CN112285277B - 一种煤与瓦斯突出煤体示踪及洞穴形体发育的测试方法 - Google Patents

一种煤与瓦斯突出煤体示踪及洞穴形体发育的测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种煤与瓦斯突出煤体示踪及洞穴形体发育的测试方法，该煤与瓦斯突出煤体示踪及洞穴形体发育的测试方法借助于三向应力受载的突出模拟实验箱，通过科学的煤体结构铺设以及传感器布设，利于实现受载煤体关键部位的位移和应力监测；另外，本发明以质量守恒定律为基础，通过突出煤体的质量和平均密度，反算出突出腔体的原始体积，并结合突出空间参数测试结果(即通过煤体示踪获得的实测洞穴近似体积)，完成突出洞穴近场新增裂隙空间体积预测。本发明通过利用彩色粉末材料与煤体的组合搭配，同时结合三向应力及气压组合，实现突出过程中突出煤体的运移规律和突出洞穴近场煤层变形规律的监测。

Description

一种煤与瓦斯突出煤体示踪及洞穴形体发育的测试方法
技术领域
本发明涉及一种煤与瓦斯突出煤体示踪及洞穴形体发育的测试方法。
背景技术
基于理论研究和实验模拟研究现状，发明人针对突出煤体量与洞穴容积关系进行了测试验证，结合工程案例和测试结果发现，煤层瓦斯动力现象多发生在构造区带附近，该区段瓦斯压力异常，地应力复合作用，尤其是水平应力作用导致能量集中。扰动引发远端结构失稳，煤岩向掘进面方向整体推移，导致煤层裂隙发育，使得突出形成巨大的洞穴体积，受气固耦合作用煤体变形膨胀，围岩位移，导致生成洞穴萎缩，达到煤体结构重新稳定，最终形成腔体和近场新裂隙。如图1所示，设定最终形成的腔体体积Vc，近场新裂隙体积为Vi，突出煤体的质量为M，煤体的平均密度为ρ，则洞穴总体体积V0满足：V0＝M/ρ＝Vi+Vc。然而，由于受到模拟介质和空间结构的限制，突出过程中突出煤体运移规律以及洞穴近场的煤岩变形规律并没有直观的测试手段，因而，无法清晰展现三向应力组合或任意一向应力改变对突出煤体的体积及洞穴形体的影响。目前，学者们关心水平应力对突出能量的控制，尚未见到以突出煤体或围岩(煤体)位移(变形)示踪的方法，研究突出过程中洞穴发育规律的测试技术。
发明内容
本发明的目的在于提出一种煤与瓦斯突出煤体示踪及洞穴形体发育的测试方法，该方法利用煤体+彩粉示踪的方法，以实现对突出过程中洞穴形体发育的测试。
本发明为了实现上述目的采用如下技术方案：
一种煤与瓦斯突出煤体示踪及洞穴形体发育的测试方法，包括如下步骤：
I.设计煤样铺设方案，根据煤样铺设方案在突出模拟实验箱内完成煤体的装样铺设；
其中，突出模拟实验箱为长方形，在突出模拟实验箱的前侧壁的中部设有突出窗口；
煤体有多层，且各层煤体在突出模拟实验箱内平行铺设；
各层煤体中均掺杂有灰粉，且每层煤体中掺杂的灰粉由两种主色的灰粉组成，每一种主色的灰粉的颜色浓度沿着相应方向呈递进或递减趋势；
经过灰粉掺杂后，每层煤体均会形成下述形状的灰粉掺杂区：
以煤体的前侧边沿中部分别向该煤体边沿的左、右边沿画一条斜线，由这两条斜线将每层煤体划分成两个对称的三角形灰粉掺杂区和一个具有锥形边角的灰粉掺杂区；
定义两种主色的灰粉分别为第一主色的灰粉和第二主色的灰粉，第一主色的灰粉掺杂在两个三角形灰粉掺杂区内，第二主色的灰粉掺杂在具有锥形边角的灰粉掺杂区内；
其中一个三角形灰粉掺杂区位于突出窗口在第一方向的正侧，另一个三角形灰粉掺杂区位于突出窗口在第一方向的负侧；其中：
位于第一方向的正侧的三角形灰粉掺杂区内，第一主色的灰粉的颜色浓度由突出窗口沿着第一方向的正侧呈现递进或递减分段式渐变状态；
位于第二方向的负侧的三角形灰粉掺杂区内，第一主色的灰粉的颜色浓度由突出窗口沿着第一方向的负侧也呈现递进或递减分段式渐变状态；
在具有锥形边角的灰粉掺杂区内，第二主色的灰粉的颜色浓度由突出窗口开始沿着第二方向呈现递进或递减分段式渐变状态；
其中，第一方向为突出模拟实验箱的左右方向，第二方向为突出模拟实验箱的前后方向；
II.进行突出模拟实验箱的气密性检查；
III.向突出模拟实验箱进行三向应力的同步加载，直到达到预定的应力状态；
IV.诱发煤与瓦斯突出；
