[發(fā)明專利]一種煤與瓦斯動力災(zāi)害的新型判別方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610185862.5
• 申請日: 2016-03-25
• 公開（公告）號: CN105866373B
• 公開（公告）日: 2017-11-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 胡祖祥;謝廣祥;殷志強
• 申請（專利權(quán)）人: 安徽理工大學(xué)
• 主分類號: G01N33/22
• 分類號: G01N33/22
• 代理公司: 合肥順超知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙)34120
• 代理人: 周發(fā)軍

1.一種煤與瓦斯動力災(zāi)害的新型判別方法，其特征在于包括以下步驟：

取不同地質(zhì)賦存條件煤樣，測試含瓦斯煤巖體應(yīng)力-應(yīng)變-瓦斯壓力曲線，分析含瓦斯煤巖體體積應(yīng)變特征，獲得含瓦斯煤巖體應(yīng)力-應(yīng)變-瓦斯壓力曲線；

進行三軸加載試驗，測試不同初始瓦斯壓力下含瓦斯煤巖體的應(yīng)力-應(yīng)變-瓦斯壓力曲線，其中采用荷載加載方式實現(xiàn)不同瓦斯壓力的加載，荷載加載過程的加壓壓差為0.005MPa/s；

分析含瓦斯煤巖體應(yīng)力-應(yīng)變-瓦斯壓力曲線，基于能量指標(biāo)法思想，將含瓦斯煤巖體擴容階段能量劃分為彈性變形能、瓦斯膨脹能、破壞耗散能，計算含瓦斯煤氣固耦合擴容階段儲存和耗散的能量，且具體計算方法如下：

1)煤巖體儲存彈性變形能計算

彈性能W_e＝體積應(yīng)變曲線與橫坐標(biāo)圍成的陰影部分面積；具體計算公式如(1-1)所示，

We=∫0ϵBσidϵv---(1-1)]]>

式中：ε_v為體積應(yīng)變值，ε_B為擴容臨界點對應(yīng)的體積應(yīng)變值，σ_i為差應(yīng)力；

所述陰影部分是曲邊三角形，因此，陰影部分面積采用定積分的原理進行計算，即將陰影部分曲邊形分成n個小曲邊梯形，而每個小曲邊梯形可以近似看成小矩形，將所有小矩形的面積之和作為曲邊三角形面積，

W_e＝∑σ_iε_Δvi(1-2)

式中：ε_Δvi為σ_i時對應(yīng)的單位體積應(yīng)變值，σ_i為差應(yīng)力；

2)煤巖體擴容瓦斯突變瓦斯膨脹能計算

根據(jù)瓦斯壓力變化產(chǎn)生的膨脹能原理，瓦斯煤擴容區(qū)瓦斯壓力由P₁變?yōu)镻₂時所產(chǎn)生的膨脹能W_p為：

Wp=P2V1n-1[(P1P2)n-1n-1]---(1-3)]]>

式中：W_p—瓦斯煤層擴容階段瓦斯膨脹能，MJ/t；

P₂—含瓦斯煤擴容瓦斯壓力突變后的值，MPa；

P₁—含瓦斯煤擴容瓦斯壓力突變前的值，MPa；

n—絕熱系數(shù)，對于瓦斯，n＝1.31；

V₁—參與擴容過程做功的噸煤瓦斯涌出量，該值接近煤內(nèi)游離態(tài)瓦斯含量，m³/t；

對于游離態(tài)瓦斯含量V₁，按照氣體狀態(tài)方程可求得：

V1=VPT0TP0ξ---(1-4)]]>

式中：V₁—煤的游離態(tài)瓦斯含量，m³/t；

V—單位重量煤的孔隙容積，m³/t；取0.512ml/g

P—煤層瓦斯壓力，MPa；

ξ—瓦斯壓縮系數(shù)；取0.972

P₀—一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力，MPa；

T—瓦斯的絕對溫度，T＝273+t，t為瓦斯的攝氏溫度℃；

假定含瓦斯煤擴容瞬間過程為絕熱過程，因此T₀＝T，公式(1-4)可簡化為：

3)煤巖體失穩(wěn)破壞耗散能計算

以擴容臨界點到應(yīng)力峰值點為界，體積變形曲線與橫坐標(biāo)圍成的陰影部分面積可表示為煤體損傷破壞過程中消耗的能量W_k：

Wk=∫ϵEϵBσidϵv---(1-6)]]>

式中：ε_v為體積應(yīng)變值，ε_B為擴容臨界點對應(yīng)的體積應(yīng)變值，σ_i為差應(yīng)力，ε_E為峰值強度時對應(yīng)的體積應(yīng)變值；

根據(jù)含瓦斯煤巖體氣固耦合擴容致災(zāi)機理，利用能量守恒定律，建立含瓦斯煤氣固耦合擴容致災(zāi)能量判據(jù)模型：

Rk=(We+WP)Wk---(1-7)]]>

式中：We為煤巖體儲存彈性變形能，J；Wp為釋放的瓦斯膨脹能，J；Wk為擴容至煤巖體發(fā)生破壞過程中耗散的能量，J；

所述含瓦斯煤擴容時積聚的能量達到失穩(wěn)所需能量WK時，即RK≥1時，達到發(fā)生動力災(zāi)害的臨界值，就會發(fā)生動力災(zāi)害；當(dāng)RK＜1時，煤巖體儲存能量小于其破壞耗散所需的能量，此時無動力災(zāi)害發(fā)生；

進一步對含瓦斯煤氣固耦合擴容致災(zāi)能量判據(jù)模型進行可靠性驗證。