一種煤與瓦斯突出的預報方法
2023-05-24 18:44:01
專利名稱：一種煤與瓦斯突出的預報方法
技術領域：
本發明涉及一種預測煤與瓦斯突出的方法。
背景技術：
煤與瓦斯突出，是煤礦井下最嚴重的工業災害之一，發生頻率高，傷亡人數多。我國高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井佔50％以上，是世界上發生煤與瓦斯突出最嚴重的國家之一，累計突出次數約佔世界總突出次數的四成。上述情況表明，研究和實現煤與瓦斯突出的預報，對保障煤礦安全生產，特別是保證礦工的生命安全具有十分重要的意義。
現有煤與瓦斯突出的預報均是分析瓦斯的解吸量和煤的堅固性係數等參數，並根據工程經驗對瓦斯突出進行判定，上述判斷方法受人為因素影響大，並且沒有綜合考慮影響煤與瓦斯突出的各參數對實際煤與瓦斯突出的結果影響，直接影響了煤與瓦斯突出的預報結果。
發明內容
針對現有技術存在的問題，本發明提供一種綜合考慮地應力、瓦斯及煤巖體等因素後判斷煤與瓦斯突出是否可能發生的方法。
為實現上述目的，本發明的煤與瓦斯突出的預報方法，具體步驟如下 1)根據待測區域建立幾何模型； 2)給定待測區域的材料參數，初值和邊界條件； 3)根據固體變形方程和粘性氣體流動方程建立理論模型； 4)將材料參數，初值和邊界條件代入理論模型中計算出待測區域中煤與瓦斯突出點； 5)對步驟4)計算出的煤與瓦斯突出點標記後生成雲圖； 6)根據云圖中待測區域煤與瓦斯突出點標記的多少判斷該區域是否發生煤與瓦斯突出。
進一步，所述幾何模型是指待測區域的形狀及尺寸大小。
進一步，所述材料參數指煤體彈性模量均值、煤體彈性模量最小值、巖石彈性模量均值、巖石彈性模量最小值、抗拉強度均值、抗拉強度最小值、抗剪強度均值、抗剪強度最小值、彈性模量和強度的不均勻係數、煤體泊松比、巖體泊松比、滲透係數和瓦斯密度。
進一步，所述初值條件為瓦斯的初始壓力，所述邊界條件和所述幾何模型相關。
進一步，步驟4)中待測區域煤與瓦斯突出點利用有限元方法編制數值計算程序進行計算。
進一步，步驟4)中計算待測區域煤與瓦斯突出點的具體步驟為根據所述理論模型，輸入材料參數、初值和邊界條件計算有效應力，之後根據破壞準則來判斷煤巖體是否破壞；煤巖體達到破壞條件後，滲透率增大，彈性模量減小，這使瓦斯壓力明顯下降，煤巖體的破壞區域繼續擴展，直到瓦斯壓力梯度不足以使煤巖體破壞為止，根據公式
式中，
為瓦斯壓力梯度，Δx為計算時劃分網格的特徵尺度，σt為煤巖體的抗拉強度，χ為經驗係數，判斷煤體破壞區是否發生粉化，如果發生粉化則該區域發生煤與瓦斯突出。
進一步，所述煤巖體的破壞準則包括剪切破壞準則和拉伸破壞準則。
進一步，所述步驟5)中生成的雲圖為待測區域幾何模型中某一截面的雲圖。
本發明的煤與瓦斯突出的預報方法，首先建立判斷突出危險性的理論模型，之後採用有限元技術進行計算，來實現煤與瓦斯突出的預報。本發明的預報方法以完備的理論模型作為基礎，通過數值計算來實現煤與瓦斯突出的預報，在實際中容易操作，並可以大大降低工程費用。
圖1為本發明的煤與瓦斯突出的預報方法的流程圖； 圖2為根據理論模型的數值計算程序的計算流程圖； 圖3為揭石門數值模擬的幾何模型； 圖4為揭石門時的一次破壞範圍； 圖5為煤巷放炮掘進時的一次破壞範圍； 圖6為一維突出模擬實驗裝置示意圖； 圖7為一維突出模擬的幾何模型； 圖8為一維突出恆穩推進的瓦斯壓力空間分布圖； 圖9為一維突出恆穩推進的破壞陣面速度曲線。
