一种煤与瓦斯动力灾害的新型判别方法

摘要

本发明公开一种煤与瓦斯动力灾害的新型判别方法，涉及煤矿动力灾害防控技术领域。包括步骤1、获得含瓦斯煤岩体应力‑应变‑瓦斯压力曲线；步骤2、分析含瓦斯煤岩体应力‑应变‑瓦斯压力曲线，计算含瓦斯煤气固耦合扩容阶段储存和耗散的能量；步骤3、提出含瓦斯煤岩体气固耦合扩容致灾能量判定指标。针对受高采动应力影响，含瓦斯煤气固耦合扩容致灾进行综合预测评判，采用三轴加载试验获得应力‑应变‑瓦斯压力曲线、分析计算含瓦斯煤扩容阶段能量、根据能量守恒定律，建立煤与瓦斯动力灾害的能量判别模型，以及进一步对判别模型进行可靠性验证，最终确定煤与瓦斯动力灾害的判据；能准确预测煤与瓦斯动力灾害是否发生，具有广泛的实用性。

说明书

技术领域

本发明涉及煤矿动力灾害防控技术领域，具体涉及一种煤与瓦斯动力灾害的新型判别方法。

背景技术

受采动作用，工作面瓦斯煤层发生扩容力学行为。工作面瓦斯煤层扩容引起瓦斯参数突变易诱发动力灾害的发生，给生产安全造成严重威胁。

随着开采深度的增加，受高采动应力影响，瓦斯煤层气固耦合扩容力学行为的演化本质复杂，气固耦合扩容作用下煤与瓦斯动力灾害越发严重，为有效防止煤与瓦斯动力灾害的发生，急需对工作面前方煤体扩容致灾进行预判。因此，准确预测计算工作面煤体扩容阶段能量的演化，并采取有效控制措施，对控制煤体扩容导致动力灾害具有重要意义，为有效防治煤与瓦斯动力灾害提供了新的理论依据。

目前，针对煤与瓦斯动力灾害预测研究主要是基于灾害预测指标和能量耗散和释放的原理。依据能量耗散和释放原理，煤与瓦斯动力灾害的驱动力主要为弹性变形能和瓦斯膨胀能，其阻力为含瓦斯煤破碎所需耗散能。而弹性变形能和耗散能通常依据应力-轴向应变曲线投影到横坐标围成的阴影部分面积进行计算分析，以含瓦斯煤抗压峰值强度为界限，在峰值强度前，应力-轴向应变曲线投影到横坐标轴围成的阴影部分面积计算其弹性变形能，峰值强度后至破坏部分阴影面积计算耗散能，该方法忽略了含瓦斯煤峰值强度前塑性变形导致的能量损失，将塑性变形损失的能量近似为弹性应变能，对不含瓦斯的岩石动力灾害预测，该方法满足工程实践要求，而对于含瓦斯煤岩体的气固耦合失稳破坏预测，若仍采用应力-轴向应变曲线投影到横坐标围成 的阴影部分面积计算弹性变形能和耗散能，必然导致计算结果产生很大偏差，由于在高应力作用下，含瓦斯煤抗压峰值强度前扩容阶段发生塑性变形损失的能量较大，若仍采用近似忽略，显然已无法客观反映工程实际中的能量的演化规律，导致含瓦斯煤动力灾害的预判结果不合理。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明公开一种煤与瓦斯动力灾害的新型判别方法，能够解决现有能量预测理论技术中通常采用应力-轴向应变曲线表达能量的释放和耗散的片面性的问题。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种煤与瓦斯动力灾害的新型判别方法，包括以下步骤：

取不同地质赋存条件煤样，测试含瓦斯煤岩体应力-应变-瓦斯压力曲线，分析含瓦斯煤岩体体积应变特征，获得含瓦斯煤岩体应力-应变-瓦斯压力曲线；

进行三轴加载试验，测试不同初始瓦斯压力下含瓦斯煤岩体的应力-应变-瓦斯压力曲线，其中采用荷载加载方式实现不同瓦斯压力的加载，荷载加载过程的加压压差为0.005MPa/s；

分析含瓦斯煤岩体应力-应变-瓦斯压力曲线，计算含瓦斯煤气固耦合扩容阶段储存和耗散的能量；

根据含瓦斯煤岩体气固耦合扩容致灾机理，利用能量守恒定律，建立含瓦斯煤气固耦合扩容致灾能量判据模型；

进一步对含瓦斯煤气固耦合扩容致灾能量判据模型进行可靠性验证。

优选的，获得所述应力-应变-瓦斯压力曲线，需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；应用含瓦斯煤气固耦合参数测试系统测定瓦斯压力变化。

优选的，所述荷载加载方式为三轴应力加载方式。

优选的，针对所述含瓦斯煤体应力-应变-瓦斯压力曲线特性，基于能量指标法思想，将含瓦斯煤岩体扩容阶段能量划分为弹性变形能、瓦斯膨胀能、破坏耗散能。

优选的，所述含瓦斯煤扩容时积聚的能量达到失稳所需能量W_K时，即R_K≥1时，达到发生动力灾害的临界值，就会发生动力灾害；当R_K＜1时，煤岩体加载储存能量小于其破坏耗散所需的能量，此时无动力灾害发生。

