模拟保护层开采条件下煤体采动渗流力学规律的试验方法技术

模拟保护层开采条件下煤体采动渗流力学行为规律的试验方法，属于岩土工程领域。包括以下步骤：选择煤岩试件；记录试件的基础数据，将煤岩试件安装在用于测试采动过程卸荷煤岩体渗透率的系统中，调试好系统各个设备；对试件进行模拟保护层开采条件下的煤岩试件地应力恢复及卸压膨胀变形模拟操作，该阶段包括地应力恢复、轴向压缩、卸压膨胀及应力恢复四个阶段，对试件进行模拟保护层开采条件下的煤岩试件采动应力演化模拟操作，该操作包括静水压力、第一卸载及第二卸载阶段；根据可压缩气体水平线性稳定渗流达西公式，计算得到不同时段的渗透率大小，适用于保护层开采条件下煤体采动渗流力学行为规律的研究。

Test method for seepage mechanics of coal mining under simulated protective seam mining conditions

The test method for simulating the mechanical behavior of coal mining under the condition of mining protective layer is of geotechnical engineering. The following steps are included: choosing the coal rock specimen, recording the basic data of the specimen, installing the coal rock specimen in the system which is used to test the permeability of the unloading coal and rock mass, and debugging the various equipment of the system, and the simulated operation of the stress recovery and the pressure relief expansion deformation of the specimen under the condition of the simulated protective layer mining. This stage includes four stages of stress recovery, axial compression, pressure relief expansion and stress recovery, and the simulated operation of coal rock specimen mining stress evolution under simulated protective layer mining conditions is carried out, which includes static water pressure, first unloading and two unloading stage, and the root is linearly stable in compressible gas level. Darcy formula is used to calculate the permeability at different time intervals, which is suitable for the study of mechanical behavior of coal seam under protective seam mining conditions.

【技术实现步骤摘要】
模拟保护层开采条件下煤体采动渗流力学规律的试验方法
本专利技术属于岩土工程领域，涉及一种模拟保护层开采条件下煤体采动渗流力学行为规律的室内试验方法。
