[發明專利]一種巷道掘進誘發煤與瓦斯突出全過程定量模擬試驗方法

有效

• 申請號: 202110316127.4
• 申請日: 2021-03-24
• 公開（公告）號: CN113189297B
• 公開（公告）日: 2023-05-16
• 發明（設計）人: 張冰;王漢鵬;袁亮;劉眾眾;王偉;章沖
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: G01N33/22
• 分類號: G01N33/22;G06F30/20;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 武博

1.一種巷道掘進誘發煤與瓦斯突出全過程定量模擬試驗方法，其特征在于，包括：

選取若干組能量模型和力學模型，基于能量模型和力學模型確定氣固耦合煤體相似準則和氣固耦合巖體相似準則；所述氣固耦合巖體相似準則的確定方法為：采用專家打分法確定關鍵技術問題與煤層頂板及底板的關聯性；若關聯性不小于0.5，則采用與氣固耦合煤體相似準則一致的相似準則；若關聯性小于0.5，瓦斯壓力相似比尺與氣固耦合煤體相似準則一致，剩余參數采用由傳統氣固耦合巖體力學模型推導獲取的相似準則；

根據模擬范圍與模型裝置尺寸確定幾何相似比尺，依據氣固耦合煤層相似準則及氣固耦合巖體相似準則，確定試驗模型應力場和滲流場的加載參數以及煤體和巖體的材料參數設計值；

根據材料參數設計值確定瓦斯相似材料的配比，以瓦斯相似材料作為氣體介質確定氣固耦合煤體和巖體的相似材料配比；

采用巖層現澆與煤層預制相結合的方法制作氣固耦合復合煤巖試驗模型；

采用巷道掘進誘發煤與瓦斯突出模擬試驗儀器，通過應力、氣壓同步梯度加載法逐步實現煤巖層賦存狀態模擬。

2.根據權利要求1所述的一種巷道掘進誘發煤與瓦斯突出全過程定量模擬試驗方法，其特征在于，所述氣固耦合煤體相似準則的確定方法為：

采用層次分析法確定n組能量模型和n組力學模型的權重；

基于n組能量模型和n組力學模型，分別通過相似變換法獲取2n組相似準則；

對于非沖突型參數、吸附解吸參數的相似比尺通過煤與瓦斯突出能量模型獲取的相似準則確定，力學參數的相似比尺通過含瓦斯煤氣固耦合力學模型推導獲取的相似準則確定；

對于沖突型參數，首先計算支持各方案的理論模型的權重之和，沖突型參數的相似比尺通過權重之和最高的方案確定。

3.根據權利要求1所述的一種巷道掘進誘發煤與瓦斯突出全過程定量模擬試驗方法，其特征在于，所述材料參數包括煤體相似材料和巖體相似材料的物理參數、力學參數、吸附解吸參數、氣體滲流參數。

4.根據權利要求1所述的一種巷道掘進誘發煤與瓦斯突出全過程定量模擬試驗方法，其特征在于，所述瓦斯相似材料的組分包括N₂、CO₂和He混合氣體，氣固耦合煤體以原場煤樣破碎成的固定顆粒級配的煤粉為骨料，以腐殖酸鈉水溶液為膠結劑，采用設定壓力穩壓設定時間壓制成型；巖體相似材料以鐵精粉、重晶石粉、石英砂為骨料，早強速凝型特種水泥為膠結劑，采用夯實機振動成型。

5.根據權利要求4所述的一種巷道掘進誘發煤與瓦斯突出全過程定量模擬試驗方法，其特征在于，所述瓦斯相似材料的配比確定方法為：

采用原場煤樣制作標準試件，設置n組不同組分He、CO₂混合氣體，分別進行解吸試驗、吸附試驗、氣固耦合力學試驗、三軸滲流試驗；

以時間t內氣體解吸速度和氣體解吸量、p氣壓下氣體吸附量和吸附氣體煤樣強度、彈性模量以及p氣壓下煤樣滲透率為指標，確定各組混合氣體各指標的相似度S₁、S₂、S₃、S₄、S₅；其中，t為試驗原型中突出持續時間，p為試驗原型中煤層瓦斯氣壓；

以綜合相似度最高的混合氣體組分作為He和CO₂的最優組分；

采用上述步驟確定的He和CO₂質量比，摻入不同質量比例的N₂，重復上述步驟，確定混合氣體與N₂的最優組分。

6.根據權利要求4所述的一種巷道掘進誘發煤與瓦斯突出全過程定量模擬試驗方法，其特征在于，所述氣固耦合煤體相似材料的配比確定方法為：

根據材料參數設計值，通過正交試驗確定腐殖酸鈉水溶液濃度、煤粒顆粒級配，試驗中材料性質被滿足的優先級為：吸附解吸參數氣體滲流參數力學參數物理參數。