CN110308245A - 一种高温高压高应力耦合下煤与瓦斯延期突出试验方法 - Google Patents
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Abstract
一种高温高压高应力耦合下煤与瓦斯延期突出试验方法，适用于实验室中模拟煤矿井下高温高压高应力耦合下煤与瓦斯突出延期突出使用，包括前期准备阶段、延期突出孕育阶段、延期突出诱发阶段、延期突出结束和后续工作；通过给煤样加热，充入不同压力的瓦斯气体，最后使用蜡封圆柱模拟瓦斯突出，从而在室内模拟高温高压高应力耦合下煤与瓦斯延期突出过程，其步骤简单，模拟效果好，具有良好的实用性。
Description
技术领域
本发明涉及一种煤与瓦斯延期突出试验方法，尤其适用于实验室中对于煤矿井下模拟使用的高温高压高应力耦合下煤与瓦斯延期突出试验方法。
背景技术
煤炭是我国的基础能源，在未来很长一段时间内，煤炭作为我国主体能源的格局不会变。截至2017年，我国煤炭消费量占一次能源消费的比重依然高达60.4％。煤与瓦斯突出(简称突出)是煤矿生产中遇到的一种极其复杂的矿井瓦斯动力现象，其特征是在一定的时间内，由煤体向巷道或采场突然抛出大量的煤炭，并涌出大量的瓦斯。煤与瓦斯延期突出(简称延期突出)是指突出并不是在刚刚爆破煤壁时发生，而是在提煤几分钟到几个小时后延期发生。延期突出发生的相对数量虽然较少，但是由于其特有的隐蔽性、滞后性、突然性，往往令人措手不及而导致重大人员伤亡。
我国是世界上煤与瓦斯突出灾害最严重的国家之一，目前共有1200多对突出矿井，国有煤矿50％以上为高瓦斯突出矿井。同时随着煤矿开采深度的逐年递增，煤层温度、气压、应力也同步增加。煤体在高温高压高应力条件下的力学性质与常规条件下具有较大差异，容易进入流变状态，导致延期突出的发生。目前关于煤与瓦斯突出的研究多集中在常规条件下的突出物理模拟试验，缺少一种有效的高温高压高应力耦合下煤与瓦斯延期突出试验方法。
发明内容
针对上述技术比对不足之处，提供一种步骤简单，使用效果好，在室内模拟高温高压高应力耦合下煤与瓦斯延期突出过程的高温高压高应力耦合下煤与瓦斯延期突出试验方法。
为实现上述技术目的，本发明的高温高压高应力耦合下煤与瓦斯延期突出试验方法步骤为：前期准备阶段、延期突出孕育阶段、延期突出诱发阶段、延期突出结束和后续工作；
详细步骤为：
1a)从待测煤矿区域突出煤层中取样并进行现场调研，利用现场采集的煤块取样测定突出煤层的相关参数，确定试验方案；
1b)使用破碎筛将采集的煤块取样筛分成0-1mm粒径的煤粒，向煤粒中加水搅拌制成6％含水率煤样备用；
1c)将6％含水率煤样装入可视化箱体，可视化箱体的右侧开有突出口，可视化箱体底部设有布满热电阻丝的海绵状多功能金属板，多功能金属板上设有充气口a，可视化箱体上设有加载系统，所述加载系统为可视化箱体顶部以及可视化箱体的左侧壁内和前侧壁内设有多个透明加载板，每个透明加载板上设有加载活塞，加载活塞穿过箱体壁连通加压油缸；可视化箱体背面设有均匀步骤有多个传感器安装孔，在距离突出口0.5m和1.0m的断面内利用可视化箱体背部开设的传感器安装孔向可视化箱体中的6％含水率煤样分别埋入两组气压传感器和温度传感器，最后使用加载活塞驱动透明加载板使6％含水率煤样在20MPa条件下成型1h后解除透明加载板对煤样的加压；
1d)在可视化箱体的右侧开有的突出口中安装延期突出门，延期突出门包括透明圆管，透明圆管尾部设有安装法兰，透明圆管内以石蜡融化倒入充满密封，透明圆管内壁直径与突出口匹配，突出口直径为0.1m，透明圆管长0.5m，透明圆管内壁区域1-区域5分别铺设延时门热电阻丝，延期突出圆管内壁的热电阻丝从接线口b延伸出，将延期突出门的透明圆管通过安装法兰连接至可视化箱体的突出口上；
