vb为含瓦斯煤岩体试样体积；Vp0为含瓦斯煤岩体试样原始孔隙体积，Vb0为含瓦斯煤岩体试样原始体积，△Vp为含瓦斯煤岩体试样孔隙体积变化量，△Vb为含瓦斯煤岩体试样体积变化量，εv为含瓦斯煤岩体试样体积应变；
含瓦斯煤岩体试样孔隙体积变化是体积变化和试样骨架体积变量综合结果；
而骨架体积变化量与静水压力有关，可表示为：
式中：εvg为骨架体积变量，σ0为静水压力；联立公式(1-1)、公式(1-2)和公式(1-3)得：
c)分析加载应力-体积应变曲线，根据构建的孔隙率-体积应变-加载应力物理力学模型，将其体积应变转换为孔隙率，代入加载应力-体积应变曲线中，得到加载应力-孔隙率耦合曲线；
d)分析加载应力-孔隙率耦合关系曲线，根据含瓦斯煤岩体瓦斯解吸吸附理论，建立应力-孔隙率-瓦斯压力理论关系模型，以孔隙率为中间变量，进一步将瓦斯压力转换为孔隙率，代入加载应力-孔隙率耦合曲线，最终获得加载应力-瓦斯压力耦合响应关系曲线；
依据孔隙率与孔隙容积定义可知：
η＝ρV (1-5)
式中：ρ为含瓦斯煤岩体密度，V为含瓦斯煤岩体孔隙容积；
根据游离态瓦斯含量计算方法可知：
Xy＝VPT0/(TP0ξ) (1-6)
式中：Xy含瓦斯煤岩体游离瓦斯含量，P为含瓦斯煤岩体瓦斯压力，P0为标准大气压力，T0为标准状态下绝对温度(273K)，T为瓦斯的绝对温度，含瓦斯煤岩体瓦斯压力；ξ为瓦斯气体压缩系数；
联立式(1-4)～(1-6)可得：
令T0＝T，ξ＝1，式(1-7 )变为：
式中：υ为含瓦斯煤岩体泊松比；
分析步骤c中加载应力-孔隙率曲线数据，以孔隙率中间变量，代入加载应力-孔隙率耦合曲线，从而获得加载应力-瓦斯压力耦合响应关系曲线。
2.根据权利要求1所述的含瓦斯煤岩体加载应力与瓦斯压力耦合关系测定方法，其特征在于：步骤a)中测试不同围压下含瓦斯煤岩体加载应力-体积应变曲线。
3.根据权利要求2所述的含瓦斯煤岩体加载应力与瓦斯压力耦合关系测定方法，其特征在于：步骤a)中在含瓦斯煤岩体试样上的不同方向设置应变传感器，测定含瓦斯煤岩体体积应变。
4.根据权利要求3所述的含瓦斯煤岩体加载应力与瓦斯压力耦合关系测定方法，其特征在于：步骤a)中荷载加载方式为三轴应力加载方式，荷载加载过程的加压压差为0.005MPa/s。
5.根据权利要求1所述的含瓦斯煤岩体加载应力与瓦斯压力耦合关系测定方法，其特征在于：步骤b)中，基于孔隙特性，推导加载过程中孔隙率-体积应变-加载应力物理力学模型。
6.根据权利要求1～5任一所述的含瓦斯煤岩体加载应力与瓦斯压力耦合关系测定方法，其特征在于：还包括步骤e)，所述加载应力-瓦斯压力耦合关系可靠性依据现场采动应力与瓦斯压力实际测定进行验证。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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