V.根据突出煤体所掺杂灰粉的主色的颜色以及相应主色的颜色浓度，对比步骤I煤样铺设方案中的记录参数，得到突出洞穴的三向纵深，进而获得实测洞穴近似体积；
通过称量获得的突出煤体的质量以及突出煤体的平均密度反算出突出腔体的原始体积，将突出腔体的原始体积与实测洞穴近似体积比较，得到近场隐蔽的新增裂隙空间大小。
优选地，各层煤体在突出模拟实验箱内均为水平铺设或沿相同倾角方向进行铺设。
优选地，由基准平面向上的所有层煤体中，任意两层煤体中掺杂的灰粉的主色均不相同。
优选地，以过突出窗口圆心的水平面作为基准平面，则由该基准平面依次向上铺设的各层煤体与由该基准平面依次向下铺设的各层煤体两两呈对称布置。
优选地，两个三角形灰粉掺杂区内第一主色的颜色浓度的渐变趋势相互对称。
优选地，步骤I中，在煤样铺设方案中，建立每层煤体上每一主色的不同颜色浓度段与该主色的各个颜色浓度段所在的突出模拟实验箱内空间位置的对应表，作为记录参数。
优选地，步骤I中，在煤体铺设过程中，同时在相邻煤体之间布置有位移和应力传感器。
优选地，基于突出煤体所掺杂的灰粉的主色以及相应主色的颜色浓度，利用查表的方式获得突出洞穴的三向纵深，从而得到实测洞穴近似体积。
本发明具有如下优点：
(1)本发明利用彩色粉末与煤体的组合搭配，结合三向应力及气压组合，利于实现突出过程中突出煤体的运移规律和突出洞穴近场煤层变形规律监测。(2)本发明方法通过突出煤体质量和平均密度，计算突出腔体的原始体积，同时结合突出空间参数测试结果(即通过煤体示踪获得的实测洞穴近似体积)，完成突出洞穴近场新增裂隙空间体积大小的预测。
附图说明
图1为突出煤体与突出洞穴关系示意图。
图2为本发明实施例中突出模拟实验箱的结构示意图。
图3为本发明实施例中煤体在突出模拟实验箱内的某一侧内剖视图。
图4为本发明实施例中煤体在突出模拟实验箱内的另一侧内剖视图。
图5为各层煤体掺杂灰粉后的掺杂区域示意图。
图6为本发明实施例中煤与瓦斯突出煤体示踪及洞穴形体发育的测试方法流程图。
其中，1-上压板，2-箱体，3-底板，4-垂向压头，5-侧向压头，6-突出窗口，7-位移传感器。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
实施例
本实施例述及了一种煤与瓦斯突出煤体示踪及洞穴形体发育的测试方法。
如图6所示，该煤与瓦斯突出煤体示踪及洞穴形体发育的测试方法，包括如下步骤：
I.设计煤样铺设方案，根据煤样铺设方案在突出模拟实验箱内完成煤体装样铺设。
如图2所示，突出模拟实验箱为长方形。该实验箱包括上压板1、箱体2以及底板3等。其中，上压板1安装于箱体2的上部开口处，底板3安装于箱体2的底部。
在上压板1上设有垂向压头4，在箱体2的侧部上设有侧向压头5。
在箱体2的一个侧壁中部设有突出窗口6，定义该突出窗口所在侧壁为前侧壁。
突出模拟实验箱底部还设有气体管路(未示出)。
通过以上设计，使得实验箱满足三向应力加载以及气体导入导出的基本功能。
在突出模拟实验箱内，煤体按层铺设，即各层煤体在突出模拟实验箱内均为平行铺设。
例如，各层煤体均可以采用水平铺设，也可以沿着相同倾角方向进行铺设。
如图3和图4分别为突出模拟实验箱内煤体装样铺设完成后的侧视图以及前视图。其中，在图4中，虚线表示的圆圈即为突出窗口所在的高度位置。
为了实现煤与瓦斯突出过程中煤体的示踪，本实施例在各层煤体中均掺杂有彩色的灰粉，且每层煤体中掺杂的灰粉只由两种主色的灰粉组成。
例如，某一层煤体中掺杂的灰粉由黄色和绿色组成，则黄色和绿色作为两种主色。
其中，每一种主色的灰粉的颜色浓度沿着相应方向呈递进或递减趋势，在下面具体论述。
经过以上两种主色的灰粉掺杂后，每层煤体均会形成下述形状的灰粉掺杂区：
如图5所示，以煤体的前侧边沿中部分别向该煤体边沿的左、右边沿画一条斜线L(两条斜线均为虚拟斜线，只是为了说明各个灰粉掺杂区)。
两条斜线L与前侧边沿之间的夹角相等，由这两条斜线L将每层煤体划分成两个对称的三角形灰粉掺杂区A、B和一个具有锥形边角的灰粉掺杂区C。
定义两种主色的灰粉分别为第一主色的灰粉和第二主色的灰粉。
则第一主色的灰粉分别掺杂在两个三角形灰粉掺杂区内。一个三角形灰粉掺杂区A位于突出窗口6沿第一方向的正侧，另一个三角形灰粉掺杂区B位于其第一方向的负侧。
