一種模擬熱力耦合下煤體流固熱化多場耦合的實驗方法與流程

2023-10-09 16:58:54 5

本發明涉及一種模擬井下含瓦斯易自燃煤體耦合全過程的實驗方法，屬於煤礦生產中瓦斯治理和火災防控技術領域。

背景技術：

我國煤炭資源稟賦與長期的旺盛需求導致煤炭開發以每年10～25m的速度向深部轉移，平均開採深度達700m左右，超過1000m的礦井達47對。隨著開採深度增加，煤層瓦斯含量和壓力不斷增高，地溫增大，大量淺部瓦斯礦井升級為高瓦斯甚至煤與瓦斯突出礦井，不易自燃煤層轉變成自燃甚至容易自燃煤層，導致瓦斯與煤自燃災害交織共生。據2012年對國內重點煤礦中的301對礦井調研發現有32.3％的礦井為瓦斯與煤自燃災害共生高瓦斯易自燃礦井，此類型礦井煤層瓦斯抽採中可能伴生煤氧化放熱反應現象，如不及時預控可能引發煤自燃甚至管路瓦斯爆炸風險。如某礦13330高瓦斯易自燃工作面實施順層鑽孔預抽瓦斯時，受上部鄰近煤層採動影響，煤巷和鑽孔周邊的煤體破碎程度大，瓦斯抽採引起巷道空氣滲入煤體中，引發鑽孔周邊煤體破碎區富氧聚集、浮煤氧化升溫。在鑽孔孔端檢測出大量co氣體，最高單孔co濃度為501ppm，遠遠大於《煤炭安全規程》規定的24ppm，造成400多個鑽孔緊急被迫關閉。

瓦斯與煤自燃複合共生災害是多尺度、多時度和多物理過程耦合作用的結果，目前仍十分缺乏關於煤巖裂隙場、多組分氣體擴散-滲流場、煤-氧反應化學場以及能量傳輸場之間的耦合作用關係的實驗研究。20世紀70-80年代，國外學者j.gawuga、v.v.khodot、s.harpalani等專家學者均在實驗條件下研究了應力場、溫度場等地球物理場中含瓦斯煤的力學性質與瓦斯滲流特性之間的流-固力學效應；20世紀後期，國內學者鮮學福院士、周世寧院士、林柏泉教授、趙陽升教授、李樹剛教授等就含瓦斯煤的力學性質、變形特徵及滲透特性等進行了大量的試驗研究；隨後，以尹光志教授、許江教授等為代表的國內學者，自主研發了煤層瓦斯開採的多場耦合物理模擬實驗系統，對不同瓦斯壓力、不同溫度下煤體瓦斯抽採參數進行物理模擬。但是上述這些實驗研究主要是模擬了不同環境溫度對煤體力學特性、滲透性和氣體流場瓦斯抽採的影響，並沒有涉及煤層實際賦存的高溫和高地應力環境下，含瓦斯煤體的煤-氧反應釋熱過程，缺乏對採動煤巖體裂隙場瓦斯抽採中可能伴生的煤自燃、瓦斯燃爆等次生災害的實驗分析方法。

技術實現要素：

為解決上述問題，本發明提供一種模擬井下含瓦斯易自燃煤體流-固-熱-化多耦合全過程的實驗方法，為熱力耦合環境下深部煤層的開發以及災害的防控提供依據。

為了實現上述目的，本發明模擬井下含瓦斯易自燃煤體耦合全過程的實驗方法，包括以下步驟：

第一步、煤樣製備，通過將塊煤破碎-篩分-制模-加壓-烘乾之後製成實驗所需型煤；

利用破碎機將塊煤粉碎成煤粉顆粒，並進行篩分；然後將篩分後的煤粉顆粒加入少量純淨水，攪拌均勻後倒入型煤模具中；進而將模具置於壓力機上壓製成型，最後烘乾後放入乾燥箱備用；

第二步、裝載試件，設定型煤試件的初始圍壓、初始溫度和初始軸向壓力，以及溫度和軸向壓力的加載閾值；

將型煤試件裝入實驗系統的煤巖芯夾持器中，然後利用伺服應力加載系統對試件施加初始圍壓和初始軸向壓力，同時利用溫度加載控制系統預設初始溫度值，初始圍壓為5mpa，初始溫度為20℃，初始軸向應力為2mpa，設定的溫度和軸向應力的加載閾值分別為200℃和10mpa；

第三步、煤樣氣體吸附；

向煤巖芯夾持器中注入恆定壓力的瓦斯氣體直至監測到氣體穩定流出為止，進而關閉與煤巖芯夾持器出氣口相連的管路閥門，再持續充氣48小時後，關閉與煤巖芯夾持器進氣口相連的管路閥門；