优选的，所述含瓦斯煤气固耦合扩容致灾能量判据模型可靠性依据常用的不含瓦斯煤岩体的弹性应变能指标法进行验证。

本发明公开一种煤与瓦斯动力灾害的新型判别方法，针对受高采动应力影响，含瓦斯煤气固耦合扩容致灾进行综合预测评判，采用三轴加载试验获得应力-应变曲线、分析计算含瓦斯煤扩容阶段能量、根据能量守恒定律，建立煤与瓦斯动力灾害的能量判别模型，以及进一步对判别模型进行可靠性验证，最终确定煤与瓦斯动力灾害的判据；能准确预测煤与瓦斯动力灾害是否发生，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或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中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是本发明中含瓦斯煤岩应力-应变-瓦斯压力曲线图；

图2是本发明中煤体扩容阶段能量图结构示意图；

图3是本发明中煤体扩容阶段能量图结构示意图；

图4是本发明的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图4所示，本发明实施例所述一种煤与瓦斯动力灾害的新型判别方法，包括如下步骤：

步骤1、获得含瓦斯煤岩体应力-应变-瓦斯压力曲线

取不同地质赋存条件煤样，测试含瓦斯煤岩体应力-应变-瓦斯压力曲线，分析含瓦斯煤岩体体积应变特征：

进行三轴加载试验：利用自主研发的含瓦斯煤气固耦合参数测试仪测试不同初始瓦斯压力下含瓦斯煤岩体的应力-应变-瓦斯压力曲线，其中采用荷载加载方式实现不同初始瓦斯压力的加载，荷载加载过程的加压压差为0.005MPa/s；在一个优选的实施例中，不同初始瓦斯压力分别为：1MPa、2MPa、3MPa。试验结果如图1所示。

实验表明，含瓦斯煤随应力增加均出现非线性膨胀的扩容现象。在应力动态作用下，扩容初始阶段瓦斯压力出现明显先降低后升高的瞬变演化，之后瓦斯压力随应力增加而增大，瓦斯压力呈现出应力动态响应特征。

步骤2、分析含瓦斯煤岩体应力-应变-瓦斯压力曲线，计算含瓦斯煤气固耦合扩容阶段储存和耗散的能量；

针对含瓦斯煤岩体应力-应变-瓦斯压力曲线特性，基于能量指标法思想，将含瓦斯煤岩体扩容阶段能量划分为：弹性变形能、瓦斯膨胀能、破坏耗散能，其计算方法如下：

1)煤岩体储存弹性变形能计算

弹性能(W_e)＝体积应变曲线与横坐标围成的阴影部分面积S_OAB；具体计算公式如(1-1)所示。

$W_e={\int }_0^{{ϵ}_B}{\sigma }_i{\mathrm{dϵ}}_v---(1-1)$

式中：ε_v为体积应变值，ε_B为扩容临界点对应的体积应变值，σ_i为差应力。

如图1所示，阴影部分面积S_OAB是曲边三角形，因此，S_OAB面积采用定积分的原理进行计算，即将S_OAB曲边形分成n个小曲边梯形，而每个小曲边梯形可以近似看成小矩形，将所有小矩形的面积之和作为曲边三角形面积。

W_e＝∑σ_iε_Δvi>

式中：ε_Δvi为σ_i时对应的单位体积应变值，σ_i为差应力。

根据图2和公式(1-2)对如图1所示的不同初始瓦斯压力的含瓦斯煤扩容前弹性变形能计算结果如表2所示。

表2 不同初始瓦斯压力含瓦斯煤扩容阶段弹性变形能

2)煤岩体扩容瓦斯突变瓦斯膨胀能计算

如图1所示，含瓦斯煤扩容行为引起煤体内瓦斯压力发生突变，瓦斯压力从P₁变化至P₂导致瓦斯内能的变化。不同初始瓦斯压力含瓦斯煤扩容行为引起瓦斯压力变化如表3所示。

表3 不同初始瓦斯压力含瓦斯煤扩容时瓦斯压力变化值

根据瓦斯压力变化产生的膨胀能原理，瓦斯煤扩容区瓦斯压力由P₁变为P₂时所产生的膨胀能W_p为：

$W_p=\frac{P_2{V}_1}{n-1}[{\left(\frac{P_1}{P_2}\right)}^{\frac{n-1}{n}}-1]---(1-3)$

