CN116106091A - 深部含瓦斯煤体失稳灾变时的顶板弹性能贡献率估算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种深部含瓦斯煤体失稳灾变时的顶板弹性能贡献率估算方法，具体步骤为：获取煤层瓦斯压力；根据钻孔柱状图获取煤层及顶板厚度；现场取芯，将煤岩样加工并预处理，通过室内力学试验分别获取顶板、含瓦斯煤及含瓦斯煤岩组合标准件的弹性模量；借助应力应变曲线用图形面积推导顶板弹性能的贡献量，并基于顶板及含瓦斯煤的弹性模量、厚度获得顶板弹性能贡献率的量化表达式。本发明充分考虑了煤岩瓦斯动力灾害中顶板弹性能的作用，给出了计算方法及具体的量化计算式，可对顶板弹性能在灾变中的作用有更加清晰的认识，为矿井煤岩瓦斯动力灾害的精准防控提供有益参考。
Description
技术领域
本发明属于煤矿安全技术领域，涉及深井煤岩瓦斯复合动力灾害理论计算方法，特别涉及一种深部含瓦斯煤体失稳灾变时的顶板弹性能贡献率估算方法。
背景技术
煤炭在我国能源结构中占有重要地位。尽管采取了相应的系列防控措施，但涉及煤岩瓦斯的矿井动力灾害仍有发生，归根结底是对煤岩瓦斯灾变的机理认识尚不够清晰完善。
目前针对矿井动力灾害(煤与瓦斯突出、冲击地压)的研究通常集中于煤体本身以及瓦斯的作用，相关研究一方面仅基于煤层应力与瓦斯情况开展分析直接将顶板的弹性能忽略，另一方面仅给出了粗略估计，但实际上鲜有针对顶板弹性能的具体量化研究，尤其是在深部开采条件下，深部开采面临高地应力、高温、高瓦斯等问题使得煤与瓦斯突出危险性增加，煤岩冲击性增强，进一步导致一些高瓦斯矿井、煤与瓦斯突出矿井发生复合型煤岩动力灾害的概率显著增大，此类灾害既表现出煤与瓦斯突出的部分特征，又有冲击地压的部分特征，两种动力灾害互为共存、互相影响、相互复合。同时，深部复合煤岩动力灾害是受“高应力(地应力)+动力扰动(开采卸压)”双重作用的复杂力学过程，灾害发生过程中多种因素的相互交织，导致在事故孕育、发生、发展过程中可能互为诱因，互为强化，或产生“共振”效应，进而使得复合动力灾害的发生机理更为复杂，而厘清顶板弹性能在灾变过程中具体参与作用显得更为重要。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种深部含瓦斯煤体失稳灾变时的顶板弹性能贡献率估算方法，基于本方法可获取顶板的能量贡献率，计算方法简便、易操作。
深部含瓦斯煤体失稳灾变时的顶板弹性能贡献率估算方法，其特征是，包括以下步骤：
第一步，分别获取含瓦斯煤层瓦斯压力p、厚度hC及顶板厚度hR；
第二步，对含瓦斯煤层及顶板分别进行取芯，加工成圆柱形或矩形标准试件，通过力学试验获得顶板弹性模量ER及瓦斯压力p影响下的煤层弹性模量EC；力学测试方法为：在制备好的标准煤样试件底面中心开设钻孔，其中钻孔设定深度为3-5mm，直径为1-2mm；将倒T形注气套件嵌入煤样试件底部开设的钻孔中并封孔，同时将煤样试件底部与注气套件的接触面密封，之后装入耐高压密封腔体，抽真空，充入压力为p的瓦斯并吸附平衡，利用刚性试验机在设定加载速率下加载直至煤样试件破坏，同步记录煤样试件的应力和应变，应力除以应变得到煤层弹性模量。