第四步、注入氧氣，型煤試件升溫；

保持固定軸壓、圍壓和溫度10分鐘後，向煤巖芯夾持器中注入恆定壓力的氧氣或者幹空氣30分鐘；通過控溫裝置對系統逐漸升溫，並通過測溫裝置監測煤巖芯夾持器內部試樣溫度變化；

第五步、第一次數據採集；

實時採集煤體壓力、位移以及溫度數據，同時監測當溫度、壓力恆定時多元氣體混合量的流量，並每隔一段時間收集一次多元氣體，隨後兩小時內及時進行多元氣體的色譜分析。

第六步、熱力耦合加載；

步驟三後，固定圍壓保持5mpa不變，按照0.5℃/min和0.001kn/s的速度逐漸對試樣進行溫度和軸壓聯合加載；

第七步、第二次數據採集；

每升溫20℃時保持恆溫並固定軸壓10分鐘，在此期間參照步驟五進行相關數據的監測和採集；

第八步、重複步驟六、步驟七直至溫度加載閾值達到200℃或者軸向應力加載閾值達到10mpa，滿足上述條件之一即結束實驗；

第九步、建立煤體滲流-應力-溫度-化學多場耦合模型，結合數值模擬方法研究揭示熱力耦合下煤體的流-固-熱-化耦合作用機制。

優選的，步驟一中通過振動篩篩取粒徑0.18mm～0.38mm的煤粉顆粒；壓制模具時，將模具置於剛性液壓壓力機上，施加200kn的軸向載荷並保壓30分鐘；製備的試樣統一打磨為高100mm，直徑50mm的圓柱體煤樣，兩端面平行度小於0.02mm。

進一步的，步驟五和步驟七中採用氣袋收集多元氣體，所述多元氣體至少需要收集三次氣樣。

進一步的，步驟五中每隔8分鐘收集一次多元氣體；步驟七中每隔5分鐘收集一次多元氣體。

進一步的，步驟五中，多元氣體的流量較小時由流量計計量，多元氣體的流量較大時由氣排水裝置計量，通過計算機預設程序自動判斷選擇所需計量工具；氣體的組分及濃度通過安捷倫7890b氣相色譜儀檢測。

進一步的，步驟九中，煤體滲流-應力-溫度-化學多場耦合模型至少包括：煤變形控制方程、煤-氧反應方程、氣體擴散-滲流控制方程、能量傳輸控制方程以及交叉耦合控制方程。

進一步的，步驟四中的控溫裝置為安裝在煤巖芯夾持器上的ptd儀表溫控器；測溫裝置為安裝在煤巖芯夾持器內部的測溫探頭。

進一步的，步驟六中，溫度加載通過設在煤巖芯夾持器外端的恆溫箱來實現；軸壓加載通過軸壓泵作用在軸壓活塞上，將作用力傳遞到巖心端面。

進一步的，步驟五和步驟七中位移數據的採集是通過在煤巖芯夾持器中試樣四周的不同方向安裝應變片來實現。

進一步的，煤巖芯夾持器上還安裝有環壓監測裝置、軸壓監測裝置和位移監測裝置來分別監測型煤試件的圍壓、軸壓和位移。

本發明的有益效果在於：

本發明可在實驗室內模擬井下易自燃煤體的氧化升溫情況，真實記錄煤體的流-固-熱-化多過程耦合作用，包括煤體在不同溫度和應力下煤體的應力-應變關係、滲透率變化，以及溫度加載下煤-氧加速反應所析出的多元氧化氣體和碳氫氣體的流量和成分等；

採用程序升溫的辦法加熱煤樣，獲得一系列不同溫度下的煤體升溫氧化數據，解決了自然狀態下實驗固體煤體的氧化周期長一般長達數月甚至很難觀察到氧化現象的難題，突破了傳統煤自燃實驗均是採用破碎粉煤開展研究，實現了含瓦斯易自燃固體煤氧化動力學的實驗研究；

建立包括瓦斯-空氣多元氣體流動特徵以及煤-氧反應熱效應的流-固-熱-化耦合模型，結合實驗數據能夠定量描述固體煤熱力耦合環境下瓦斯與煤自燃協同致災機制，為深部熱力耦合環境下煤與瓦斯資源的協同開發及災害防控提供了依據。

