CN111272970A - 一种煤与瓦斯突出模拟相似比确定及反演还原分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种煤与瓦斯突出模拟相似比确定及反演还原分析方法，属于煤与瓦斯突出模拟实验技术领域，包括以下步骤：根据突出案例现场受突出影响的煤层体积和实验室的型煤模型体积确定几何相似比；基于能量守恒定律、煤体物理力学性能、瓦斯吸附性能、瓦斯压力、应力构建煤与瓦斯突出能量方程；根据实验参数和能量方程确定实验参数相似比；根据几何相似比和实验参数相似比进行相似设计，根据相似设计进行突出模拟实验，根据突出模拟实验反演还原突出事故案例的发生过程，验证事故案例现场参数，分析突出事故案例现场参数变化规律。本申请通过突出案例现场受突出影响的煤层体积和实验室的型煤模型体积确定几何相似比，提高了实验结果的准确性。
Description
技术领域
本发明属于煤与瓦斯突出模拟实验技术领域，涉及一种煤与瓦斯突出模拟相似比确定及反演还原分析方法。
背景技术
煤与瓦斯突出是一种极其复杂的动力灾害，具有巨大的破坏性和危害性，严重威胁着煤矿的安全生产。对煤与瓦斯突出事故情景的还原与相似模拟是研究煤与瓦斯突出机理与防控技术的重要方法，在实验室借助大型煤与瓦斯突出模拟装置开展高相似度工程模拟试验是研究的有效途径和发展方向。
目前，国内外学者进行了大量的突出模拟实验，但是对在实验过程中相似比的确定以及实验参数的选择未给出合理的解释，特别是几何相似比的确定，并且未考虑模拟实验的模型制作误差、尺度效应等对模拟结果的影响。
如果不考虑几何相似比确定的合理性和模拟实验的模型制作误差、尺度效应等对模拟结果的影响，那么模拟实验就无法真实反演还原突出事故的全过程，模拟实验的结果也不能准确反演还原突出事故现场，将使模拟实验的可靠性和准确性得不到保证，模拟实验也就不能很好地指导科学研究和现场生产。
发明内容
有鉴于此，本申请的目的在于提供一种煤与瓦斯突出模拟相似比确定及反演还原分析方法，通过突出事故案例现场受突出影响的煤层体积和实验室的型煤模型体积确定几何相似比，提高了实验结果的准确性。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种煤与瓦斯突出模拟相似比确定方法，包括以下步骤：基于突出事故案例，进行事故现场参数的测定和实验参数的选择；选择的实验参数包括瓦斯放散初速度Δp、坚固性系数f、材料力学参数、气压和应力；根据突出事故案例现场受突出影响的煤层体积和实验室的型煤模型体积确定几何相似比；基于能量守恒定律、煤体物理力学性能、瓦斯吸附性能、瓦斯压力、应力构建煤与瓦斯突出能量方程：瓦斯内能+弹性能＝破碎功+抛出功；根据实验参数和能量方程确定实验参数相似比；实验参数相似比包括气压相似比、材料力学参数相似比、瓦斯参数相似比和应力相似比。
可选地，受突出影响的煤层体积的确定包括以下步骤：确定影响突出煤层体积的参数；基于突出案例现场测定影响突出煤层体积的参数；根据测定的参数确定突出案例现场受影响的煤层体积。
可选地，影响突出煤层体积的参数包括突出孔洞形状，将突出孔洞形状抽象为椭球体。
可选地，基于突出案例现场的测定参数和数值模拟软件的分析，确定突出煤层体积Vm与突出孔洞体积Vp的关系，即Vm＝δVp；根据突出煤层体积和实验室的型煤模型体积的体积比CV确定几何相似比
