[發明專利]一種振動卸荷條件下含瓦斯煤巖滲透規律試驗研究方法

在審

• 申請號: 201710387455.7
• 申請日: 2017-05-27
• 公開（公告）號: CN106990031A
• 公開（公告）日: 2017-07-28
• 發明（設計）人: 宋洋;祝白茹;王華慶;吳貝寧;董澤;李征
• 申請（專利權）人: 遼寧工程技術大學
• 主分類號: G01N15/08
• 分類號: G01N15/08;G01N1/28
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司21109
• 代理人: 趙嬛嬛

技術領域

本發明涉及煤礦開采技術領域，具體涉及一種振動卸荷條件下含瓦斯煤巖滲透規律試驗研究方法。

背景技術

深部煤炭資源地質環境復雜，煤層滲透性低，地應力、瓦斯壓力巨大，在進行煤炭資源開采時容易造成瓦斯動力事故的發生。未經開采的原始煤巖在地應力、構造應力的作用下處于應力平衡狀態，開采等工程擾動作用導致煤巖體所受荷載在時間與空間上發生變化，煤巖體內部應力重新分布，產生不可恢復的新生裂紋并持續擴展，最終形成貫通裂隙使整體失去完整性，在宏觀上表現為變形、破壞、失穩等現象；開采擾動同時使煤巖體的滲透特性也隨之發生變化，煤巖體滲透特性直接影響著瓦斯的運移和積累，導致局部區域瓦斯壓力的變化，煤巖體強度也隨之發生變化。以上過程呈現出煤巖體應力場-滲流場耦合作用特征。在考慮開采擾動對煤巖體滲透特性影響的研究中，多數假定煤巖體處于單軸或三軸的應力應變環境，以卸徑向載荷為試驗條件。蔣長寶等運用自制的含瓦斯煤熱流固耦合三軸伺服滲流實驗裝置，進行了含瓦斯煤巖卸徑向載荷瓦斯滲流試驗，研究其卸徑向載荷過程中的變形和瓦斯滲流特性。尹光志等利用自行研制的“含瓦斯煤熱流固耦合三軸伺服滲流試驗裝置”，進行不同初始徑向載荷和不同瓦斯壓力組合條件下，不同卸徑向載荷速度對含瓦斯煤巖力學和瓦斯滲流特性影響試驗研究。黃啟翔等應用 MTS815 力學試驗機，對典型煤與瓦斯突出礦井松藻礦務局打通一礦突出煤層原煤制備的型煤試件分別進行型位移控制與力控制卸徑向載荷試驗研究。孫光中等針對含瓦斯煤軸向載荷恒定卸徑向載荷滲透性演化規律，以新登煤業原煤樣為研究對象，利用自主研發的含瓦斯煤巖三軸應力蠕變滲流試驗裝置，開展不同徑向載荷下軸向應力恒定卸徑向載荷滲流測試試驗。

以上關于煤巖體滲透特性的研究中，并沒有考慮動靜荷載組合作用對煤巖體滲透特性的影響。而在真實的開采環境下，煤巖不僅受到內部靜荷載的影響，還要受到如頂板斷裂等動荷載的影響，以及爆破、采掘機采掘作業等工程擾動類動荷載的影響。采掘機等振動作業作用于煤體后，將增加煤巖體應力，改變煤巖體應力狀態，主要是改變了煤體骨架的受力狀態，原因是振動產生衰減的應力波能夠加快瓦斯分子的無規則運動，并且對煤體骨架產生直接的擠壓作用，進而產生了孔隙壓縮應變、吸附膨脹應變、擠壓應變。在現有的研究中，大多研究了動靜組合加載下煤巖體宏觀的力學特性，對于動靜組合加載下含瓦斯煤巖滲透特性還鮮有研究。以上關于開采擾動對煤巖體滲透特性影響的研究中，也沒有考慮開采方式的影響。事實上，在不同開采方式下，工作面前方煤巖體經歷了從原巖應力、軸向應力升高而徑向載荷遞減到破壞卸荷的完整采動力學過程。不同的開采方式對應不同的應力路徑，會產生不同的煤巖體應力分布和演化，進而影響裂隙網絡的發育和滲透率的改變，單純的卸徑向載荷并不能模擬真實的開采環境。

在現有的研究當中，較少考慮開采方式、工程擾動對煤巖體滲透特性的影響。謝和平等通過分析放頂煤開采、無煤柱開采、保護層開采這三種不同開采方式下工作面支撐壓力的分布規律，探索了真實開采條件下含瓦斯煤巖裂隙場、應力場、滲流場的特征差異。在試驗方案設計中，利用軸向壓力模擬支撐應力，徑向載荷的變化模擬水平應力，通過施加不同比值軸向載荷與徑向載荷的荷載來模擬三種不同的開采方式。以上研究雖然考慮了不同的開采方式對含瓦斯煤巖滲透特性的影響，但是并沒有考慮到振動的影響，并且試驗過程復雜。本文在已有研究成果的基礎上，提出一種新的含瓦斯煤巖在不同開采方式下滲透試驗方法，更能貼近工程實際情況，研究成果能夠有效地指導煤與瓦斯共采。

發明內容

針對現有技術存在的問題，本發明提供一種振動卸荷條件下含瓦斯煤巖滲透規律試驗研究方法，可仿真模擬真實的開采情況，為科學分析含瓦斯煤巖滲透特性奠定基礎。本發明的技術方案為：

一種振動卸荷條件下含瓦斯煤巖滲透規律試驗研究方法，是通過包括三軸壓力室、加載裝置、數據測量采集裝置和注氣裝置的試驗裝置實現，所述試驗裝置還包括擾動裝置，所述擾動裝置包括擾動桿，所述擾動桿連接激振器；所述研究方法包括以下步驟：

（1）加工煤巖試件，使其高徑比為2:1；

（2）將應力應變傳感器貼于煤巖試件表面并套上熱縮管后放入三軸壓力室；

（3）開啟注氣裝置，在三軸壓力室中充入瓦斯直至煤巖試件達到吸附平衡，以模擬煤巖試件真實的現場賦存情況；

（4）按設定參數對煤巖試件施加軸向荷載、徑向荷載以及軸向擾動，直至試件破壞，監測該過程中的應力應變值和瓦斯流量值，獲得不同振動卸荷條件下含瓦斯煤巖滲透規律。

上述方法中，所述擾動桿設置于所述加載裝置的上壓頭中部。