附圖說明

圖1是本發明的流程框圖；

圖2是本發明採用的實驗系統結構示意圖；

圖3是本發明的含瓦斯煤體流固熱化多場耦過程示意圖；

圖中：1、氣瓶i；2、閥門i；3、壓力表i；4、增壓泵；5、管路閥門i；6、減壓閥；7、環壓監測裝置；8、型煤試件；9、應力應變裝置；10、氣袋；11、氣體質量流量計；12、乾燥器；13、氣動閥；14、冷凝器；15、氣排水裝置；16、出氣口閥門；17、位移監測裝置；18、軸壓監測裝置；19、控溫裝置；20、恆溫箱；21、標準室；22、進氣閥門ii；23、注入泵；24、氣瓶ii；25、閥門ii；26、壓力表ii；27、高壓氣體儲罐；28、煤巖芯夾持器；29、控壓閥門。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步說明。

以圖2中的實驗系統為例，一種模擬井下含瓦斯易自燃煤體耦合全過程的實驗方法，如圖1所示，包括以下步驟：

第一步、煤樣製備，利用破碎機將塊煤粉碎成煤粉顆粒，通過振動篩篩取粒徑0.18mm～0.38mm的煤粉顆粒；稱取篩分出的煤粉顆粒300g左右，加入少量純淨水，攪拌均勻後倒入型煤模具中；將模具置於剛性液壓壓力機上，施加200kn的軸向載荷並保壓30分鐘，將壓製成功的型煤煤樣倒模後取出，烘乾後放入乾燥箱備用；製備的試樣統一打磨為高100mm，直徑50mm的圓柱體煤樣，兩端面平行度小於0.02mm。

第二步、裝載試件，設定型煤試件的初始圍壓、初始溫度和初始軸向壓力，以及溫度和軸向壓力的加載閾值；

將製備的型煤試件8裝入煤巖芯夾持器28中，通過環壓監測裝置7預設初始圍壓為5mpa，由控溫裝置19設定初始溫度為20℃，並利用軸壓監測裝置18設定初始軸向壓力為2mpa，設定的溫度和軸向壓力的加載閾值分別為200℃和10mpa。

第三步、煤樣氣體吸附；具體操作如下：

煤巖芯夾持器28內嵌有瓦斯氣源管孔，關閉進氣閥門22和控壓閥門29，打開閥門i2和管路閥門i5，將氣瓶i1中的瓦斯氣體經過增壓泵4加壓之後儲存在高壓氣體儲罐27中，向標準室21中注入氣體1mpa後，關閉減壓閥6，打開控壓閥門29，通過控制向煤巖芯夾持器28中注入0.5mpa以上恆定壓力的瓦斯氣體30分鐘後或直至通過量筒或燒杯監測到氣體穩定流出為止，關閉與煤巖芯夾持器28出氣口相連的出氣閥門16，再持續充氣時間48小時後，關閉與煤巖芯夾持器進氣口相連的管路閥門i5。

第四步、注入氧氣，型煤試件升溫；保持固定軸壓、圍壓和溫度10分鐘後，打開閥門ii25，將氣瓶ii24中的幹空氣或者氧氣通過注入泵23加壓,並打開進氣閥門22向煤巖芯夾持器28中注入恆壓幹空氣或者氧氣，所述注入泵23具有通訊接口，可通過程序控制注入氣體的流量和壓力；巖芯夾持器28的內部通過ptd儀表溫控器控制升溫，並通過安裝在煤巖芯夾持器內部的測溫探頭隨時監測型煤試件的溫度變化下情況。

第五步、第一次數據採集；

利用壓力傳感器實時採集煤體壓力；煤巖芯夾持器中型煤試件8四周的不同方向安裝應變片，將煤樣上位移的變化轉換為電阻變化並通過測試儀器得到應變數據；通過煤巖芯夾持器內部的測溫探頭採集試樣溫度數據；當溫度、壓力恆定時，監測解吸的多元氣體的流量，並利用氣袋每8分鐘收集一次多元氣體的氣樣，至少收集氣樣三次；收集後2小時內及時進行多元氣體色譜分析；採集的數據以及色譜儀檢測的氣體組份及含量。數據記錄參考如下實驗數據記錄表；

解吸的多元氣體流量的計量主要利用氣排水裝置15的小流量計量和氣體質量流量計11的大流量計量，具體操作如下：

打開氣動閥13，降低出口壓力到實驗要求壓力，解吸氣體經氣動閥13、冷凝器14、乾燥器12，然後由氣體質量流量計11計算解吸氣體量；當流量較小時，程序控制氣動閥13自動切換到由氣排水裝置15計量；氣體由氣袋10收集，其組分及濃度通過安捷倫7890b氣相色譜儀檢測；

回壓出口處安裝的冷凝器14主要用於流體冷卻，防止出口流體溫度過高，水蒸氣被當做解吸氣體排出，從而造成計量誤差；乾燥器12的作用是吸附解吸氣中的水份，防止造成氣體流量計損壞。