可选地，瓦斯参数相似比包括瓦斯放散初速度的相似比CΔp和瓦斯第一吸附常数的相似比Ca，且CΔp＝Ca＝1。
可选地，应力相似比Cσ＝Cf 0.745，其中，Cf为坚固性系数相似比。
本发明还提供了了一种煤与瓦斯突出模拟的反演还原分析方法，应用上述的几何相似比和实验参数相似比，根据几何相似比和实验参数相似比进行相似设计；根据相似设计进行突出模拟实验；根据突出模拟实验，反演还原突出事故案例的发生过程，验证突出事故案例现场参数，分析实验参数变化规律。
可选地，相似设计包括制作配比相同的型煤模型和平行样，通过测定平行样的坚固性系数fx修正突出模拟实验条件，采用经过修正的突出模拟实验条件进行突出模拟实验。
可选地，根据实验气体压力和加载应力进行突出模拟实验，通过监测突出过程中的加载应力、实验气体压力的变化以及实验突出后的孔洞尺寸和突出煤量反演还原突出事故案例的发生过程，验证突出事故案例现场参数，分析实验参数变化规律。
本发明的有益效果在于：
1.本发明通过突出案例现场受突出影响的煤层体积和实验室的型煤模型体积确定几何相似比，提高了实验结果的准确性。
2.本发明通过采用坚固性系数和瓦斯放散初速度来代替弹性模量、瓦斯吸附常数的测量，不仅提高了实验的可操作性，而且提高了试验结果的可靠性。
3.本发明通过测试平行样来修正加载条件，可以使实验更接近实际情况，提高了实验的可靠性。
4.本发明通过先根据基于突出案例现场数据确定的几何相似比和实验参数相似比设计模拟实验条件，然后根据平行样的测试结果修正模拟实验条件，使得模拟实验的过程更加接近突出事故的真实情况，模拟实验的结果也更加真实可靠。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为受突出影响的煤层范围的示意图；
图2为煤与瓦斯突出模拟的反演还原分析方法的流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本发明基于典型突出事故案例测定事故现场参数，确定合理的相似模拟相似比，根据相似比制定模拟实验相似设计方案，再进行相似材料配比及模型制作，测定模型平行样实际参数，修正相似设计及确定载荷条件，然后根据设定条件开展模拟实验，最终基于相似比结合现场进行实验结果反演还原分析，确保模拟反演还原分析的科学性及宏观相似性，为煤与瓦斯突出事故的机理研究和反演调查分析提供科学的支撑。
参阅图1～图2，本发明提供了一种煤与瓦斯突出模拟相似比确定方法，包括以下步骤：基于突出事故案例，进行事故现场参数的测定和实验参数的选择；选择的实验参数包括瓦斯放散初速度Δp、坚固性系数f、材料力学参数、气压和应力；根据突出事故案例现场受突出影响的煤层体积和实验室的型煤模型体积确定几何相似比；基于能量守恒定律、煤体物理力学性能、瓦斯吸附性能、瓦斯压力、应力构建煤与瓦斯突出能量方程：瓦斯内能+弹性能＝破碎功+抛出功；根据实验参数和能量方程确定实验参数相似比；实验参数相似比包括气压相似比、材料力学参数相似比、瓦斯参数相似比和应力相似比。
进一步，受突出影响的煤层体积的确定包括以下步骤：确定影响突出煤层体积的参数；基于突出案例现场测定影响突出煤层体积的参数；根据测定的参数确定突出案例现场受影响的煤层体积。
进一步，受突出影响的煤层体积的参数包括突出孔洞形状，将突出孔洞形状抽象为椭球体。
进一步，基于突出案例现场的测定参数和数值模拟软件的分析，确定受突出影响的煤层体积Vm与突出孔洞体积Vp的关系，即Vm＝δVp；根据受突出影响的煤层体积和实验室的型煤模型体积的体积比CV确定几何相似比