以三角形灰粉掺杂区A为例，且由突出窗口6开始沿着第一方向的正侧，第一主色的灰粉在三角形灰粉掺杂区A由深向浅呈现分段式渐变状态。
同理，在三角形灰粉掺杂区B内，由突出窗口6开始沿着第一方向的负侧，第一主色的灰粉在三角形灰粉掺杂区B由深向浅呈现分段式渐变状态。
当然，以上由深向浅的分段式渐变趋势还可以是由浅向深的分段式渐变趋势。
以上两个三角形灰粉掺杂区内第一主色的颜色浓度的分段数量是相同的，且两个三角形灰粉掺杂区内第一主色的颜色浓度的渐变趋势相互对称。
其中，分段后的每个颜色浓度段内同一主色的颜色浓度是相同的。
在本实施例中第一方向，即突出模拟实验箱的左右方向，第一方向的正侧是指由突出窗口6开始向右侧伸展的方向，第一方向的负侧则是由突出窗口6向左侧伸展的方向。
第二主色的灰粉掺杂在具有锥形边角的灰粉掺杂区内，且由突出窗口开始沿着第二方向，第二主色的灰粉在具有锥形边角的灰粉掺杂区由深向浅呈现分段式渐变状态。
此处的第二方向，即为突出模拟实验箱的前后方向(即沿着由前向后的方向)。
需要说明的是，以过突出窗口6圆心的水平面作为基准平面，则由该基准平面依次向上铺设的各层煤体与由该基准平面依次向下铺设的各层煤体两两呈对称布置。
例如：紧邻着该基准平面上方的一层煤体A1与紧邻着该基准平面下方的一层煤体B1对称，两层对称的煤体上，其掺杂的灰粉的主色的组合以及掺杂方式完全相同。
同理，该基本平面上方的第二层煤体A2与该基准平面下方的第二层煤体B2为对称布置，且这两层煤体上掺杂的灰粉的主色的组合以及掺杂方式也完全相同，依次类推。
由于基准平面上方和下方的各层煤体分别为对称设置，以由基准平面向上的所有层煤体为例，基准平面以上的任意两层煤体中掺杂的灰粉的主色均不相同。
设置各层煤体掺杂的灰粉主色不同的目的在于，利于实现煤体的示踪。
将以上各层煤体铺设好之后，由于各层煤体上分别通过不同的主色的颜色浓度进行标记，且向着不同的方向呈现出渐变的状态，因此每个颜色浓度段即对应实验箱内的相应空间位置。
在煤样铺设方案中，建立每层煤体上每一主色的不同颜色浓度段与该主色的各个颜色浓度段所在的突出模拟实验箱内空间位置的对应表，作为记录参数。
以上记录参数的作用在于，便于后续根据主色及其颜色浓度通过查表找到对应的位置。
在煤体铺设过程中，同时在相邻煤体之间布置有应力传感器和位移传感器7，如图3所示，通过应力传感器和位移传感器，利于实现对受载煤体关键部位的位移和应力监测。
II.在煤体以及传感器铺设完成后，进行突出模拟实验箱的气密性检查，通过煤体吸附气体饱压实验(一般不低于2小时)，压降满足实验要求，气密性合格。
III.根据实验设计要求，开展三向应力的同步加载。
满足加载速率稳定，按时达到预定的应力状态，并保持应力实时稳定，直至三向应力都完成加载，继而开展综合应力测评，完成煤体受力分析。
IV.诱发煤与瓦斯突出。
根据实验需要，本实施例可以采用机械式、启动式、动载或模拟爆破等发放诱发动力现象。动力现象及相关指标满足突出实验的预期要求。
V.观测记录。
在煤与瓦斯突出完成后，根据突出煤体的颜色标记，得到突出洞穴的三向纵深，此处的三向纵深是指沿前后方向、上下方向以及左右方向上的纵深。
根据突出煤体所掺杂的灰粉的主色及相应主色的颜色浓度，结合煤样铺设方案，利用查表(即步骤I中的对应表)的方式，很容易获得突出洞穴三向纵深。
具体的，上下方向上的纵深，例如通过突出煤体的主色进行判断，而前后方向和左右方向上的纵深，则可以通过查看突出煤体的特定主色的颜色浓度对应的位置进行判断。
基于查表方式获得洞穴内三个方向上的纵深后，能够进一步得到实测洞穴的体积Vc。
本实施例利用煤体示踪法获得洞穴体积的优势在于根据气压和三向应力等4个参数的组合，研究洞穴形体中三个轴向的变化规律，用以揭示突出过程中应力和气压的贡献。
通过突出煤体的质量(通过称量的方式获得)和平均密度(已知)计算出突出腔体的原始体积V0，通过比较实测洞穴体积Vc，获得近场隐蔽的新增裂隙空间体积Vi的大小。
本实施例以彩色粉末作为煤体示踪剂，能够得到特定应力状态下突出腔体的形体，能够实现突出煤体质量的测量，利于实现特定气压下X、Y、Z方向应力组合关系的研究。
