[發明專利]一種高溫高壓高應力耦合下煤與瓦斯延期突出試驗方法

有效

• 申請號: 201910589987.8
• 申請日: 2019-07-02
• 公開（公告）號: CN110308245B
• 公開（公告）日: 2020-11-03
• 發明（設計）人: 李忠輝;張超林;王恩元;劉曉斐;劉貞堂
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: G01N33/00
• 分類號: G01N33/00;G01N33/22
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 李悅聲

1.一種高溫高壓高應力耦合下煤與瓦斯延期突出試驗方法，其特征在于步驟為：前期準備階段、延期突出孕育階段、延期突出誘發階段、延期突出結束和后續工作；

詳細步驟為：

1a) 從待測煤礦區域突出煤層的煤塊取樣進行現場調研，利用現場采集的煤塊取樣測定突出煤層的相關參數，確定試驗方案；

1b) 使用破碎篩將采集的煤塊取樣篩分成0-1 mm粒徑的煤粒，向煤粒中加水攪拌制成6%含水率煤樣備用；

1c) 將6%含水率煤樣裝入可視化箱體，可視化箱體的右側開有突出口，可視化箱體底部設有布滿熱電阻絲的海綿狀多功能金屬板，多功能金屬板上設有充氣口a，可視化箱體上設有加載系統，加載系統包括可視化箱體頂部的箱體蓋板內、箱體的左側壁內和前側壁內設置的多個透明加載板，每個透明加載板上設置的加載活塞，加載活塞穿過箱體壁連通的加載油缸；可視化箱體背面均勻布置有多個傳感器安裝孔，在距離突出口0.5 m和1.0 m的斷面內利用可視化箱體背部開設的傳感器安裝孔向可視化箱體中的6%含水率煤樣分別埋入兩組氣壓傳感器和溫度傳感器，最后使用加載活塞驅動透明加載板使6%含水率煤樣在20MPa條件下成型1 h后解除透明加載板對煤樣的加壓；

1d) 在可視化箱體的右側開有的突出口中安裝延期突出門，延期突出門包括透明圓管，透明圓管尾部設有安裝法蘭，透明圓管內以石蠟融化倒入充滿密封，透明圓管內壁直徑與突出口匹配，突出口直徑為0.1 m，透明圓管長0.5 m，透明圓管內壁區域1-區域5分別鋪設延時門熱電阻絲，透明圓管內壁的熱電阻絲從接線口b延伸出，將延期突出門的透明圓管通過安裝法蘭連接至可視化箱體的突出口上；

1e) 將高壓氣瓶出氣口、真空泵抽氣口和可視化箱體的充氣口a氣路順序連接，然后將高壓氣瓶出氣口與延期突出門的充氣口b連接，檢測可視化箱體、延期突出門及氣管管路密封效果，確保密封壓力不低于6 MPa；

1f)在可視化箱體外側和延期突出門處分別設置高速攝像機；

2a) 利用溫度傳感器和氣壓傳感器采集可視化箱體中煤樣的氣壓和溫度數據；

2b) 啟動三軸應力加載操作，其中煤樣上部6個透明加載板應力大小均為25 MPa，前側6個透明加載板應力大小均為30 MPa；左側1個透明加載板應力大小為20 MPa；

2c) 啟動真空泵對煤樣進行抽真空操作，直到煤樣內部氣壓小于100 Pa后關閉真空泵，用時約12 h；

2d) 打開高壓氣瓶對煤樣進行充瓦斯操作，共分為四階段保證煤樣吸附平衡氣壓為3.0 MPa，第一階段充氣12 h、充氣壓力至1.1 MPa，然后關閉氣瓶，穩定6 h；第二階段充氣12 h、充氣壓力至2.1 MPa，然后關閉氣瓶，穩定6 h；第三階段充氣12 h、充氣壓力至3.1MPa，然后關閉氣瓶，穩定6 h；第四階段充氣6 h、充氣至3.0 MPa，然后關閉氣瓶，穩定至3.0MPa；用時共計約60 h；

2e) 利用多功能金屬板上設置的熱電阻絲對煤樣底部進行加熱，設置加熱溫度為50℃，待煤層距離突出口0.5 m和1.0 m的斷面內溫度差異小于0.1℃時停止加熱，以保證煤層內部不同位置溫度相同，一般用時約12 h；

3a) 利用延時門熱電阻絲對延期突出門圓管內區域1-區域5中凝固的石蠟加熱，待石蠟融化到一定程度不足以密封箱體瓦斯時誘發延期突出，停止加熱；其中加熱不同區域模擬距離突出口不同位置處煤巷掘進擾動誘發延期突出，加熱的區域根據需要調整；

3b）利用高速攝像機采集模擬瓦斯延期突出中煤粉噴出的圖像，當模擬的瓦斯延期突出結束后，停止透明加載板的應力加載，收集突出口拋出的煤粉并稱重；

4a）改變溫度、應力、氣壓試驗條件，進一步開展其余條件下高溫高壓高應力耦合下煤與瓦斯延期突出試驗；

5a) 根據收集的突出煤粉質量計算突出強度，對比突出煤粉篩分結果與原始煤粉粒徑大小，分析延期突出過程中煤粉的破碎效應；

5b) 根據高速攝像機拍攝的箱體內部煤體照片，分析延期突出過程中煤體表面裂紋的生長、擴展規律，并利用PS對裂縫最終形態進行素描處理，以進一步定量分析延期突出過程中裂紋演化規律；

5c) 根據高速攝像機拍攝的突出口噴出煤粉運移全過程，計算煤粉運動速度及加速度，分析延期突出過程中煤粉運動特征；

5d) 根據煤樣內部傳感器測得的瓦斯壓力、溫度數據，利用克里金插值法獲得煤樣內部三維瓦斯壓力、溫度數據，并進一步結合煤體表面裂紋演化規律，分析延期突出過程中煤樣滲流場、溫度場、表面裂隙場三場耦合規律。

2.根據權利要求1所述的高溫高壓高應力耦合下煤與瓦斯延期突出試驗方法，其特征在于改變溫度、應力、氣壓試驗條件，進一步開展其余條件下高溫高壓高應力耦合下煤與瓦斯延期突出試驗的試驗條件為：

提供瓦斯壓力為3.0MPa時，設定所有透明加載板的應力為10.0MPa，分別檢測煤樣溫度為30℃和60℃的瓦斯延時突出狀態；提供瓦斯壓力為3.0MPa時，設定所有透明加載板的應力為20.0MPa，分別檢測煤樣溫度為30℃和60℃的瓦斯延時突出狀態；提供瓦斯壓力為6.0MPa時，設定所有透明加載板的應力為10.0MPa，分別檢測煤樣溫度為30℃和60℃的瓦斯延時突出狀態；提供瓦斯壓力為6.0MPa時，設定所有透明加載板的應力為20.0MPa，分別檢測煤樣溫度為30℃和60℃的瓦斯延時突出狀態。