技术介绍
保护层开采条件下，煤层瓦斯运移随采动应力和采动裂隙的差异化发展而存在明显不同，其主要涉及渗流力学领域的相关研究。渗流力学最初是应用在水利工程、水的净化和地下水资源开发等领域，从20世纪20年代起，渗流力学逐渐成为石油和天然气开发工业的理论基础。40年代末，前苏联学者应用达西定律——线性渗透定律来描述煤层内瓦斯的流动，并开创性地研究了考虑瓦斯吸附性质的瓦斯渗流问题。60年代，周世宁等从渗流力学角度出发，假设瓦斯的流动基本上符合达西定律，把多孔介质的煤层看成一种大尺度上均匀分布的虚拟连续介质，提出了“线性瓦斯流动理论”，这一理论的提出对我国瓦斯流动理论的研究具有极为深刻的影响。20世纪80年代，瓦斯流动理论的研究趋于活跃，主要是修正和完善瓦斯流动的数学模型，焦点是对瓦斯流动方程的修正。郭勇义就一维情况结合相似理论，研究了瓦斯流动方程的完全解，并指出周世宁等的研究中瓦斯含量与孔隙压力之间抛物线关系式的近似性，采用朗格缪尔方程来描述瓦斯的等温吸附量，提出了修正的瓦斯流动方程式。谭学术研究了瓦斯的气体状态方程，认为应用瓦斯真实气体状态方程更符合实际，提出了修正的矿井煤层真实瓦斯渗流方程。孙培德在总结前人研究成果的基础上，进一步修正和完善了均质煤层的瓦斯流动数学模型，同时发展了非均质煤层的瓦斯流动数学模型，并在此基础上应用计算机进行了数值模拟对比分析，结果表明：新线性瓦斯流动模型比国内外三大典型模型更逼近实际。余楚新等认为煤层中参与渗流的瓦斯量只是可解吸的部分量，并在煤体瓦斯吸附与解吸过程完全可逆的条件下建立了瓦斯渗流控制方程。随着计算机的发展，使用计算机模拟研究瓦斯流场分布及演化过程已成为可能，这也是目前瓦斯渗流力学的主要研究手段之一。早在20世纪80年代，魏晓林、李英俊分别报道了广东省煤炭研究所和抚顺煤炭科研所应用计算机研究瓦斯流动的成果，结合煤矿实际问题，用有限差分法(DEM)，首次对瓦斯流场中压力分布及其流量变化实现了数值模拟，较成功地预测了瓦斯流场内的瓦斯压力变化规律。进入21世纪后，研究者们开展了瓦斯渗流的宏细观结合分析，可视化研究和多场耦合条件下渗流场特性研究。然而，现有技术中，并没有研究考虑煤层在不同开采方式(扰动)影响下真实采动应力环境对煤岩渗透能力改变的巨大影响。此外，地下开采中瓦斯抽采的针对性与有效性是煤与瓦斯共采的关键问题，其核心是在理论和技术上，对采动引起的裂隙网络所形成的增透性进行定义和分析。开采导致的高密度、高联通度的采动裂隙，使煤层的渗透率发生了根本性改变，然而，目前还没有合适的理论来定量描述这种增透机制和增透效果，更没有指导煤与瓦斯共采的评价方法和体系能够为煤与瓦斯共采工程中的煤层增透效果评价提供定量指标和科学方法。因此，为了填补现有技术中的空白，准确揭示保护层开采条件下煤体采动渗流力学行为规律，在综合考虑不同开采方式采动应力环境演化和瓦斯吸附膨胀耦合作用对损伤裂隙煤体影响的基础上，需要结合渗流力学理论，使用增透率理论定量分析开采过程中覆岩和煤层中增透率的分布和演化，提出一种模拟保护层开采条件下煤体采动渗流力学行为规律的室内试验方法，该方法能够在上述研究的基础上，在保护层开采条件下进一步考虑保护层开采条件下煤岩采动时的真实应力环境，与工程活动相联系，开展煤体采动渗流力学行为规律的研究。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是为了填补现有技术的空白，提供一种在室内模拟保护层开采条件下煤体采动渗流力学规律的试验方法，该方法能够模拟保护层开采条件下煤岩采动时的真实应力环境，研究煤体煤体采动渗流力学行为规律。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：模拟保护层开采条件下煤体采动渗流力学规律的试验方法，包括以下步骤：A.选择煤岩试件；B.记录试件的基础数据，将煤岩试件安装在用于测试采动过程卸荷煤岩体渗透率的系统中，调试好系统各个设备；C.