煤与瓦斯突出模拟相似比确定方法，具体包括以下步骤：
S1突出案例现场参数测定
基于典型突出事故案例，对事故现场进行参数测定，包括事故现场突出煤的性质(煤体弹性模量E、孔隙率n，泊松比μ，内摩擦角
第一吸附常数a、第二吸附常数b、瓦斯放散初速度Δp、坚固性系数f等)、现场瓦斯压力p、应力σ、突出孔洞形状、突出煤层厚度、突出煤量以及涌出瓦斯量信息等；
S2相似比确定
S2.1依据突出案例现场测试参数与模型参数确定几何相似比：
首先将事故现场突出孔洞的形状近似为椭球体(体积为Vp)，再基于事故现场资料以及测定的参数，采用数值模拟软件分析受突出影响区域的煤层范围，然后根据模拟结果确定影响范围是突出孔洞的δ倍，最终根据受突出影响区域的煤层范围与实验室突出模拟煤层模型(体积为Vm)两者的体积计算体积比Cv，从而确定相似几何相似比Cl：
S2.2基于能量方程确定材料物理力学参数相似比、瓦斯参数相似比、实验瓦斯压力相似比、加载应力相似比
根据能量守恒定律，考虑煤体物理力学性能(煤体弹性模量E、孔隙率n，泊松比μ，内摩擦角
)、瓦斯吸附性能(第一吸附常数a、第二吸附常数b)、瓦斯压力p、应力σ因素的综合作用，构建煤与瓦斯突出能量方程，对方程进行无量纲化处理，确定无量纲系数为相似准数，其中现场原型的参数下标设为p，实验模拟参数下标设为m；优先考虑瓦斯内能的作用，推导得到相似比：
气压相似比
力学参数相似比
瓦斯参数相似比Ca＝Cb＝1；
应力相似比
其中，pp为现场气体压力，pm为模拟实验气体压力，Cn为孔隙率的相似比，
为内摩擦角的相似比，Cμ为泊松比的相似比，Ca为第一吸附常数的相似比，Cb为第二吸附常数的相似比，σp为现场应力，σm为模拟实验的加载应力，CE为煤体弹性模量的相似比；
通过实验室开展系列测试实验，得到煤体第一吸附常数a、第二吸附常数b与瓦斯放散初速度Δp、弹性模量E和坚固性系数f得到的对应关系为：Ca＝CbCp、Cb＝CΔp、
然后确定材料物理力学参数、瓦斯参数、实验瓦斯压力、加载应力相似比；
气压相似比Cp＝1；
材料力学参数相似比
瓦斯参数相似比CΔp＝Ca＝1；
应力相似比Cσ＝Cf 0.745；
其中，CP为气压相似比，CE为煤体弹性模量的相似比，Cf为坚固性系数相似比，Cn为孔隙率的相似比，
为内摩擦角的相似比，Cμ为泊松比的相似比，Ca为第一吸附常数的相似比，Cb为第二吸附常数的相似比，CΔp为瓦斯放散初速度的相似比；a是煤体的第一吸附常数，当瓦斯压力趋向无穷大时，煤的可燃质饱和吸附量，单位为cm3/g.r；b是煤体的第二吸附常数，单位为MPa-1。
本发明基于突出事故案例，进行事故现场参数的测定，将其作为实验主要参数；主要参数包括突出煤的性质(煤体弹性模量E、孔隙率n，泊松比μ，内摩擦角
第一吸附常数a、第二吸附常数b、瓦斯放散初速度Δp、坚固性系数f等)、现场瓦斯压力p和应力σ等；根据突出事故案例现场受突出影响的煤层体积和实验室的型煤模型体积确定几何相似比；基于煤与瓦斯突出能量方程确定实验参数的相似比，包括气压相似比、应力相似比、材料参数的吸附常数相似比、孔隙率相似比、泊松比的相似比、内摩擦角相似比、弹性模量相似比；基于实验测试的弹性模量与坚固性系数、吸附常数与瓦斯放散初速度关系，最终获得瓦斯放散初速度相似比及坚固性系数相似比。