第六步、熱力耦合加載；

煤巖芯夾持器28外端設有恆溫箱20，開啟恆溫箱20，固定圍壓保持5mpa不變，通過溫控儀上的通訊口將溫度調到實驗所需溫度，待溫度平穩後將待加壓的溶液通過軸壓泵提供動力，動力流體作用於軸壓活塞，軸壓活塞將作用力傳遞給煤巖芯夾持器28中的型煤試件8進行加壓，溫度和軸向應力加載閾值分別為200oc和10mpa，聯合加載的速度分別是0.5℃/min和0.001kn/s。

第七步、第二次數據採集；每升溫20℃時保持恆溫並固定軸壓10分鐘，在此期間參照步驟五進行相關數據的監測和採集，其中多元氣體的氣樣每隔5分鐘採集一次。

第八步、重複步驟六、步驟七直至溫度加載閾值達到200℃或者軸向應力加載閾值達到10mpa，滿足上述條件之一即結束實驗。

第九步、建立煤體滲流-應力-溫度-化學多場耦合模型，結合數值模擬方法研究揭示熱力耦合下煤體的流-固-熱-化耦合作用機制；其煤體變形、基質瓦斯解吸-擴散、裂隙空氣-瓦斯混流和煤氧化熱能量傳輸等多場耦合模型如圖3所示，具體計算過程如下：

(1)煤變形控制方程

綜合考慮熱膨脹/收縮效應、基質膨脹/收縮效應和孔隙壓力改變，非等溫煤體本構方程可以表示為：

式中：g＝e/2(1+υ)，k＝e/3(1-2υ)，α＝1-k/ks，εs＝εlvsg。

下表i、j均為方向坐標(可以表示x、y和z方向)，g為煤的剪切模量(mpa)，k、ks分別為煤和煤顆粒的體積模量(mpa)，e、es分別為煤和煤顆粒的楊氏模量(mpa)，υ為煤的泊松比，α為biot係數，αt為煤顆粒的熱膨脹係數(k-1)，pf為煤裂隙的氣體壓力(mpa)，t為溫度(k)，fi和ui(i＝x,y,z)分別為i方向的體力(n/m3)和位移(m)，εs為氣體吸附/解吸引起的體積應變，εl為極限壓力下煤的體積應變，vsg為修正的吸附氣體含量係數：

式中：pm為煤基質中氣體的壓力(mpa)，tar為氣體吸附/解吸參考溫度(k)，pl為參考溫度tar時瓦斯langmuir壓力常數(mpa)，c1和c2分別為壓力係數(mpa-1)和溫度係數(k-1)。

(2)煤-氧反應方程

煤氧反應化學方程式為coal(s)+o2(g)→co2(g)+co(g)+h2o(g)+oxy-coal(s)+heat。煤氧化反應速度採用一階的簡單arrhenius方程來表示為：

式中：a為指前因子(s-1)，ea為活化能(kj/mol)，為氧氣的濃度(mol/m3)，r為通用氣體常數(j/(mol·k))，t為煤體溫度。

多孔介質中氧氣組分質量傳輸方程可以表示為：

式中：d為氧氣分子擴散係數(m2/s)。

(3)氣體擴散-滲流控制方程

煤基質和裂隙系統氣體傳輸方程分別為：

式中：下表「m」和「f」分別表示煤體基質系統和煤體裂隙系統，p表示流體壓力(pa)，vl為參考溫度tar時對應的瓦斯langmuir體積常數(m3/kg)，ρs為煤的密度(kg/m3)，pa和ta分別為標況下氣體的壓力(mpa)和溫度(k)，τ為瓦斯解吸-擴散時間(s)，t為時間(s)，τ為瓦斯解吸-擴散時間(s)，φ為煤的孔隙度，k為煤的孔隙度(m2)，μ為氣體的平均動力粘度係數(n·s/m2)。

(4)能量傳輸控制方程：氣體和煤顆粒之間的能量平衡方程可以表示為：

式中：(ρcp)eff＝(1-φ)ρscps+φρfcpf，κeff＝(1-φ)κs+φκf，κeff為各向同性多孔介質系統的有效熱傳導係數(j/(m·s·k))，(ρcp)eff為有效熱容(j/(kg·k))，qt為煤氧化熱生成量(j/(m3·s))，qh為消耗單位摩爾質量氧氣時煤的氧化生成熱(j/mol)。

(5)煤體孔隙度演化模型

考慮煤自燃升溫引起的煤基質膨脹和瓦斯解吸引起的煤基質收縮效應，煤孔隙度演化模型可以改寫為：

φ＝α-(α-φ0)exp(s0-s)

式中：s＝εv+pf/ks-αtt-εs，s0＝εv0+pf0/ks-αtt0-εs0。εv為煤的體積應變，下標「0」為相應變量的初始狀態。