具體實施例方式 本發明的煤與瓦斯突出的預報方法的工作流程如圖1所示， (1)理論模型 本發明採用氣固耦合模型研究煤巖體破壞，從而對突出危險性做出判斷。煤巖體服從固體變形方程，瓦斯服從粘性氣體流動方程。目前，有兩種方法描述氣固耦合，一種方法用孔隙率劃分各相的運動空間，用相間作用力反映兩相的相互作用；另一種方法，唯像地分別描寫各相運動，對固體採用有效應力概念，對氣體採用表觀滲流速度概念，涵蓋相互作用。本發明採用第二種方法。
描述瓦斯滲流的基本方程是 Darcy定律
i，j＝1，2，3 連續方程
i＝1，2，3 等溫條件
式中，vi為滲流速度，η為粘性係數，kij為滲透率，p為瓦斯壓力，φ為煤巖體的孔隙率，ρ為瓦斯密度，ρa為標準狀態下的瓦斯密度，pa為大氣壓力，G為瓦斯源。
根據這三個方程進行聯立，結合具體的初邊值條件，可以求得瓦斯壓力分布p。
描述含氣煤巖體的基本方程是 有效應力表達式σ′ij＝σij-αδijp i，j＝1，2，3 本構關係表達式σ′ij＝λεVδij+2μεiji，j＝1，2，3 幾何關係表達式
i，j＝1，2，3 平衡關係表達式
式中，σ′ij為有效應力，σij為總應力，α＝1.0為有效應力係數，δ為Kronic函數，p為瓦斯壓力，εV為體積應變，εij為應變，ui為位移，Fi為體積力(在本專利中即為重力)，λ、μ為拉梅係數，表達式為
其中E為彈性模量，v為泊松比。
根據這四個方程及具體的邊界條件，可以求得有效應力σ′ij，之後根據破壞準則來判斷煤巖體的破壞。
為了使預報方法更加接近實際，本發明還引入了煤巖介質的細觀非均勻性，即細觀物質單元的彈性模量、強度是服從威布爾分布的隨機變量。其分布密度函數表示為 式中，x為表示煤巖某力學性質的參數，γ為x的最小值，ηw為x的無量綱化特徵值，m為反映威布爾分布隨機散布程度的不均勻係數。
流-固兩場需要進行耦合計算。煤巖體變形導致材料破壞，改變煤巖體的滲透率、孔隙率及彈性模量，瓦斯壓力重新分布。而重新分布的瓦斯壓力又會影響煤巖體的平衡和變形。
煤巖體的破壞準則 剪切破壞準則表達式|τP|+ξσP-τs≥0 即材料的應力狀態滿足這個關係時，材料發生破壞。式中，τP、σP(σP以拉為正)分別為斜截面上的切應力和正應力，ξ為摩擦係數，τs為固有剪切強度。
拉伸破壞準則表達式 σ1≥σt 即材料的應力狀態滿足這個關係時，材料發生破壞。式中，σ1為最大主應力(以拉為正)，σt為材料的抗拉強度。
煤巖體達到破壞條件後，滲透率增大，彈性模量減小，這使瓦斯壓力明顯下降，煤巖體的破壞區域繼續擴展，直到瓦斯壓力梯度不足以使煤巖體破壞為止。在發生破壞的區域中，有部分煤巖體發生粉化現象，對粉化區域的處理方法是，如果滿足條件 式中，
為瓦斯壓力梯度，Δx為計算時劃分網格的特徵尺度，σt為煤巖體的抗拉強度，χ為經驗係數，那麼瓦斯壓力繼續下降 式中，pP為粉化後的瓦斯壓力，pF為破壞區域的瓦斯壓力，γ為經驗係數。
採用這樣的方法，可以近似模擬煤層粉化後的瓦斯壓力分布。(2)根據理論模型，編制數值計算程序，分析煤層破壞區和粉化區的發展過程，當破壞區域形成連通區域，並且在破壞區域內發生粉化現象，說明會發生瓦斯突出。