1e)将高压气瓶出气口、真空泵抽气口和可视化箱体的充气口a气路顺序连接，然后将高压气瓶出气口与延期突出门的充气口b连接，检测可视化箱体、延期突出门及气管管路密封效果，确保密封压力不低于6MPa；
1f)在可视化箱体外侧和瞬间突出门处分别设置高速摄像机；
2a)利用温度传感器和气压传感器采集可视化箱体中煤样的气压和温度数据；
2b)启动三轴应力加载操作，其中煤样上部6个压板应力大小均为25MPa，前侧6个压板应力大小均为30MPa；左侧1个压板应力大小为20MPa；
2c)启动真空泵对煤样进行抽真空操作，直到煤体内部气压小于100Pa后关闭真空泵，用时约12h；
2d)打开高压气瓶对煤样进行充瓦斯操作，共分为四阶段保证煤样吸附平衡气压为3.0MPa，第一阶段充气12h、充气压力至1.1MPa，然后关闭气瓶，稳定6h；第二阶段充气12h、充气压力至2.1MPa，然后关闭气瓶，稳定6h；第三阶段充气12h、充气压力至3.1MPa，然后关闭气瓶，稳定6h；第四阶段充气6h、充气至3.0MPa，然后关闭气瓶，稳定至3.0MPa；用时共计约60h；
2e)利用多功能金属板上设置的热电阻丝对煤样底部进行加热，设置加热温度为50℃，待煤层距离突出口0.5m和1.0m的断面内温度差异小于0.1℃时停止加热，以保证煤层内部不同位置温度相同，一般用时约12h；
3a)利用延时门加热电阻丝对延期突出门圆管内区域1-区域5中凝固的石蜡加热，待石蜡融化到一定程度不足以密封箱体瓦斯时诱发延期突出，停止加热；其中加热不同区域模拟距离突出口不同位置处煤巷掘进扰动诱发延期突出，加热的区域根据需要调整；
3b)利用高速摄像机采集模拟瓦斯延期突出中煤粉喷出的图像，当模拟的瓦斯延期突出结束后，停止透明加载板的应力加载，收集突出口抛出的煤粉并称重；
4a)改变温度、应力、气压试验条件，进一步开展其余条件下高温高压高应力耦合下煤与瓦斯延期突出试验。
5a)根据收集的突出煤粉质量计算突出强度，对比突出煤粉筛分结果与原始煤粉粒径大小，分析延期突出过程以煤粉的破碎效应；
5b)根据高速摄像机拍摄的箱体内部煤体照片，分析延期突出过程中煤体表面裂纹的生长、扩展规律，并利用PS对裂缝最终形态进行素描处理，以进一步定量分析延期突出过程中裂纹演化规律；
5c)根据高速摄像机拍摄的突出口喷出煤粉运移全过程，计算煤粉运动速度及加速度，分析延期突出过程中煤粉运动特征；
5d)根据煤层内部传感器测得的瓦斯压力、温度数据，利用克里金插值法获得煤层内部三维瓦斯压力、温度数据，并进一步结合煤体表面裂纹演化规律，分析延期突出过程中煤层渗流场、温度场、表面裂隙场三场耦合规律。
改变温度、应力、气压试验条件，进一步开展其余条件下高温高压高应力耦合下煤与瓦斯延期突出试验的试验条件为：
提供瓦斯压力为3.0/MPa时，设定所有透明加载板的应力为10.0/MPa，分别检测煤样温度为30/℃和60/℃的瓦斯延时突出状态；提供瓦斯压力为3.0/MPa时，设定所有透明加载板的应力为20.0/MPa，分别检测煤样温度为30/℃和60/℃的瓦斯延时突出状态；提供瓦斯压力为6.0/MPa时，设定所有透明加载板的应力为10.0/MPa，分别检测煤样温度为30/℃和60/℃的瓦斯延时突出状态；提供瓦斯压力为6.0/MPa时，设定所有透明加载板的应力为20.0/MPa，分别检测煤样温度为30/℃和60/℃的瓦斯延时突出状态。
有益效果：
可在室内模拟不同真三轴应力、瓦斯压力、煤层温度多场耦合条件下煤与瓦斯延期突出过程，同时可同步监测并采集箱体内煤层瓦斯压力、温度、表面裂纹形态以及突出煤粉运动过程，进一步实现了箱体煤层渗流场、温度场、表面裂隙场以及突出煤粉运移轨迹场多场全程可视化，为研究煤与瓦斯突出致灾特征及其防治奠定基础。
附图说明：
图1为本发明高温高压高应力耦合下煤与瓦斯延期突出试验方法使用的透明箱体结构示意图。
图2为本本发明高温高压高应力耦合下煤与瓦斯延期突出试验方法使用的透明箱体俯视图。