第三步，煤岩组合体标准试件的制备及预处理；具体操作为：具体为：按照煤岩高度比加工纯煤、纯岩试件并将试件表面打磨；在每个煤体试件底面中心开设钻孔，其中钻孔设定深度为3-5mm，直径为1-2mm，将倒T形注气套件嵌入煤样试件底部开设的钻孔中并封孔，同时将煤样试件底部与注气套件的接触面密封；在每个岩石试件底面粘贴超薄透明聚乙烯薄膜，同时在每个岩石试件侧面中部等间距粘贴三组应变片；将粘贴有超薄透明聚乙烯薄膜的岩石底面与煤体试件上端面用强力胶粘接为一个整体；将制备好的煤岩组合体标准试件侧面及上端面均匀涂抹705#硅胶并干燥备用。
第四步，对制备好的煤岩组合体标准试件在瓦斯压力p下进行力学测试，具体测试方法为：将第三步制备好的试件装入耐高压密封腔体，抽真空，充入压力为p的瓦斯并吸附平衡，利用刚性试验机在设定加载速率下加载直至试件破坏，同步记录组合体标准试件整体的应力应变及组合体标准试件中岩石的应变；分别获取组合体标准试件的弹性模量Ez、岩石的第一应力-应变曲线及组合体标准试件的第二应力-应变曲线；其中，hR与hC、ER与EC及Ez与ER满足关系式(I)：
式(I)中，m＞0且n＞0，λ为修正系数且0＜λ≤1；
第五步，将第一应力-应变曲线、第二应力-应变曲线绘制于同一坐标系下分析并估算顶板弹性能贡献率β，具体估算方法为：
第5.1分步，计算煤岩组合体释放的弹性能；
在组合体标准试件的第二应力-应变曲线中，以组合体峰值对应点为组合体弹性能释放起始点，以组合体残余强度对应点为组合体弹性能释放结束点，过起始点作平行于组合体弹性模量的直线I，过起始点作垂直于横轴的直线II，过结束点作平行于横轴的直线III并与第一应力-应变曲线相交，直线I、直线II及直线III围成的面积为组合体释放的弹性能；
第5.2分步，计算顶板释放的弹性能；
过组合体峰值对应点作平行于横轴直线与岩石的第一应力-应变曲线相交，交点为顶板弹性能释放起始点，过组合体残余强度对应点作平行于横轴直线与岩石的第一应力-应变曲线相交，交点为顶板弹性能释放结束点，过顶板弹性能释放起始点作平行于顶板弹性模量的直线 IV，过顶板弹性能释放起始点作垂直于横轴的直线V，直线III、直线IV及直线V围成的面积为顶板释放的弹性能；
第5.3分步，估算顶板弹性能贡献率；
顶板释放的弹性能与组合体释放的弹性能之比为顶板弹性能贡献率β；
第六步，顶板弹性能贡献率定量表达：根据第五步的估算方法并结合式(I)，获得顶板弹性能贡献率β的表达式：
式(II)为通过估算获得的深部含瓦斯煤体失稳灾变时的顶板弹性能贡献率。
本发明具有如下有益效果：
1)本发明根据现场实际情况提出了一种深部含瓦斯煤体失稳灾变时的顶板弹性能贡献率估算方法，是对煤岩瓦斯动力灾害在能量方面的有益补充，同时在理论方面也为进一步弄清动力灾害孕灾致灾机理提供数据支撑；
2)本发明通过测算顶板岩石、含瓦斯煤及煤岩组合体的相关力学指标即可分别获取顶板的能量贡献率，计算方法简便、易操作；
3)本发明针对煤岩瓦斯动力灾害充分考虑了顶板弹性能的影响，具有重要的理论意义和工程实际价值，而且对于深部开采诱发的冲击地压-煤与瓦斯突出等矿井复合动力灾害的预测预防具有积极意义。
附图说明
图1是本发明深部含瓦斯煤体失稳灾变时的顶板弹性能贡献率估算方法的流程图。
图2是本发明煤岩两体模型示意图；
图3是本发明顶板弹性能贡献率估算模型整体示意图；
图4是本发明顶板及煤岩组合体弹性能计算示意图；
其中，1.第一应力-应变曲线，2.第二应力-应变曲线，3.直线I，4.直线II，5.直线III， 6.直线IV，7.直线V。
具体实施方式
为充分体现本发明的特征与优点，下面将结合附图及具体实施例予以详细叙述。