对试件进行模拟保护层开采条件下的煤岩试件地应力恢复及卸压膨胀变形模拟操作，具体包括以下四个阶段：C1.地应力恢复阶段：设置初始地应力以及垂直应力梯度，以一定加载速率按照预设的轴压和围压比加载轴压及围压，直至围压、轴压分别达到初始围压值、初始轴压值；C2.轴向压缩阶段：以保持围压不变，轴向压力增加的加载方式进行加载，加载至轴向应力达到预设值；C3.卸压膨胀阶段：以保持轴向应力与围压之差σ1－σ3不变，减小围压的卸载方式进行卸载，以适当的卸围压速率卸载直至试件变形进入屈服阶段，其中，σ1为轴压，σ3为围压；C4.应力恢复阶段：降低轴向应力与围压之差σ1－σ3的同时增加围压，直至围压、轴压分别达到初始围压值、初始轴压值；D.对试件进行模拟保护层开采条件下的煤岩试件采动应力演化模拟操作：D1.静水压力阶段：设定起始垂向应力梯度以及对应设计埋设深度，并根据起始垂向应力梯度以及对应设计埋设深度得到起始轴压，以适当的加载速率施加围压，以至于达到预设围压及起始轴压，对整个气体管路抽真空，而后对试件上下端施加相同气体压力的甲烷气体，直至试件体积不变；D2.第一卸载阶段：以一定围压卸荷速率进行卸载使得试件岩由静水压力状态逐渐变化至轴向应力集中系数K等于第一系数值，即轴向应力与围压之差σ1－σ3增加和围压σ3卸载之比均为设定比值，直至达到预设第一卸载轴压、预设第一卸载围压，将气体管路的出气端与外界相连后开始加载，加载过程中保持进口端压力水平恒定，并连续记录气体压力流量变化；D3.第二卸载阶段：设定随工作面推进，近采面煤岩围压呈线性分布，保持围压卸载速率不变，轴向应力增速升高的方式进行卸载，使得轴向应力集中系数K由第一系数值到试件发生卸载破坏，试件发生卸载破坏时轴向应力集中系数K为第二系数值，第二系数值大于第一系数值，即轴向偏应力σ1－σ3增加和横向应力σ3卸载之比均为设定比值，加载全程保持进气口压力水平恒定，并连续记录气体压力流量变化；E.根据可压缩气体水平线性稳定渗流达西公式，计算得到不同时段的渗透率大小，计算公式如下：式中，k表示渗透率，单位为m2；，q为瓦斯流量，单位为m3/s；p0为测量点的大气压力，取0.101325MPa；A为试件的横截面积，单位为m2；μ为瓦斯的动力粘度系数，20℃时取为1.087×10-5Pa·s；L为试件的长度，单位为m；p1、p2分别为进气口的瓦斯压力和出气口的瓦斯压力，单位为MPa。进一步的，步骤A中煤岩试件选用表面光滑的煤样，直径为47～51mm、高径比为(2±0.2)的圆柱体，试件两端面不平行度不大于0.05mm，试件上下端直径偏差不大于0.3mm。具体的，步骤B具体包括以下步骤：B1.记录试件的基础数据，并连接其他设备；B2.将试件安装在MTS岩石力学测试系统的三轴室内，对试件喷涂热缩膜后，施加荷载将试件固定在加载平台上，对三轴室进行充油和排气操作；B3.逐步施加围压到特定值并保持围压恒定，然后稳定气压填充甲烷，直到试件体积不变后开始加载荷载；B4.采用轴向荷载控制，而后再采用环向变形控制直至残余强度显现，而后向三轴室充满矿物质硅油。进一步的，加载及卸载操作中均以恒定的速本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.模拟保护层开采条件下煤体采动渗流力学规律的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：A.选择煤岩试件；B.记录试件的基础数据，将煤岩试件安装在用于测试采动过程卸荷煤岩体渗透率的系统中，调试好系统各个设备；C.对试件进行模拟保护层开采条件下的煤岩试件地应力恢复及卸压膨胀变形模拟操作，具体包括以下四个阶段：C1.地应力恢复阶段：设置初始地应力以及垂直应力梯度，以一定加载速率按照预设的轴压和围压比加载轴压及围压，直至围压、轴压分别达到初始围压值、初始轴压值；C2.轴向压缩阶段：以保持围压不变，轴向压力增加的加载方式进行加载，加载至轴向应力达到预设值；C3.