式中：W_p—瓦斯煤层扩容阶段瓦斯膨胀能，MJ/t；

P₂—含瓦斯煤扩容瓦斯压力突变后的值，MPa；

P₁—含瓦斯煤扩容瓦斯压力突变前的值，MPa；

n—绝热系数，对于瓦斯，n＝1.31；

V₁—参与扩容过程做功的吨煤瓦斯涌出量，该值接近煤内游离态瓦斯含量，m³/t；

对于游离态瓦斯含量(V₁)，一般按照气体状态方程可求得：

$V_1=\frac{{\mathrm{VPT}}_0}{{\mathrm{TP}}_0\xi }---(1-4)$

式中：V₁—煤的游离态瓦斯含量，m³/t；

V—单位重量煤的孔隙容积，m³/t；取0.512ml/g

P—煤层瓦斯压力，MPa；

ξ—瓦斯压缩系数；取0.972

P₀—一个标准大气压力，MPa(等于0.101325MPa)；

T—瓦斯的绝对温度，T＝273+t，t为瓦斯的摄氏温度(℃)；

假定含瓦斯煤扩容瞬间过程为绝热过程，因此T₀＝T，公式(1-4)可简化为：

$V_1=\frac{VP}{{\mathrm{\xi P}}_0}---(1-5)$

含瓦斯煤试样高100mm，直径50mm，密度1.4m3/t，其重量为：0.000275t。

以初始瓦斯压力1MPa的含瓦斯煤试验为例计算瓦斯膨胀能：

$V_1=\frac{VP}{{\mathrm{\xi P}}_0}=(0.512\times 1)/(0.972\times 0.1)=5.25m^3/t$

$W_p=\frac{P_2{V}_1}{n-1}[{\left(\frac{P_1}{P_2}\right)}^{\frac{n-1}{n}}-1]=0.000275\times \frac{1.05824\times 5.25}{1.31-1}[{\left(\frac{1.08726}{1.05824}\right)}^{\frac{1.31-1}{1.31}}-1]=0.0000316MJ$

初始瓦斯压力1MPa时瓦斯膨胀能＝0.0000316×1000000＝31.6焦耳

根据式(1-3)～式(1-5)和表3对图1所示的不同初始瓦斯压力的含瓦斯煤扩容阶段瓦斯膨胀能计算结果如表4所示。

表4 不同初始瓦斯压力含瓦斯煤扩容阶段瓦斯膨胀能

3)煤岩体失稳破坏耗散能计算

如图3所示，煤体加载到扩容临界点A后，煤体体积变形由压缩转变为膨胀，此阶段煤体内裂隙迅速扩展、连通，致使能量耗散。煤体破碎耗散能量主要是指从煤体扩容临界点到应力峰值点(D点)为界的能量耗散。因此，以扩容临界点(A点)到应力峰值点(D点)为界，体积变形曲线(A-D段)与横坐标围成的阴影部分面积可表示为煤体损伤破坏过程中消耗的能量W_k(由面积S_ABED表示)：

$W_k={\int }_{{ϵ}_E}^{{ϵ}_B}{\sigma }_i{\mathrm{dϵ}}_v---(1-6)$

式中：ε_v为体积应变值，ε_B为扩容临界点对应的体积应变值，σ_i为差应力，ε_E为峰值强度时对应的体积应变值。

根据图3和公式(1-2)对如图1所示的不同初始瓦斯压力的含瓦斯煤扩容阶段耗散能计算结果如表5所示。

表5 不同初始瓦斯压力含瓦斯煤扩容阶段耗散能

步骤3、根据含瓦斯煤岩体气固耦合扩容致灾能量判定指标；

基于能量守恒定律，针对含瓦斯煤体扩容致灾是扩容前储存的弹性变形能、扩容形成的瓦斯膨胀能转化为工作面煤体裂隙扩展所耗散能量和煤体破坏失稳抛出时的动能，提出了煤岩体扩容致灾能量判别模型，即：

$R_k=\frac{(W_e+W_P)}{W_k}---(1-7)$

式中：W_e—煤岩体储存弹性变形能，J；

W_p—释放的瓦斯膨胀能，J；(对于不含瓦斯煤岩W_p＝0)

W_k—扩容至煤岩体发生破坏过程中耗散的能量，J。

将表2、表4和表5代入式(1-7)计算含瓦斯煤动力灾害安全判定指标，如表6所示：

表6 含瓦斯煤动力灾害安全判定

如表6所示。当初始瓦斯压力为1MPa、2MPa和3MPa时，安全判定指标分别为0.04、0.09和1.29，随瓦斯压力增大，扩容致灾安全判定指标随之增大，但并非线性增加，当初始瓦斯压力从2MPa增加到3MPa时，扩容致灾安全判定指标陡然增大到1.29。表明初始瓦斯压力为3MPa条件时，此时只需受采动影响，即可导致试样的失稳破坏。

综上所述本发明公开一种煤与瓦斯动力灾害的新型判别方法，针对受高采动应力影响，含瓦斯煤气固耦合扩容致灾进行综合预测评判，采用三轴加载试验获得应力-应变曲线、分析计算含瓦斯煤扩容阶段能 量、根据能量守恒定律，建立煤与瓦斯动力灾害的能量判别模型，以及进一步对判别模型进行可靠性验证，最终确定煤与瓦斯动力灾害的判据；能准确预测煤与瓦斯动力灾害是否发生，具有广泛的实用性。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。