本发明还提供了一种煤与瓦斯突出模拟的反演还原分析方法，应用上述的几何相似比和实验参数相似比进行相似设计；根据几何相似比和实验参数相似比进行相似设计；根据相似设计进行突出模拟实验；根据突出模拟实验，反演还原突出事故案例的发生过程，验证突出事故案例现场参数，分析实验参数变化规律。
进一步，相似设计包括制作配比相同的型煤模型和平行样，通过测定平行样的坚固性系数fx修正突出模拟实验条件，采用经过修正的突出模拟实验条件进行突出模拟实验。
进一步，修正的突出模拟实验条件包括加载应力。
进一步，根据实验气体压力和加载应力进行突出模拟实验，通过监测突出过程中的加载应力、实验气体压力的变化以及实验突出后的孔洞尺寸和突出煤量反演还原突出事故案例的发生过程，验证突出事故案例现场参数，分析实验参数变化规律。
煤与瓦斯突出模拟的反演还原分析方法，具体包括以下步骤：
S1基于相似比确定实验模拟参数
根据确定的相似比，进行相似设计，确定模拟实验的参数，包括相似材料性质(物理力学参数、瓦斯参数)、加载条件(瓦斯压力、加载应力)，如以下所示：
材料力学参数：nm＝np，
μm＝μp；
瓦斯参数：Δpm＝Δpp，am＝ap；
气体压力：pm＝pp；
加载应力：
其中，nm为模拟实验的孔隙率，np为现场的孔隙率，
为模拟实验的内摩擦角，
为现场的内摩擦角，μm为模拟实验的泊松比，μp为现场的泊松比，Δpm为模拟实验的瓦斯放散初速度，Δpp为案例现场的瓦斯放散初速度，am为模拟实验中的煤体的第一吸附常数，ap为现场中的煤体第一吸附常数，pm为模拟实验气体压力，PP为现场气体压力，σm为模拟实验的加载应力，σp为现场应力，Cσ为应力相似比，Cf为坚固性系数相似比，fm为模拟实验的坚固性系数，fp为现场的坚固性系数；
S2相似材料配比与模型制定
根据确定的相似材料性质(物理力学参数、瓦斯参数)，选择现场原煤、活性炭、水泥、河沙、水等作为材料，采用“分层压制、量化保压、合理养护”的成型工艺方法进行突出模拟实验型煤模型的制作；
S3平行样参数测定
在进行模拟实验型煤模型制作的同时进行直径50mm×100mm平行样的制作，并测定平行样的坚固性系数fx值；
S4相似设计修正及载荷条件确定
根据确定的相似比，对相似设计进行修正，得到修正后的实验载荷条件为：
气体压力pm＝pp，加载应力
其中，pm为模拟实验气体压力，PP为现场气体压力，σm为模拟实验的加载应力，σp为现场应力，fx为平行样的坚固性系数，fp为现场的坚固性系数；
S5模拟实验
根据确定的模拟实验气体压力pm和加载应力σm，利用现有的煤与瓦斯突出模拟实验装置进行该条件设置下的突出模拟实验，并监测突出过程应力、气压等参数的变化规律以及测定突出后孔洞尺寸、突出煤量等；
S6通过对模拟实验的结果分析反演还原现场
根据突出模拟实验结果，结合相似比进行反演还原突出事故案例的发生过程，验证突出事故案例现场参数，分析实验参数变化规律。
通过上述方法确保了模拟实验反演还原分析的准确性和科学性，为突出机理的研究和事故案例的反演还原分析提供依据。
本发明基于典型突出事故案例测定事故现场参数，确定合理的相似模拟相似比，根据相似比制定模拟实验相似设计方案，再进行相似材料配比及模型制作，测定模型平行样实际参数，修正相似设计及确定载荷条件，然后根据设定条件开展模拟实验，最终基于相似比结合现场进行实验结果反演还原分析。