卸压膨胀阶段：以保持轴向应力与围压之差σ1－σ3不变，减小围压的卸载方式进行卸载，以适当的卸围压速率卸载直至试件变形进入屈服阶段，其中，σ1为轴压，σ3为围压；C4.应力恢复阶段：降低轴向应力与围压之差σ1－σ3的同时增加围压，直至围压、轴压分别达到初始围压值、初始轴压值；D.对试件进行模拟保护层开采条件下的煤岩试件采动应力演化模拟操作：D1.静水压力阶段：设定起始垂向应力梯度以及对应设计埋设深度，并根据起始垂向应力梯度以及对应设计埋设深度得到起始轴压，以适当的加载速率施加围压，以至于达到预设围压及起始轴压，对整个气体管路抽真空，而后对试件上下端施加相同气体压力的甲烷气体，直至试件体积不变；D2.第一卸载阶段：以一定围压卸荷速率进行卸载使得试件岩由静水压力状态逐渐变化至轴向应力集中系数K等于第一系数值，即轴向应力与围压之差σ1－σ3增加和围压σ3卸载之比均为设定比值，直至达到预设第一卸载轴压、预设第一卸载围压，将气体管路的出气端与外界相连后开始加载，加载过程中保持进口端压力水平恒定，并连续记录气体压力流量变化；D3.第二卸载阶段：设定随工作面推进，近采面煤岩围压呈线性分布，保持围压卸载速率不变，轴向应力增速升高的方式进行卸载，使得轴向应力集中系数K由第一系数值到试件发生卸载破坏，试件发生卸载破坏时轴向应力集中系数K为第二系数值，第二系数值大于第一系数值，即轴向偏应力σ1－σ3增加和横向应力σ3卸载之比均为设定比值，加载全程保持进气口压力水平恒定，并连续记录气体压力流量变化；E.根据可压缩气体水平线性稳定渗流达西公式，计算得到不同时段的渗透率大小，计算公式如下：...

【技术特征摘要】
1.模拟保护层开采条件下煤体采动渗流力学规律的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：A.选择煤岩试件；B.记录试件的基础数据，将煤岩试件安装在用于测试采动过程卸荷煤岩体渗透率的系统中，调试好系统各个设备；C.对试件进行模拟保护层开采条件下的煤岩试件地应力恢复及卸压膨胀变形模拟操作，具体包括以下四个阶段：C1.地应力恢复阶段：设置初始地应力以及垂直应力梯度，以一定加载速率按照预设的轴压和围压比加载轴压及围压，直至围压、轴压分别达到初始围压值、初始轴压值；C2.轴向压缩阶段：以保持围压不变，轴向压力增加的加载方式进行加载，加载至轴向应力达到预设值；C3.卸压膨胀阶段：以保持轴向应力与围压之差σ1－σ3不变，减小围压的卸载方式进行卸载，以适当的卸围压速率卸载直至试件变形进入屈服阶段，其中，σ1为轴压，σ3为围压；C4.应力恢复阶段：降低轴向应力与围压之差σ1－σ3的同时增加围压，直至围压、轴压分别达到初始围压值、初始轴压值；D.对试件进行模拟保护层开采条件下的煤岩试件采动应力演化模拟操作：D1.静水压力阶段：设定起始垂向应力梯度以及对应设计埋设深度，并根据起始垂向应力梯度以及对应设计埋设深度得到起始轴压，以适当的加载速率施加围压，以至于达到预设围压及起始轴压，对整个气体管路抽真空，而后对试件上下端施加相同气体压力的甲烷气体，直至试件体积不变；D2.第一卸载阶段：以一定围压卸荷速率进行卸载使得试件岩由静水压力状态逐渐变化至轴向应力集中系数K等于第一系数值，即轴向应力与围压之差σ1－σ3增加和围压σ3卸载之比均为设定比值，直至达到预设第一卸载轴压、预设第一卸载围压，将气体管路的出气端与外界相连后开始加载，加载过程中保持进口端压力水平恒定，并连续记录气体压力流量变化；D3.第二卸载阶段：设定随工作面推进，近采面煤岩围压呈线性分布，保持围压卸载速率不变，轴向应力增速升高的方式进行卸载，使得轴向应力集中系数K由第一系数值到试件发生卸载破坏，试件发生卸载破坏时轴向应...

【专利技术属性】
技术研发人员：张泽天，谢和平，张茹，覃黎，高明忠，张朝鹏，艾婷，查尔晟，任利，贾哲强，谢晶，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川,51