图3为本本发明高温高压高应力耦合下煤与瓦斯延期突出试验方法使用的透明箱体后视图。
图4为本发明高温高压高应力耦合下煤与瓦斯延期突出试验方法使用的延期突出门结构示意图。
图5为本发明高温高压高应力耦合下煤与瓦斯延期突出试验方法使用的加载系统结构示意图。
图6为本发明高温高压高应力耦合下煤与瓦斯延期突出试验方法使用的高速摄像机安装示意图。
图中：1-可视化箱体，2-突出口，3-多功能金属板，4-密封圈，5-密封螺栓，6-接线口，7-充气口a，8-热电阻丝，9-传感器安装孔，10-安装法兰，11-透明圆管，12-延时门热电阻丝，13-充气口b，14-透明加载板，15-加载活塞，16-高速摄像机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例做进一步说明：
本发明的一种高温高压高应力耦合下煤与瓦斯延期突出试验方法，步骤为：前期准备阶段、延期突出孕育阶段、延期突出诱发阶段、延期突出结束和后续工作；
详细步骤为：
1a)从待测煤矿区域突出煤层的煤块取样进行现场调研，利用现场采集的煤块取样测定突出煤层的相关参数，确定试验方案；
1b)使用破碎筛将采集的煤块取样筛分成0-1mm粒径的煤粒，向煤粒中加水搅拌制成6％含水率煤样备用；
1c)将6％含水率煤样装入可视化箱体，可视化箱体的右侧开有突出口，可视化箱体底部设有布满热电阻丝的海绵状多功能金属板，多功能金属板上设有充气口a，可视化箱体上设有加载系统，所述加载系统为可视化箱体顶部以及可视化箱体的左侧壁内和前侧壁内设有多个透明加载板，每个透明加载板上设有加载活塞，加载活塞穿过箱体壁连通加压油缸；可视化箱体背面设有均匀步骤有多个传感器安装孔，在距离突出口0.5m和1.0m的断面内利用可视化箱体背部开设的传感器安装孔向可视化箱体中的6％含水率煤样分别埋入两组气压传感器和温度传感器，最后使用加载活塞驱动透明加载板使6％含水率煤样在20MPa条件下成型1h后解除透明加载板对煤样的加压；
1d)如图4所示，在可视化箱体1的右侧开有的突出口2中安装延期突出门，延期突出门包括透明圆管11，透明圆管11尾部设有安装法兰10，透明圆管11内以石蜡融化倒入充满密封，透明圆管11内壁直径与突出口2匹配，突出口2直径为0.1m，透明圆管11长0.5m，透明圆管11内壁区域1-区域5分别铺设延时门热电阻丝12，延期突出圆管内壁的延时门热电阻丝12从接线口b13延伸出，将延期突出门的透明圆管11通过安装法兰连接至可视化箱体1的突出口2上；
1e)将高压气瓶出气口、真空泵抽气口和可视化箱体1的充气口a7气路顺序连接，然后将高压气瓶出气口与延期突出门的充气口b连接，检测可视化箱体1、延期突出门及气管管路密封效果，确保密封压力不低于6MPa；
1f)如图6所示，在可视化箱体1外侧和瞬间突出门处分别设置高速摄像机16；
2a)利用温度传感器和气压传感器采集可视化箱体1中煤样的气压和温度数据；
2b)启动三轴应力加载操作，其中煤样上部6个压板应力大小均为25MPa，前侧6个压板应力大小均为30MPa；左侧1个压板应力大小为20MPa；
2c)启动真空泵对煤样进行抽真空操作，直到煤体内部气压小于100Pa后关闭真空泵，用时约12h；
2d)打开高压气瓶对煤样进行充瓦斯操作，共分为四阶段保证煤样吸附平衡气压为3.0MPa，第一阶段充气12h、充气压力至1.1MPa，然后关闭气瓶，稳定6h；第二阶段充气12h、充气压力至2.1MPa，然后关闭气瓶，稳定6h；第三阶段充气12h、充气压力至3.1MPa，然后关闭气瓶，稳定6h；第四阶段充气6h、充气至3.0MPa，然后关闭气瓶，稳定至3.0MPa；用时共计约60h；
2e)利用多功能金属板3上设置的热电阻丝8对煤样底部进行加热，设置加热温度为50℃，待煤层距离突出口20.5m和1.0m的断面内温度差异小于0.1℃时停止加热，以保证煤层内部不同位置温度相同，一般用时约12h；