如图1及图2所示，深部含瓦斯煤体失稳灾变时的顶板弹性能贡献率估算方法，其特征是，包括以下步骤：
第一步S1，分别获取含瓦斯煤层瓦斯压力p、厚度hC及顶板厚度hR；
第二步S2，对含瓦斯煤层及顶板分别进行取芯，加工成圆柱形或矩形标准试件，通过力学试验获得顶板弹性模量ER及瓦斯压力p影响下的煤层弹性模量EC；其中力学试验具体测试方法为：在制备好的标准煤样试件底面中心开设钻孔，其中钻孔设定深度为3-5mm，直径为1-2mm；将倒T形注气套件嵌入煤样试件底部开设的钻孔中并封孔，同时将煤样试件底部与注气套件的接触面密封，之后装入耐高压密封腔体，抽真空，充入压力为p的瓦斯并吸附平衡，利用刚性试验机在设定加载速率下加载直至煤样试件破坏，同步记录煤样试件的应力应变。
第三步S3，煤岩组合体标准试件的制备及预处理；具体操作为：按照煤岩高度比加工纯煤、纯岩试件并将试件表面打磨；在每个煤体试件底面中心开设钻孔，其中钻孔设定深度为 3-5mm，直径为1-2mm，将倒T形注气套件嵌入煤样试件底部开设的钻孔中并封孔，同时将煤样试件底部与注气套件的接触面密封；在每个岩石试件底面粘贴超薄透明聚乙烯薄膜，同时在每个岩石试件侧面中部等间距粘贴三组应变片；将粘贴有超薄透明聚乙烯薄膜的岩石底面与煤体试件上端面用强力胶粘接为一个整体；将制备好的煤岩组合体标准试件侧面及上端面均匀涂抹705#硅胶并干燥备用。
第四步S4，对制备好的煤岩组合体标准试件在瓦斯压力p下进行力学测试，具体测试方法为：将第三步制备好的试件装入耐高压密封腔体，抽真空，充入压力为p的瓦斯并吸附平衡，利用刚性试验机在设定加载速率下加载直至试件破坏，同步记录组合体标准试件整体的应力应变及组合体标准试件中岩石的应变。通过力学测试分别获取组合体标准试件的弹性模量Ez、岩石的第一应力-应变曲线1及组合体标准试件的第二应力-应变曲线2；其中，hR与hC、 ER与EC及Ez与ER满足关系式(I)：
式(I)中，m＞0且n＞0，λ为修正系数且0＜λ≤1；
第五步S5，将第一应力-应变曲线1、第二应力-应变曲线2绘制于同一坐标系下分析并估算顶板弹性能贡献率β，具体估算方法为：
第5.1分步，计算煤岩组合体释放的弹性能；
如图4所示，在组合体标准试件的第二应力-应变曲线2中，以组合体峰值对应点为组合体弹性能释放起始点，以组合体残余强度对应点为组合体弹性能释放结束点，过起始点作平行于组合体弹性模量的直线I 3，过起始点作垂直于横轴的直线II 4，过结束点作平行于横轴的直线III 5并与第一应力-应变曲线1相交，直线I 3、直线II 4及直线III 5围成的面积为组合体释放的弹性能；
第5.2分步，计算顶板释放的弹性能；
过组合体峰值对应点作平行于横轴直线与岩石的第一应力-应变曲线1相交，交点为顶板弹性能释放起始点，过组合体残余强度对应点作平行于横轴直线与岩石的第一应力-应变曲线 1相交，交点为顶板弹性能释放结束点，过顶板弹性能释放起始点作平行于顶板弹性模量的直线IV，过顶板弹性能释放起始点作垂直于横轴的直线V 7，直线III 5、直线IV 6及直线V 7围成的面积为顶板释放的弹性能；
第5.3分步，估算顶板弹性能贡献率；
顶板释放的弹性能与组合体释放的弹性能之比为顶板弹性能贡献率β；