本发明通过突出事故案例现场受突出影响的煤层体积和实验室的型煤模型体积确定几何相似比，基于能量分析确定实验主要参数的相似比；在此基础上，设计模拟实验方案，制作突出模型及平行样，基于平行样参数测定及相似比修正模拟实验方案，最终开展突出相似模拟实验；再现还原了整个突出过程，反应了包括现场突出煤量、孔洞尺寸的可测试、可统计的参数的真实情况；通过模拟实验，来对比验证现场，不仅验证了现场可测试、可统计的参数，而且可以根据突出过程分析参数变化规律，利于煤与瓦斯突出事故的机理研究，为预防事故和突出事故调查分析提供科学的支撑。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种煤与瓦斯突出模拟相似比确定方法，其特征在于，包括以下步骤：基于突出事故案例，进行事故现场参数的测定和实验参数的选择；选择的实验参数包括瓦斯放散初速度Δp、坚固性系数f、材料力学参数、气压和应力；根据突出事故案例现场受突出影响的煤层体积和实验室的型煤模型体积确定几何相似比；基于能量守恒定律、煤体物理力学性能、瓦斯吸附性能、瓦斯压力、应力构建煤与瓦斯突出能量方程：瓦斯内能+弹性能＝破碎功+抛出功；根据实验参数和能量方程确定实验参数相似比；实验参数相似比包括气压相似比、材料力学参数相似比、瓦斯参数相似比和应力相似比。
2.根据权利要求1所述的一种煤与瓦斯突出模拟相似比确定方法，其特征在于，受突出影响的煤层体积的确定包括以下步骤：确定影响突出煤层体积的参数；基于突出案例现场测定影响突出煤层体积的参数；根据测定的参数确定突出案例现场受影响的煤层体积。
3.根据权利要求2所述的一种煤与瓦斯突出模拟相似比确定方法，其特征在于：受突出影响的煤层体积的参数包括突出孔洞形状，将突出孔洞形状抽象为椭球体。
4.根据权利要求3所述的一种煤与瓦斯突出模拟相似比确定方法，其特征在于：基于突出案例现场的测定参数和数值模拟软件的分析，确定受突出影响的煤层体积Vm与突出孔洞体积Vp的关系，即Vm＝δVp；根据受突出影响的煤层体积和实验室的型煤模型体积的体积比CV确定几何相似比
5.根据权利要求1所述的一种煤与瓦斯突出模拟相似比确定方法，其特征在于：瓦斯参数相似比包括瓦斯放散初速度的相似比CΔp和瓦斯第一吸附常数的相似比Ca，且CΔp＝Ca＝1。
6.根据权利要求1所述的一种煤与瓦斯突出模拟相似比确定方法，其特征在于：应力相似比Cσ＝Cf 0.745，其中，Cf为坚固性系数相似比。
7.一种煤与瓦斯突出模拟的反演还原分析方法，其特征在于：应用如权利要求1～6任一所述的煤与瓦斯突出模拟相似比确定方法中的几何相似比和实验参数相似比，根据几何相似比和实验参数相似比进行相似设计；根据相似设计进行突出模拟实验；根据突出模拟实验，反演还原突出事故案例的发生过程，验证突出事故案例现场参数，分析实验参数变化规律。
8.根据权利要求7所述的一种煤与瓦斯突出模拟的反演还原分析方法，其特征在于：相似设计包括制作配比相同的型煤模型和平行样，通过测定平行样的坚固性系数fx修正突出模拟实验条件，采用经过修正的突出模拟实验条件进行突出模拟实验。
9.根据权利要求7所述的一种煤与瓦斯突出模拟的反演还原分析方法，其特征在于：根据实验气体压力和加载应力进行突出模拟实验，通过监测突出过程中的加载应力、实验气体压力的变化以及实验突出后的孔洞尺寸和突出煤量反演还原突出事故案例的发生过程，验证突出事故案例现场参数，分析实验参数变化规律。
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