3a)利用延时门加热电阻丝对延期突出门圆管内区域1-区域5中凝固的石蜡加热，待石蜡融化到一定程度不足以密封箱体瓦斯时诱发延期突出，停止加热；其中加热不同区域模拟距离突出口2不同位置处煤巷掘进扰动诱发延期突出，加热的区域根据需要调整；
3b)利用高速摄像机16采集模拟瓦斯延期突出中煤粉喷出的图像，当模拟的瓦斯延期突出结束后，停止透明加载板14的应力加载，收集突出口2抛出的煤粉并称重；
4a)改变温度、应力、气压试验条件，进一步开展其余条件下高温高压高应力耦合下煤与瓦斯延期突出试验；具体为：
提供瓦斯压力为3.0/MPa时，设定所有透明加载板14的应力为10.0/MPa，分别检测煤样温度为30/℃和60/℃的瓦斯延时突出状态；提供瓦斯压力为3.0/MPa时，设定所有透明加载板14的应力为20.0/MPa，分别检测煤样温度为30/℃和60/℃的瓦斯延时突出状态；提供瓦斯压力为6.0/MPa时，设定所有透明加载板14的应力为10.0/MPa，分别检测煤样温度为30/℃和60/℃的瓦斯延时突出状态；提供瓦斯压力为6.0/MPa时，设定所有透明加载板14的应力为20.0/MPa，分别检测煤样温度为30/℃和60/℃的瓦斯延时突出状态；
| 试验编号 | 瓦斯压力/MPa | 地应力/MPa | 温度/℃ |
| 1 | 3.0 | 10.0 | 30 |
| 2 | 3.0 | 10.0 | 60 |
| 3 | 3.0 | 20.0 | 30 |
| 4 | 3.0 | 20.0 | 60 |
| 5 | 6.0 | 10.0 | 30 |
| 6 | 6.0 | 10.0 | 60 |
| 7 | 6.0 | 20.0 | 30 |
| 8 | 6.0 | 20.0 | 60 |
5a)根据收集的突出煤粉质量计算突出强度，对比突出煤粉筛分结果与原始煤粉粒径大小，分析延期突出过程以煤粉的破碎效应；
5b)根据高速摄像机16拍摄的箱体内部煤体照片，分析延期突出过程中煤体表面裂纹的生长、扩展规律，并利用PS对裂缝最终形态进行素描处理，以进一步定量分析延期突出过程中裂纹演化规律；
5c)根据高速摄像机16拍摄的突出口2喷出煤粉运移全过程，计算煤粉运动速度及加速度，分析延期突出过程中煤粉运动特征；
5d)根据煤层内部传感器测得的瓦斯压力、温度数据，利用克里金插值法获得煤层内部三维瓦斯压力、温度数据，并进一步结合煤体表面裂纹演化规律，分析延期突出过程中煤层渗流场、温度场、表面裂隙场三场耦合规律。
Claims (2)
1.一种高温高压高应力耦合下煤与瓦斯延期突出试验方法，其特征在于步骤为：前期准备阶段、延期突出孕育阶段、延期突出诱发阶段、延期突出结束和后续工作；
详细步骤为：
1a)从待测煤矿区域突出煤层中取样并进行现场调研，利用现场采集的煤块取样测定突出煤层的相关参数，确定试验方案；
1b)使用破碎筛将采集的煤块取样筛分成0-1mm粒径的煤粒，向煤粒中加水搅拌制成6％含水率煤样备用；
1c)将6％含水率煤样装入可视化箱体，可视化箱体的右侧开有突出口，可视化箱体底部设有布满热电阻丝的海绵状多功能金属板，多功能金属板上设有充气口a，可视化箱体上设有加载系统，所述加载系统为可视化箱体顶部以及可视化箱体的左侧壁内和前侧壁内设有多个透明加载板，每个透明加载板上设有加载活塞，加载活塞穿过箱体壁连通加压油缸；可视化箱体背面设有均匀步骤有多个传感器安装孔，在距离突出口0.5m和1.0m的断面内利用可视化箱体背部开设的传感器安装孔向可视化箱体中的6％含水率煤样分别埋入两组气压传感器和温度传感器，最后使用加载活塞驱动透明加载板使6％含水率煤样在20MPa条件下成型1h后解除透明加载板对煤样的加压；
