CN108344675A - 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 - Google Patents
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Abstract
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***中,调试好***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。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程领域,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。
背景技术
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。
发明内容
本发明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。
本发明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***中,调试好***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***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率进行,加载速率为3MPa/min,卸载速率为1MPa/min。
进一步的,步骤D3还包括测试达到峰值荷载后,为保证试验设备安全,不再降低围压,继续加载至试件出现残余强度后停止试验。
具体的,步骤C1中预设的围压和轴压比为1:1,初始围压值为γH,其中,γ表示容重,单位为KN/m3,H表示深度,单位为m;步骤D1中的加载过程中设定围压和轴压比为1:1。
本发明的有益效果是:利用用于测试采动过程卸荷煤岩体渗透率的***进行试验操作,该***体积小,能够放置在室内实现相应试验操作,无需在试件侧壁涂覆硅胶,有效简化试验步骤,试验方法易于操作,能够于室内进行,将选取的煤岩试件放置于岩石力学试验***中,通过模拟保护层开采条件下煤岩采动时的真实应力环境,对煤岩进行加载,得到的相应的渗透数据,从而实现煤体煤体采动渗流力学行为规律的研究。本发明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。
附图说明
图1是本发明所使用的用于测试采动过程卸荷煤岩体渗透率的***结构示意图;
图2是本发明所使用的用于测试采动过程卸荷煤岩体渗透率的***的原理图;
图3是本发明中被保护层采前应力模拟应力路径图;
图4是本发明中卸荷试验应力路径;
其中,1为气源罐,2-1为第一减压阀,2-2为第二减压阀,3-1为第一阀门,3-2为第二阀门,3-3为第三阀门,3-4为第四阀门,3-5为第五阀门,3-6为第六阀门,3-7为第七阀门,4为真空泵,5为气体稳压增温控制装置,6为MTS围压腔,6-1为试件,7-1为第一压力计,7-2为第二压力计,8-1为第一流量计,8-2为第二流量计,9为气体增压泵,10为气体加热控制器,11-1为第一气体加热腔,11-2为第二气体加热腔,12-高压储气反应釜,13为空气压缩机,14为压力表。
具体实施方式
下面结合附图,详细描述本发明的技术方案。
本申请的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,是基于公开号为CN104374684A,名称为《用于测试采动过程卸荷煤岩体渗透率的***及其应用》的专利申请中的测试采动过程卸荷煤岩体渗透率的***,所用附图标记即该专利申请中的,本技术方案中的附图1基于该专利申请绘制。
使用公开号为CN104374684A,名称为《用于测试采动过程卸荷煤岩体渗透率的***及其应用》的专利申请中的测试采动过程卸荷煤岩体渗透率的***,开展保护层开采条件下煤体采动渗流力学行为规律室内试验模拟。测试采动过程卸荷煤岩体渗透率的***也即采动卸压增透试验平台。测试采动过程卸荷煤岩体渗透率的***中的MTS围压腔是MTS815 Flex Text GT岩石力学测试***中的一部分,
