[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

本發明公開了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，其技術方案包括：選取若干組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；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，實現煤巖層賦存狀態模擬。本發明能夠實現巷道掘進誘發煤與瓦斯突出的全過程、定量模擬。

技術領域

本發明涉及巖土工程技術領域，尤其涉及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。

背景技術

煤與瓦斯突出是危害巨大的煤巖瓦斯動力災害。在開采過程中，大量煤粉和瓦斯在極短時間內噴涌而出，常常造成大量人員傷亡、嚴重經濟損失和惡劣社會影響，嚴重制約煤炭安全生產。其中，巷道掘進揭煤誘發的煤與瓦斯突出占比高，突發性強，防控尤為困難。因此，深入研究巷道掘進誘發煤與瓦斯突出發生機理與防控措施，對指導高瓦斯礦井安全生產有重要意義。

物理模型試驗具有參數可控、過程可重復、觀測直觀的優點，是研究該難題的重要手段之一。該方法大致過程為，按照準確的相似準則，確定試驗模型參數，并據此配制準確的模擬相似材料，建立與突出原型結構相對應的模型結構，進而在該試驗模型上模擬賦存條件與外部擾動條件。相似準則、相似材料、模型結構、賦存條件與外部擾動條件等各個部分的準確性都關系到突出模擬試驗的相似性、定量性。

然而，巷道掘進誘發煤與瓦斯突出極為復雜，物理模擬試驗的每個環節都面臨巨大挑戰：

(1)巷道掘進誘發煤與瓦斯突出過程包括孕育、激發、發展、終止四個階段，每個階段都涵蓋靜力學、動力學、能量運移等不同領域問題，且側重點不同，尚不存在可以描述突出全過程的數學模型，難以獲取準確的相似準則。

(2)巷道掘進誘發煤與瓦斯突出過程發生于高瓦斯含量的復合煤巖層，氣固耦合狀態下煤層、巖層性能復雜，且相互影響，難以配制性能準確的相似材料。

(3)巷道掘進誘發煤與瓦斯突出過程發生于高瓦斯含量的復合煤巖層，煤層被致密巖層包裹，且天然耦合在一起，難以制作結構準確的試驗模型。

(4)巷道掘進誘發煤與瓦斯突出涉及真三軸地應力環境、外部掘進擾動條件與高壓瓦斯賦存環境，難以通過試驗操作復原以上條件。

由于上述原因，巷道掘進誘發煤與瓦斯突出全過程定量模擬難度極高，目前僅極少數學者實現，現狀如下：

博士論文《煤與瓦斯突出能量分析及其物理模擬的相似性研究》公開了一種煤與瓦斯突出物理模擬方法，包括煤與瓦斯突出物理模擬相似準則建立與分析、煤巖相似材料研發、瓦斯相似氣體研制以及大型煤與瓦斯突出相似模擬試驗儀器研發，然而該方法具有以下不足：

1)推導的相似準則僅基于兩個數學模型，難以適用于復雜多變的研究課題，尤其是當研究問題涉及多個數學模型時，其推導方法無借鑒意義；

2)瓦斯相似材料配比確定過程中，相似指標選取與突出原型關聯性不大，當試驗原型或研究問題變更后，其相似性大大降低；

3)煤體、瓦斯相似材料配比的確定方法完全割裂，當兩者耦合時，誤差放大，氣固耦合模型體相似性大為降低；

4)未交代氣固耦合煤巖體試驗模型制作方法；

5)試驗開展過程僅公開了大致步驟，未公開具體細節，尤其是氣壓、應力的加載細節，兩者的不協調加載方式對試驗中煤巖體瓦斯場、應力場的相似性影響極大。例如，氣壓超前加載時由于沒有恰當的地應力支撐，容易引發對密封結構和頂底板圍巖的拉剪破壞；應力超前加載時由于沒有氣壓的抵消作用，容易引發對煤體的壓破壞。