一種確定y型通風(fēng)采空區(qū)地層應(yīng)力分布的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種確定Y型通風(fēng)采空區(qū)地層應(yīng)力分布的方法，屬于瓦斯抽采領(lǐng)域，根據(jù)現(xiàn)場工況進(jìn)行含瓦斯煤熱流固耦合三軸滲流試驗(yàn)，得到煤樣在應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程中的滲透率，然后構(gòu)建煤巖的有效體積應(yīng)力強(qiáng)度方程、煤巖應(yīng)力平衡方程、含瓦斯煤巖體的幾何方程和彈塑性本構(gòu)方程，然后將其導(dǎo)入Comsol?Multiphysics系統(tǒng)，并輸入相應(yīng)的地層材料參數(shù)，通過迭代運(yùn)算得出地層的應(yīng)力分布結(jié)果。本發(fā)明對Y型通風(fēng)采空區(qū)的地層應(yīng)力分布測量得更加準(zhǔn)確，能夠使得Y型通風(fēng)采空區(qū)瓦斯富集區(qū)域的定位更加準(zhǔn)確，能夠?yàn)橥咚钩椴芍秀@孔的布置提供更有針對性的指導(dǎo)。
【專利說明】—種確定Y型通風(fēng)采空區(qū)地層應(yīng)力分布的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于瓦斯抽取領(lǐng)域，特別是涉及一種確定Y型通風(fēng)采空區(qū)地層應(yīng)力分布的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]礦井采掘空間的瓦斯來源主要是工作面和采空區(qū)涌出瓦斯以及鄰近層涌入瓦斯，其中采空區(qū)涌出瓦斯占采掘空間瓦斯涌出量的40%左右，有些礦井采空區(qū)涌出瓦斯占到采掘空間總瓦斯涌出量的60%?70%。因此，研究采空區(qū)瓦斯運(yùn)移及富集規(guī)律，對礦井瓦斯災(zāi)害防治、采空區(qū)瓦斯抽采和煤與瓦斯共采技術(shù)的實(shí)現(xiàn)具有重要的意義。
[0003]在礦體沒有開采之前，巖體處于平衡狀態(tài)。當(dāng)?shù)V體開采后，形成了地下空間，破壞了巖體的原始應(yīng)力場，引起巖體應(yīng)力重新分布，并一直延續(xù)到巖體內(nèi)形成新的平衡為止。在應(yīng)力重新分布過程中，圍巖產(chǎn)生變形、移動(dòng)甚至破壞，從而對工作面、巷道及圍巖產(chǎn)生壓力。根據(jù)礦山壓力理論，隨著工作面向前推進(jìn)，在工作面周圍將形成一個(gè)采動(dòng)應(yīng)力場，采動(dòng)應(yīng)力場及其影響范圍在垂直方向上形成“豎三帶”，由下向上分別為垮落帶、斷裂帶和彎曲帶。在水平方向上形成“橫三區(qū)”，沿工作面推進(jìn)方向分別為重新壓實(shí)區(qū)、離層區(qū)和煤壁支撐影響區(qū)。隨著工作面的向前推進(jìn)，采動(dòng)應(yīng)力場隨時(shí)空演化并形成采動(dòng)裂隙場，為瓦斯在采空區(qū)上覆巖層中的運(yùn)移和富集提供了通道和空間。由于對瓦斯在工作面附件及采空區(qū)的運(yùn)移與富集規(guī)律不甚清楚，傳統(tǒng)的穿層鉆孔抽采方法往往不能正確地確定鉆孔位置。
[0004]傳統(tǒng)的U型通風(fēng)方式，由于采空區(qū)漏風(fēng)導(dǎo)致采空區(qū)高濃度瓦斯匯聚于工作面上隅角，采用高位鉆孔抽采時(shí)，層位難以控制，瓦斯抽采效果難以得到充分的保證，乃至于利用高抽巷也不能從根本上解決上隅角瓦斯超限問題。在Y型通風(fēng)沿空留巷內(nèi)由布置在瓦斯富集區(qū)中的傾向抽采瓦斯鉆孔進(jìn)行抽采，瓦斯富集區(qū)不只是單純的位于Y型通風(fēng)工作面沿空留巷的采空區(qū)頂板斷裂帶，現(xiàn)場環(huán)境的不同會(huì)導(dǎo)致實(shí)際瓦斯富集區(qū)的變化。
[0005]在現(xiàn)有的沿空留巷Y型通風(fēng)采空區(qū)頂板卸壓瓦斯抽采的方法，未能解決如何確定Y型通風(fēng)采空區(qū)地層應(yīng)力分布的問題，從而導(dǎo)致無法準(zhǔn)確尋找Y型通風(fēng)采空區(qū)上覆巖層中的瓦斯的富集區(qū)域，以致抽采瓦斯鉆孔不能布置準(zhǔn)確，進(jìn)而導(dǎo)致不能對瓦斯進(jìn)行有效的抽采，對礦井瓦斯災(zāi)害防治影響極大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種能夠準(zhǔn)確的對Y型通風(fēng)采空區(qū)地層應(yīng)力分布進(jìn)行確定的方法。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種確定Y型通風(fēng)采空區(qū)地層應(yīng)力分布的方法，包括以下步驟:
[0008]步驟一、根據(jù)現(xiàn)場工況進(jìn)行含瓦斯煤熱流固耦合三軸滲流試驗(yàn)，得到煤樣在應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程中的滲透率；
[0009]步驟二、通過得到的煤樣滲透率進(jìn)行K = ak0exp(_bo)和K = ck0ed°中a、b、c、d的擬合，得到煤層滲透率與應(yīng)力狀態(tài)之間的關(guān)系；所述K為煤樣滲透率，所述σ為煤巖的有效體積應(yīng)力，所述Bkciexp(M)為峰值點(diǎn)前的煤樣滲透率，所述ck(ied°為峰值點(diǎn)后的煤樣滲透率，所述a、b、C、d均為依據(jù)材料特性得到的參數(shù)；
[0010]步驟三、建立煤巖的有效體積應(yīng)力強(qiáng)度方程，所述煤巖的有效體積應(yīng)力強(qiáng)度方程
【權(quán)利要求】
1.一種確定Y型通風(fēng)采空區(qū)地層應(yīng)力分布的方法，其特征在于包括以下步驟: 步驟一、根據(jù)現(xiàn)場工況進(jìn)行含瓦斯煤熱流固耦合三軸滲流試驗(yàn)，得到煤樣在應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程中的滲透率； 步驟二、通過得到的煤樣滲透率進(jìn)行峰值點(diǎn)前關(guān)系K = ak0exp(-bo)和峰值點(diǎn)后關(guān)系K=ck0ed°中a、b、C、d的擬合，得到煤層滲透率與應(yīng)力狀態(tài)之間的關(guān)系；所述K為煤樣滲透率，所述σ為煤巖的有效體積應(yīng)力，所述a、b、c、d均為依據(jù)材料特性得到的參數(shù)； 步驟三、建立煤巖的有效體積應(yīng)力強(qiáng)度方程，所述煤巖的有效體積應(yīng)力強(qiáng)度方程為.
2.如權(quán)利要求1所述的一種確定Y型通風(fēng)采空區(qū)地層應(yīng)力分布的方法，其特征是:在所述步驟四中，還包括在Comsol Multiphysics系統(tǒng)中的固體力學(xué)方程的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改的步驟。
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種確定Y型通風(fēng)采空區(qū)地層應(yīng)力分布的方法，其特征是:在所述步驟四中，還包括導(dǎo)入Drucker-Prager屈服方程和塑性強(qiáng)化方程到所述ComsolMultiphysics系統(tǒng)的步驟； 所述Drucker-Prager屈服方程為
4.如權(quán)利要求1所述的一種確定Y型通風(fēng)采空區(qū)地層應(yīng)力分布的方法，其特征是:所述據(jù)現(xiàn)場工況進(jìn)行含瓦斯煤熱流固耦合三軸滲流試驗(yàn)按以下步驟執(zhí)行: S1、煤樣試件安裝:用704硅橡膠將煤樣試件側(cè)面抹一層Imm左右的膠層，待抹上的膠層完全干透后，將煤樣放置于含瓦斯煤熱流固耦合三軸伺服滲流裝置的三軸壓力室中支撐軸上，用一段比煤樣長出40mm左右的圓筒熱縮管套在煤樣上，同時(shí)將加壓活塞桿放置于煤樣上，用熱風(fēng)將圓筒熱縮管均勻吹緊，以保證圓筒熱縮管與煤樣試件的外壁貼合，將煤樣試件上下兩端的圓筒熱縮管與支撐軸的重合部分、圓筒熱縮管與加壓活塞桿的重合部分分別用金屬箍箍住，在煤樣試件上安裝鏈?zhǔn)綇较蛭灰埔煊?jì)； S2、裝機(jī):將三軸壓力室上座與下座對好位，將瓦斯進(jìn)氣管與加壓活塞桿上端進(jìn)氣孔連通，在瓦斯出氣管上設(shè)置流量計(jì)；向三軸壓力室排空充油，檢查各系統(tǒng)是否正常工作； S3、真空脫氣:打開試驗(yàn)容器的出氣閥門，用真空泵對試驗(yàn)容器內(nèi)的煤樣進(jìn)行脫氣； S4、吸附平衡:脫氣后，關(guān)閉試驗(yàn)容器的出氣閥門，將所述三軸壓力室降入恒溫水箱，設(shè)定恒溫水箱的溫度值，并對所述三軸壓力室施加恒定的軸壓和圍壓，調(diào)節(jié)高壓甲烷鋼瓶出氣閥門，保持瓦斯壓力固定，向所述煤樣試件內(nèi)充氣，使煤樣瓦斯充分吸附平衡； S5、進(jìn)行含瓦斯煤熱流固耦合三軸伺服滲流試驗(yàn)，得到滲透率與應(yīng)力狀態(tài)之間的關(guān)系。
【文檔編號】G01N15/08GK103809214SQ201410081726
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2014年3月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月7日
【發(fā)明者】尹光志, 李銘輝, 許江, 李文璞, 張東明, 黃滾, 王維忠, 蔣長寶, 韓佩博, 尚德磊, 宋真龍, 李星, 文莉軍, 康向濤 申請人:重慶大學(xué)