如图1所示,现有的测试采动过程卸荷煤岩体渗透率的***包括MTS815Flex TextGT岩石力学测试***以及与之配合的气体渗流控制单元,气体渗流控制单元包括气体供给***、气体稳压增温控制***、测量***和管路真空控制***。气体供给***包括气源罐及第一减压阀,气源罐中充有高压瓦斯;管路的真空控制***包括真空泵及第一阀门、第二阀门及相应管道;测量***包括流量计、压力计及相应阀门,还可以包括计算机及数据采集记录装置,此外,可以接手动记录数据及并进行数据处理。
本次试验使用的MTS815Flex Text GT岩石力学测试***包括声发射三维定位采集单元、程控采集单元、超声波激发采集单元、总控单元、高温控制单元及加载单元,加载单元用于加载轴压、围压以及改变渗透压力。本例中选用的MTS815岩石力学综合实验***试验加载技术指标如下:
(1)静力学试验:轴向最大荷载:4600kN(压缩)、2300kN(拉伸);轴向行程:100mm;围压:140Mpa;孔隙压力:140MPa;孔压压差30Mpa;温度:室温~200℃;
(2)动力学试验:振动频率:最大达5Hz以上;振动波形:正弦波、三角波、方波、斜波、随机波;相位差:0~2π任意设定;
测量技术指标为:
(1)轴向荷载:0~4600kN(压缩)、0~250kN(拉伸);
(2)轴向位移:0~100mm(±50mm);
(3)轴向应变:(单轴和三轴高温高压);
(4)横向应变:(单轴和三轴高温高压);
(5)围压:0~140MPa;
(6)温度:室温~200℃;
(7)孔隙压力:0~140MPa;
(8)孔隙压差:0~30MPa;
(9)渗透率:10-4~5×10-8DC;
(10)体变:>100ml。
气体渗流控制单元的主要技术指标如下:气体孔隙压力施加范围:0.1~20MPa;外部气源加温范围:室温~70℃;气体压力计:0.1~30MPa;气体流量计:10mL/min~5000mL/min。
采动卸压增透试验平台可以完成与气体渗流相关的各项力学测试和多项声学测试工作。工作过程中,由MTS815测试***提供轴向和环向荷载,测量并记录变形、声发射等数据,由气体渗流控制***提供恒温稳压气体渗流环境,渗流气体压力及流量数据与变形数据同步检测记录。试验平台的主要工作原理如图2所示。
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,具体包括以下步骤:
1、选择煤岩试件:
所选择的煤岩试件即煤样,也称为试样,试验所用煤样均是根据国家标准《煤和岩石物理力学性质测定方法—第1部分:采样一般规定》中的规定及现场矿区实际工作情况进行选取的,本例中所选择的煤样分别采自四川省芙蓉矿区和山西省同煤塔山矿。芙蓉矿区煤样取自白皎煤矿1#~4#煤层,煤质为富硫无烟煤,埋深300~450m,采集方式为综采或炮采,地层为宣威组第二段P2X2,生产实践中该矿有较为突出的瓦斯治理问题。塔山矿煤样取自该矿8202工作面,工作面煤层结构复杂,取样点埋深约为500m,地层走向大致为北偏东30~45°,倾向北西,倾角平均4°。煤层平均层厚11.17m。
根据国家标准《煤和岩石物理力学性质测定方法》第7部分第5章的规定,试验用煤样采用直径为47~51mm的圆柱体,高径比为(2±0.2),高径比小于2时,应考虑对试验结果的影响;试件两端面不平行度应不大于0.05mm;试件上下端直径偏差不应大于0.3mm;试件表面应光滑,并避免因不规则表面而产生的应力集中现象。试样基本信息参见表1和表2,煤样工业分析、元素和矿物分析均采集样品煤体粉末完成。文中对所有标准煤样统一编号,首字母标明试验模拟开采方式信息,即保护层开采(Protective Coal-seam Mining,PCM)对应P,中间数字为气体压力等级,末尾数字为试样顺序编号,例如,P-2-2表示保护层开采模拟2MPa气压差第二个试样。
表1白皎矿煤样物理性质统计汇总表
表2塔山矿煤样物理性质统计汇总表
为对比研究保护层开采方式被保护层采前卸压膨胀对煤岩力学特性和渗透能力演化的影响机制,可以设计P-0-1与P-2-1煤样不开展采前卸压试验,直接开展采动力学试验模拟,作为对照组,提供试验数据对比分析测试结果。由于不同矿区煤样差别较大,在分析时加以区分。
