[发明专利]一种煤与瓦斯动力灾害的新型判别方法

权利要求书

1.一种煤与瓦斯动力灾害的新型判别方法，其特征在于包括以下步骤：

取不同地质赋存条件煤样，测试含瓦斯煤岩体应力-应变-瓦斯压力曲线，分析含瓦斯煤岩体体积应变特征，获得含瓦斯煤岩体应力-应变-瓦斯压力曲线；

进行三轴加载试验，测试不同初始瓦斯压力下含瓦斯煤岩体的应力-应变-瓦斯压力曲线，其中采用荷载加载方式实现不同瓦斯压力的加载，荷载加载过程的加压压差为0.005MPa/s；

分析含瓦斯煤岩体应力-应变-瓦斯压力曲线，基于能量指标法思想，将含瓦斯煤岩体扩容阶段能量划分为弹性变形能、瓦斯膨胀能、破坏耗散能，计算含瓦斯煤气固耦合扩容阶段储存和耗散的能量，且具体计算方法如下：

1)煤岩体储存弹性变形能计算

弹性能W_e＝体积应变曲线与横坐标围成的阴影部分面积；具体计算公式如(1-1)所示，

We=∫0ϵBσidϵv---(1-1)]]>

式中：ε_v为体积应变值，ε_B为扩容临界点对应的体积应变值，σ_i为差应力；

所述阴影部分是曲边三角形，因此，阴影部分面积采用定积分的原理进行计算，即将阴影部分曲边形分成n个小曲边梯形，而每个小曲边梯形可以近似看成小矩形，将所有小矩形的面积之和作为曲边三角形面积，

W_e＝∑σ_iε_Δvi(1-2)

式中：ε_Δvi为σ_i时对应的单位体积应变值，σ_i为差应力；

2)煤岩体扩容瓦斯突变瓦斯膨胀能计算

根据瓦斯压力变化产生的膨胀能原理，瓦斯煤扩容区瓦斯压力由P₁变为P₂时所产生的膨胀能W_p为：

Wp=P2V1n-1[(P1P2)n-1n-1]---(1-3)]]>

式中：W_p—瓦斯煤层扩容阶段瓦斯膨胀能，MJ/t；

P₂—含瓦斯煤扩容瓦斯压力突变后的值，MPa；

P₁—含瓦斯煤扩容瓦斯压力突变前的值，MPa；

n—绝热系数，对于瓦斯，n＝1.31；

V₁—参与扩容过程做功的吨煤瓦斯涌出量，该值接近煤内游离态瓦斯含量，m³/t；

对于游离态瓦斯含量V₁，按照气体状态方程可求得：

V1=VPT0TP0ξ---(1-4)]]>

式中：V₁—煤的游离态瓦斯含量，m³/t；

V—单位重量煤的孔隙容积，m³/t；取0.512ml/g

P—煤层瓦斯压力，MPa；

ξ—瓦斯压缩系数；取0.972

P₀—一个标准大气压力，MPa；

T—瓦斯的绝对温度，T＝273+t，t为瓦斯的摄氏温度℃；

假定含瓦斯煤扩容瞬间过程为绝热过程，因此T₀＝T，公式(1-4)可简化为：

3)煤岩体失稳破坏耗散能计算

以扩容临界点到应力峰值点为界，体积变形曲线与横坐标围成的阴影部分面积可表示为煤体损伤破坏过程中消耗的能量W_k：

Wk=∫ϵEϵBσidϵv---(1-6)]]>

式中：ε_v为体积应变值，ε_B为扩容临界点对应的体积应变值，σ_i为差应力，ε_E为峰值强度时对应的体积应变值；

根据含瓦斯煤岩体气固耦合扩容致灾机理，利用能量守恒定律，建立含瓦斯煤气固耦合扩容致灾能量判据模型：

Rk=(We+WP)Wk---(1-7)]]>

式中：We为煤岩体储存弹性变形能，J；Wp为释放的瓦斯膨胀能，J；Wk为扩容至煤岩体发生破坏过程中耗散的能量，J；

所述含瓦斯煤扩容时积聚的能量达到失稳所需能量WK时，即RK≥1时，达到发生动力灾害的临界值，就会发生动力灾害；当RK＜1时，煤岩体储存能量小于其破坏耗散所需的能量，此时无动力灾害发生；

进一步对含瓦斯煤气固耦合扩容致灾能量判据模型进行可靠性验证。