[发明专利]一种煤与瓦斯动力灾害的新型判别方法

说明书

技术领域

本发明涉及煤矿动力灾害防控技术领域，具体涉及一种煤与瓦斯动力灾害的新型判别方法。

背景技术

受采动作用，工作面瓦斯煤层发生扩容力学行为。工作面瓦斯煤层扩容引起瓦斯参数突变易诱发动力灾害的发生，给生产安全造成严重威胁。

随着开采深度的增加，受高采动应力影响，瓦斯煤层气固耦合扩容力学行为的演化本质复杂，气固耦合扩容作用下煤与瓦斯动力灾害越发严重，为有效防止煤与瓦斯动力灾害的发生，急需对工作面前方煤体扩容致灾进行预判。因此，准确预测计算工作面煤体扩容阶段能量的演化，并采取有效控制措施，对控制煤体扩容导致动力灾害具有重要意义，为有效防治煤与瓦斯动力灾害提供了新的理论依据。

目前，针对煤与瓦斯动力灾害预测研究主要是基于灾害预测指标和能量耗散和释放的原理。依据能量耗散和释放原理，煤与瓦斯动力灾害的驱动力主要为弹性变形能和瓦斯膨胀能，其阻力为含瓦斯煤破碎所需耗散能。而弹性变形能和耗散能通常依据应力-轴向应变曲线投影到横坐标围成的阴影部分面积进行计算分析，以含瓦斯煤抗压峰值强度为界限，在峰值强度前，应力-轴向应变曲线投影到横坐标轴围成的阴影部分面积计算其弹性变形能，峰值强度后至破坏部分阴影面积计算耗散能，该方法忽略了含瓦斯煤峰值强度前塑性变形导致的能量损失，将塑性变形损失的能量近似为弹性应变能，对不含瓦斯的岩石动力灾害预测，该方法满足工程实践要求，而对于含瓦斯煤岩体的气固耦合失稳破坏预测，若仍采用应力-轴向应变曲线投影到横坐标围成的阴影部分面积计算弹性变形能和耗散能，必然导致计算结果产生很大偏差，由于在高应力作用下，含瓦斯煤抗压峰值强度前扩容阶段发生塑性变形损失的能量较大，若仍采用近似忽略，显然已无法客观反映工程实际中的能量的演化规律，导致含瓦斯煤动力灾害的预判结果不合理。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明公开一种煤与瓦斯动力灾害的新型判别方法，能够解决现有能量预测理论技术中通常采用应力-轴向应变曲线表达能量的释放和耗散的片面性的问题。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种煤与瓦斯动力灾害的新型判别方法，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，

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：

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；