当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (8)

1.一种煤与瓦斯突出煤体示踪及洞穴形体发育的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
I.设计煤样铺设方案，根据煤样铺设方案在突出模拟实验箱内完成煤体的装样铺设；
其中，突出模拟实验箱为长方形，在突出模拟实验箱的前侧壁的中部设有突出窗口；
煤体有多层，且各层煤体在突出模拟实验箱内平行铺设；
各层煤体中均掺杂有灰粉，且每层煤体中掺杂的灰粉由两种主色的灰粉组成，每一种主色的灰粉的颜色浓度均沿着相应方向呈递进或递减趋势；
经过灰粉掺杂后，每层煤体均会形成下述形状的灰粉掺杂区：
以煤体的前侧边沿中部分别向该煤体边沿的左、右边沿画一条斜线，由这两条斜线将每层煤体划分成两个对称的三角形灰粉掺杂区和一个具有锥形边角的灰粉掺杂区；
定义两种主色的灰粉分别为第一主色的灰粉和第二主色的灰粉，第一主色的灰粉掺杂在两个三角形灰粉掺杂区内，第二主色的灰粉掺杂在具有锥形边角的灰粉掺杂区内；
其中一个三角形灰粉掺杂区位于突出窗口在第一方向的正侧，另一个三角形灰粉掺杂区位于突出窗口在第一方向的负侧；
位于第一方向的正侧的三角形灰粉掺杂区内，第一主色的灰粉的颜色浓度由突出窗口沿着第一方向的正侧呈现递进或递减分段式渐变状态；
位于第二方向的负侧的三角形灰粉掺杂区内，第一主色的灰粉的颜色浓度由突出窗口沿着第一方向的负侧呈现递进或递减分段式渐变状态；
在具有锥形边角的灰粉掺杂区内，第二主色的灰粉的颜色浓度由突出窗口开始沿着第二方向呈现递进或递减分段式渐变状态；
其中，第一方向为突出模拟实验箱的左右方向，第二方向为突出模拟实验箱的前后方向；
II.进行突出模拟实验箱的气密性检查；
III.向突出模拟实验箱进行三向应力的同步加载，直到达到预定的应力状态；
IV.诱发煤与瓦斯突出；
V.根据突出煤体所掺杂灰粉的主色的颜色以及相应主色的颜色浓度，对比步骤I煤样铺设方案中的记录参数，得到突出洞穴的三向纵深，进而获得实测洞穴近似体积；
通过称量获得的突出煤体的质量以及突出煤体的平均密度反算出突出腔体的原始体积，将突出腔体的原始体积与实测洞穴近似体积比较，得到近场隐蔽的新增裂隙空间大小。
2.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，
各层所述煤体在所述突出模拟实验箱内均为水平铺设或沿相同倾角方向进行铺设。
3.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，
由基准平面向上的所有层煤体中，任意两层煤体中掺杂的灰粉的主色均不相同。
4.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，
以过所述突出窗口圆心的水平面作为基准平面，则由该基准平面依次向上铺设的各层煤体与由该基准平面依次向下铺设的各层煤体两两呈对称布置。
5.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，
两个三角形灰粉掺杂区内第一主色的颜色浓度的渐变趋势相互对称。
6.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，
所述步骤I中，在煤样铺设方案中，建立每层煤体上每一主色的不同颜色浓度段与该主色的各个颜色浓度段所在的突出模拟实验箱内空间位置的对应表，作为记录参数。
7.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，
所述步骤I中，在煤体铺设过程中，同时在相邻煤体之间布置有位移和应力传感器。
8.根据权利要求6所述的测试方法，其特征在于，
所述步骤IV中，基于突出煤体所掺杂的灰粉的主色以及相应主色的颜色浓度，利用查表方式获得突出洞穴的三向纵深，进而获得实测洞穴近似体积。
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