详细推导过程如下：假设同时满足条件①设定瓦斯压力p影响下的组合体标准试件破坏失稳时仅发生煤体部分的破坏，岩石部分相对保持完整且表面无明显裂纹；从能量耗散角度分析，岩石耗散能仅为峰前自身耗散，其余全部为积聚的弹性应变能，即岩石在组合体峰前处于弹性储能阶段；②基于第一应力-应变曲线1及第二应力-应变曲线2分析，峰值处煤、岩能量积聚达到极限，峰值与峰后某点为试件稳态破坏至非稳态破坏的转折点，此点之后，岩石弹性能开始作用于煤体，加速煤的破坏，弹性能真正发挥作用；将峰后能量作用点 p、q分别上移至峰值处m、n(点p与点m重合，点q与点n重合)，得到图4所示附图，即认为岩石积聚的弹性能在组合体峰值处便开始作用于煤体，也即顶板弹性能释放速率伊始便大于煤体内部裂纹扩展速率，自峰值处开始下部煤体便失去顶板的约束，顶板弹性能释放且立刻作用于煤体，加速煤体的破坏；
建立如图3所示顶板弹性能贡献率估算模型，其中，组合体标准试件峰值应力为σm，峰值应变为ε8，组合体标准试件残余强度及残余应变分别为σr、εr；组合体标准试件达到峰值时对应岩石部分的应变为ε5，峰后组合体标准试件中岩石部分的残余应变为ε3，峰后强度σp为岩石弹性能真正作用于煤体的起始点，此时组合体标准试件及岩石对应的应变分别为ε9、ε4，过m点作平行于岩石弹性模量的直线(卸载线-ma经过p点)与残余应力σr的交点为a， a点对应应变为ε3，与坐标轴交点ε0代表岩石加载过程中自身耗散应变，过n点作平行于组合体标准试件弹性模量的直线(卸载线-nd)与残余应力的交点为d，d点对应应变为ε6，与坐标轴交点ε1代表组合体标准试件加载过程中的自身耗散应变，过q点作平行于组合体标准试件弹性模量的直线(卸载线-qe)与残余应力的交点为e，e点对应应变为ε7，与坐标轴交点ε2代表组合体标准试件失稳前的总耗散应变，分别过p、m、n、q作垂直于坐标轴直线，与残余应力交点分别为b、c、f、g，点h对应组合体标准试件残余应力-残余应变点；根据前述分析可知，组合体标准试件中岩石积聚的弹性能全部作用于煤体时，此时为最危险情况即满足Δpab与Δmac重合，顶点位于m，即s1与s3重合，假设s1＝s3＝sR，同理可得，Δqeg 与Δndf重合，顶点位于n，即s2与s4重合，同样假设s2＝s4＝sC；显然，此时计算得到的顶板弹性能数值无论是积聚的总量还是真正作用于煤体加速其破坏的量均是最大值，利用此值即可估算顶板弹性能贡献率；
第六步S6，根据第五步的估算方法并结合式(I)，获得顶板弹性能贡献率β的定量表达式：组合体破坏时，能量部分来自煤体自身积聚的可释放弹性应变能，另一部分来自岩石积聚的可释放弹性应变能中的起破坏作用的部分，显然，该部分越多，对煤体加剧破坏的作用越明显，煤体的破坏越剧烈；因此，利用顶板弹性能贡献率β来表征岩石弹性能的作用，其中定义β满足下式：
式(3)中SR为标准纯岩试件积聚的弹性能，将式(4)、式(5)代入式(3)得：
同理可得：
将式(6)、式(7)代入式(2)可得：
将式(I)代入式(8)可得：
式(II)为利用本估算方法获得的深部含瓦斯煤体失稳灾变时的顶板弹性能贡献率表达式。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (4)
1.深部含瓦斯煤体失稳灾变时的顶板弹性能贡献率估算方法，其特征是，包括以下步骤：
第一步，分别获取含瓦斯煤层瓦斯压力p、厚度hC及顶板厚度hR；
第二步，对含瓦斯煤层及顶板分别进行取芯，加工成圆柱形或矩形标准试件，通过力学试验获得顶板弹性模量ER及瓦斯压力p影响下的煤层弹性模量EC；
第三步，煤岩组合体标准试件的制备及预处理；