1d)在可视化箱体的右侧开有的突出口中安装延期突出门，延期突出门包括透明圆管，透明圆管尾部设有安装法兰，透明圆管内以石蜡融化倒入充满密封，透明圆管内壁直径与突出口匹配，突出口直径为0.1m，透明圆管长0.5m，透明圆管内壁区域1-区域5分别铺设延时门热电阻丝，延期突出圆管内壁的热电阻丝从接线口b延伸出，将延期突出门的透明圆管通过安装法兰连接至可视化箱体的突出口上；
1e)将高压气瓶出气口、真空泵抽气口和可视化箱体的充气口a气路顺序连接，然后将高压气瓶出气口与延期突出门的充气口b连接，检测可视化箱体、延期突出门及气管管路密封效果，确保密封压力不低于6MPa；
1f)在可视化箱体外侧和瞬间突出门处分别设置高速摄像机；
2a)利用温度传感器和气压传感器采集可视化箱体中煤样的气压和温度数据；
2b)启动三轴应力加载操作，其中煤样上部6个压板应力大小均为25MPa，前侧6个压板应力大小均为30MPa；左侧1个压板应力大小为20MPa；
2c)启动真空泵对煤样进行抽真空操作，直到煤体内部气压小于100Pa后关闭真空泵，用时约12h；
2d)打开高压气瓶对煤样进行充瓦斯操作，共分为四阶段保证煤样吸附平衡气压为3.0MPa，第一阶段充气12h、充气压力至1.1MPa，然后关闭气瓶，稳定6h；第二阶段充气12h、充气压力至2.1MPa，然后关闭气瓶，稳定6h；第三阶段充气12h、充气压力至3.1MPa，然后关闭气瓶，稳定6h；第四阶段充气6h、充气至3.0MPa，然后关闭气瓶，稳定至3.0MPa；用时共计约60h；
2e)利用多功能金属板上设置的热电阻丝对煤样底部进行加热，设置加热温度为50℃，待煤层距离突出口0.5m和1.0m的断面内温度差异小于0.1℃时停止加热，以保证煤层内部不同位置温度相同，一般用时约12h；
3a)利用延时门加热电阻丝对延期突出门圆管内区域1-区域5中凝固的石蜡加热，待石蜡融化到一定程度不足以密封箱体瓦斯时诱发延期突出，停止加热；其中加热不同区域模拟距离突出口不同位置处煤巷掘进扰动诱发延期突出，加热的区域根据需要调整；
3b)利用高速摄像机采集模拟瓦斯延期突出中煤粉喷出的图像，当模拟的瓦斯延期突出结束后，停止透明加载板的应力加载，收集突出口抛出的煤粉并称重；
4a)改变温度、应力、气压试验条件，进一步开展其余条件下高温高压高应力耦合下煤与瓦斯延期突出试验。
5a)根据收集的突出煤粉质量计算突出强度，对比突出煤粉筛分结果与原始煤粉粒径大小，分析延期突出过程以煤粉的破碎效应；
5b)根据高速摄像机拍摄的箱体内部煤体照片，分析延期突出过程中煤体表面裂纹的生长、扩展规律，并利用PS对裂缝最终形态进行素描处理，以进一步定量分析延期突出过程中裂纹演化规律；
5c)根据高速摄像机拍摄的突出口喷出煤粉运移全过程，计算煤粉运动速度及加速度，分析延期突出过程中煤粉运动特征；
5d)根据煤层内部传感器测得的瓦斯压力、温度数据，利用克里金插值法获得煤层内部三维瓦斯压力、温度数据，并进一步结合煤体表面裂纹演化规律，分析延期突出过程中煤层渗流场、温度场、表面裂隙场三场耦合规律。
2.根据权利要求1所述的高温高压高应力耦合下煤与瓦斯延期突出试验方法，其特征在于改变温度、应力、气压试验条件，进一步开展其余条件下高温高压高应力耦合下煤与瓦斯延期突出试验的试验条件为：
提供瓦斯压力为3.0/MPa时，设定所有透明加载板的应力为10.0/MPa，分别检测煤样温度为30/℃和60/℃的瓦斯延时突出状态；提供瓦斯压力为3.0/MPa时，设定所有透明加载板的应力为20.0/MPa，分别检测煤样温度为30/℃和60/℃的瓦斯延时突出状态；提供瓦斯压力为6.0/MPa时，设定所有透明加载板的应力为10.0/MPa，分别检测煤样温度为30/℃和60/℃的瓦斯延时突出状态；提供瓦斯压力为6.0/MPa时，设定所有透明加载板的应力为20.0/MPa，分别检测煤样温度为30/℃和60/℃的瓦斯延时突出状态。
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