2、安装及调试:
(1)记录试件的基础数据,基础数据包括试件尺寸数据,例如试件的高度、半径等,并连接其他设备;
(2)将试件安装在MTS岩石力学测试***的三轴室内,对其喷涂热缩膜。三轴室即图1中的MTS围压腔6,为了增强喷涂效果,喷涂2层热缩膜,通过施加2kN荷载将试件固定在加载平台的压力机上,然后对三轴室进行充油和排气操作。按3MPa/min的速度逐步施加围压至12MPa(对应试样采样深度500m应力水平);在充油和施加围压过程中,对进气管路抽真空约60min。施加围压并保持围压恒定,然后通过气体增压泵向进气管路充入压力为2MPa的甲烷气体,并稳定气压直到试件的体积不变后开始加载。最后,采用轴向荷载控制,其加载速率为30kN/min,再采用环向变形控制,按照环向变形0.08mm/min的速度加载,直至残余强度显现。之后完全降下三轴腔,固定螺栓,向三轴室充满矿物质硅油,以便后续施加围压。
加载全程还可以使用高精度的流量计和压力计,对进出口流量和孔隙压力数据进行测试。为了保证测得流量数据的准确度,可以使用机械式流量计对用于测试采动过程卸荷煤岩体渗透率的***中的电子流量计进行校核。经过峰值荷载后,继续卸压至大于设定测试气体压力值如3MPa即可停止测试,期间持续测试流量数据。由于对试件施加的围压较大,热缩膜与试件侧面接触良好,无侧壁溢出气体现象发生,故是否在试件侧面涂抹硅胶层对不同瓦斯压力条件下煤样渗透特性的影响不大,因此,试验过程中未在试件侧面涂抹硅胶,有效简化试验步骤。
试验气压分为3级,即0.5MPa、1MPa和2MPa,每级气压测试两个试件,试样编号及基本信息见表1。
3、保护层开采条件下煤体采动渗流力学行为规律室内模拟试验操作,具体包括以下步骤:
(1)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
针对保护层开采条件,首先需对煤样进行地应力恢复及卸压膨胀变形模拟操作,测试过程以轴向应力和环向变形作为控制指标,煤样应力恢复及卸压膨胀加载方案见图3。该加、卸载过程模拟可分为以下四个阶段进行描述:
(a)地应力恢复阶段:该阶段作用是恢复煤体原始应力状态,假设初始地应力为静水压力,垂直应力梯度可根据实际试验情况调整,本例中垂直应力梯度为25kPa/m(垂直应力梯度大小等于容重),对应于图3中的OA’段,以适当的加载速率按照轴压和围压比为1的加载方式进行加载,直至围压、轴压分别为γH,即达到A’(γH,γH),其中,γ表示容重,单位为KN/m3,H表示深度,单位为m。为了保证加载效果,此处选择加载速率为3MPa/min;
(b)轴向压缩阶段:该阶段为模拟保护层开采下被保护层轴向压缩膨胀阶段,对应于图3中的A’B’段,以保持围压不变且轴向压力增加的加载方式进行加载,加载速率可以取其他值,。一般来说加载速率越慢越好,但是所需的实验时间就越长,所以加载速率一般是在不影响实验结果的前提下,越快越好,本例中优选轴向加载速率为30kN/min,加载至轴向应力达到1.5γH,即达到B’(1.5γH,γH);
(c)卸压膨胀阶段:该阶段为模拟被保护层环向卸压膨胀阶段,对应于图3中的B’C’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如3MPa/min,卸载至煤样变形进入屈服阶段,C’的坐标不能定量化,不同试样会有微小地方变化;
(d)应力恢复阶段:该阶段模拟被保护层卸荷膨胀后被变形岩层再次压缩过程,对应图3中C’A’段,在降低轴向应力与围压之差σ1-σ3的同时增加围压,至图3中A点应力水平,加载过程中围压加载速率根据不同试验情况具体确定,本例中围压加载速率为3MPa/min。
(2)保护层开采条件下煤体采动应力演化模拟试验
采矿过程中煤体普遍经历了从原岩应力,到轴向应力与围压之差σ1-σ3升高而围压σ3递减(卸载),直到破坏的完整应力变化过程。因此,本试验中,模拟工作面在不同开采方式条件下,试件从原岩应力,到轴向应力与围压之差σ1-σ3升高而围压σ3递减(卸载),直到破坏的完整应力变化过程。考虑煤层存在瓦斯赋存,针对该实际工况,拟定如图4所示试验方案,探究开采方式对煤岩力学性质、破坏机理及渗流能力演化方面的影响,该模拟过程可以分为以下三个阶段进行描述:
(a)静水压力阶段:以适当的加载速率如3MPa/min施加静水围压压力至25MPa(假设垂向应力梯度为25kPa/m,对应设计埋深约1000m),即图4中OA段,加载过程中设定围压和轴压比为1:1;针对考虑瓦斯赋存条件的模拟试件,在达到预设围压压力后,对煤样上下游管路进行抽真空操作,抽真空时间为30分钟,而后在煤样上下端施加相同的气体压力,让煤样对甲烷吸附饱和,吸附时间视煤样吸附变形情况而定,直至煤样体积不变为止;
(b)第一卸载阶段:模拟采动影响初始段,煤岩由静水压力状态逐渐变化至轴向应力集中系数K等于1.5,以实现模拟岩石在真实开采环境下的应力环境,即煤样轴向应力与围压之差σ1-σ3增加和围压σ3卸载之比均为2.25:1,即图4中AB段,试验中围压卸荷速率根据具体试验情况而定,本例中围压卸荷速率为1MPa/min,即岩样均由A点开始卸载,围压卸荷速率为1MPa/min,同时以2.25MPa/min的偏应力加载速率加载至B点。针对考虑瓦斯赋存条件的模拟煤样,在试验开始前,将煤样出气端连接大气后开始加载,即开始模拟煤岩采动对瓦斯渗透的影响,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。
(c)第二卸载阶段:随着工作面推进,假设近采面煤岩围压呈线性分布,围压卸载速率不变,顶板来压(即轴向应力)增速升高的情况,对应应力集中系数由1.5到煤岩发生卸载破坏,预设不同轴向加载速率,对应煤岩在破坏时应力集中系数等于2.0,即轴向偏应力(σ1-σ3)增加和横向应力(σ3)卸载之比为为2.25:1,对应图4中BC段,对应保护层三种开采条件下工作面附近煤体经历的采动应力演化模拟路径;加载全程保持进口端压力水平恒定,并连续记录气体压力流量变化,即记录进气口的瓦斯压力和出气口的瓦斯压力p1,p2。
4、数据处理及试验结果分析
根据试验设定测试条件,记录相关数据,利用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,m2;p0为测量点的大气压力,取0.101325MPa;A为试件的横截面积,m2;μ为瓦斯的粘度系数,20℃时取为1.087×10-5Pa·s;L为试件的长度,m;p1,p2为进气口的瓦斯压力和出气口的瓦斯压力,MPa。
基于上述数据,分析得到模拟保护层开采条件下煤体采动渗流力学行为规律。
此外,还可以多次重复步骤2-4,多次测量,以便提高结果的准确性。
完成试验后,拆卸并安放各个设备。
Claims (6)
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***中,调试好***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。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,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。
3.如权利要求1所述的方法,其特征在于,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***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。
4.如权利要求1所述的方法,其特征在于,加载及卸载操作中均以恒定的速率进行,加载速率为3MPa/min,卸载速率为1MPa/min。
5.如权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤D3还包括测试达到峰值荷载后,为保证试验设备安全,不再降低围压,继续加载至试件出现残余强度后停止试验。
6.如权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤C1中预设的围压和轴压比为1:1,初始围压值为γH,其中,γ表示容重,单位为KN/m3,H表示深度,单位为m;步骤D1中的加载过程中设定围压和轴压比为1:1。
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