第四步，对制备好的煤岩组合体标准试件在瓦斯压力p下进行力学测试，分别获取组合体标准试件的弹性模量Ez、岩石的第一应力-应变曲线及组合体标准试件的第二应力-应变曲线；其中，hR与hC、ER与EC及Ez与ER满足关系式(I)：
式(I)中，m＞0且n＞0，λ为修正系数且0＜λ≤1；
第五步，将第一应力-应变曲线、第二应力-应变曲线绘制于同一坐标系下分析并估算顶板弹性能贡献率β，具体估算方法为：
第5.1分步，计算煤岩组合体释放的弹性能；
在组合体标准试件的第二应力-应变曲线中，以组合体峰值对应点为组合体弹性能释放起始点，以组合体残余强度对应点为组合体弹性能释放结束点，过起始点作平行于组合体弹性模量的直线I，过起始点作垂直于横轴的直线II，过结束点作平行于横轴的直线III并与第一应力-应变曲线相交，直线I、直线II及直线III围成的面积为组合体释放的弹性能；
第5.2分步，计算顶板释放的弹性能；
过组合体峰值对应点作平行于横轴直线与岩石的第一应力-应变曲线相交，交点为顶板弹性能释放起始点，过组合体残余强度对应点作平行于横轴直线与岩石的第一应力-应变曲线相交，交点为顶板弹性能释放结束点，过顶板弹性能释放起始点作平行于顶板弹性模量的直线IV，过顶板弹性能释放起始点作垂直于横轴的直线V，直线III、直线IV及直线V围成的面积为顶板释放的弹性能；
第5.3分步，估算顶板弹性能贡献率；
顶板释放的弹性能与组合体释放的弹性能之比为顶板弹性能贡献率β；
第六步，根据第五步的估算方法并结合式(I)，获得顶板弹性能贡献率β的定量表达式：
式(II)为通过估算获得的深部含瓦斯煤体失稳灾变时的顶板弹性能贡献率。
2.根据权利要求1所述深部含瓦斯煤体失稳灾变时的顶板弹性能贡献率估算方法，其特征是，所述第二步通过力学试验获得瓦斯压力p影响下的煤层弹性模量EC，具体测试方法为：在制备好的标准煤样试件底面中心开设钻孔，其中钻孔设定深度为3-5mm，直径为1-2mm；将倒T形注气套件嵌入煤样试件底部开设的钻孔中并封孔，同时将煤样试件底部与注气套件的接触面密封，之后装入耐高压密封腔体，抽真空，充入压力为p的瓦斯并吸附平衡，利用刚性试验机在设定加载速率下加载直至煤样试件破坏，同步记录煤样试件的应力和应变，应力除以应变得到煤层弹性模量。
3.根据权利要求1所述深部含瓦斯煤体失稳灾变时的顶板弹性能贡献率估算方法，其特征是，所述第三步煤岩组合体标准试件的制备及预处理，具体为：按照煤岩高度比加工纯煤、纯岩试件并将试件表面打磨；在每个煤体试件底面中心开设钻孔，其中钻孔设定深度为3-5mm，直径为1-2mm，将倒T形注气套件嵌入煤样试件底部开设的钻孔中并封孔，同时将煤样试件底部与注气套件的接触面密封；在每个岩石试件底面粘贴超薄透明聚乙烯薄膜，同时在每个岩石试件侧面中部等间距粘贴三组应变片；将粘贴有超薄透明聚乙烯薄膜的岩石底面与煤体试件上端面用强力胶粘接为一个整体；将制备好的煤岩组合体标准试件侧面及上端面均匀涂抹705#硅胶并干燥备用。
4.根据权利要求1-3任意一项所述深部含瓦斯煤体失稳灾变时的顶板弹性能贡献率估算方法，其特征是，所述第四步对制备好的煤岩组合体标准试件在瓦斯压力p下进行力学测试，具体测试方法为：将经过所述第三步处理后的试件装入耐高压密封腔体，抽真空，充入压力为p的瓦斯并吸附平衡，利用刚性试验机在设定加载速率下加载直至试件破坏，同步记录组合体标准试件整体的应力应变及组合体标准试件中岩石的应变。
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