以下通過實際情況和模擬實驗對本發明的預報方法進行具體說明 實施例1判斷揭石門是否發生突出的步驟 (1)建立揭石門的幾何模型，模型及尺寸如圖3所示。
(2)給定煤層和巖層的材料參數。
煤體彈性模量均值E＝1.0×109Pa，煤體彈性模量最小值E＝1.0×108Pa 巖石彈性模量均值E＝1.0×1010Pa，巖石彈性模量最小值E＝1.0×109Pa 抗拉強度均值σt＝0.6×106Pa，抗拉強度最小值σt＝0.6×105Pa， 抗剪強度均值σt＝2.0×107Pa，抗剪強度最小值σt＝2.0×106Pa 彈性模量和強度的不均勻係數m＝10 煤體泊松比v＝0.25，巖體泊松比v＝0.25 滲透係數k0＝7.62×10-15m2， 瓦斯密度ρa＝0.8kg/m3。
(3)給定初值和邊界條件。
瓦斯初始壓力為1.22MPa，幾何模型的六個面始終保持這個壓力，巖巷的四個面和石門為大氣壓力。同時，在六個面上加相當於地面以下200米深度的法向位移。
(4)根據理論模型，用有限元方法編制數值計算程序，將幾何模型劃分為46300個六面體單元，50528個節點。運行計算程序，其中計算程序的流程如圖2所示。
(5)對計算結果進行分析，判斷是否會發生瓦斯突出。圖4為揭石門煤層破壞區域的三維數值模擬結果，顯示的是沿巷道中心面的剖面圖。當flag大於+1時為拉伸破壞區，小於-1時為剪切破壞區。根據本專利建立的理論模型，凡是|flag|≥1的連成一片的區域可能發生突出，需要採取一定的工程措施。
實施例2判斷煤巷放炮掘進是否發生突出的步驟 煤巷放炮掘進與揭石門的判斷煤與瓦斯突出的不同之處在於計算參數和初邊界條件不同，其餘與實施1中步驟相同。
煤巷放炮掘進數值模擬的計算參數是 煤體彈性模量均值E＝1.0×109Pa，煤體彈性模量最小值E＝1.0×108Pa 巖石彈性模量均值E＝1.0×1010Pa，巖石彈性模量最小值E＝1.0×109Pa 抗拉強度均值σt＝0.8×106Pa，抗拉強度最小值σt＝0.8×105Pa， 抗剪強度均值σt＝3.0×107Pa，抗剪強度最小值σt＝3.0×106Pa 彈性模量和強度的不均勻係數m＝10，滲透係數k0＝7.62×10-15m2， 瓦斯密度ρa＝0.8kg/m3。
瓦斯初始壓力p0為1.22MPa，幾何模型的六個面上，加相當於地面以下137米深度的位移邊界條件。幾何模型共劃分為56460個六面體單元，62374個節點。
圖5為煤巷掘進時煤層破壞區域的三維數值模擬結果。
實施例3一維瓦斯突出恆穩推進 中國科學院力學研究所在1985年到1996年期間，做了大量一維煤與瓦斯突出模擬實驗裝置如圖6所示，了解了煤與瓦斯突出的基本現象。實驗中，將煤試樣壓入圓管中，用鋁箔將圓管分隔成高壓瓦斯區和普通大氣壓力區。當鋁箔破裂後，觀察煤試樣的突出情況。
本實施例與實施例1的區別在於建立的幾何模型、計算參數和初、邊界條件不同，其餘與實施例1步驟相同。
對一維瓦斯突出恆穩推進的數值模擬的幾何模型如圖7所示數值計算參數是 彈性模量均值E＝1.0×108Pa，彈性模量最小值E＝1.0×107Pa 抗拉強度均值σt＝8.0×103Pa，抗拉強度最小值σt＝8.0×102Pa 彈性模量和抗拉強度的不均勻係數m＝20 煤體泊松比v＝0.25，巖體泊松比v＝0.25 滲透係數k0＝7.62×10-13m2，瓦斯密度ρa＝0.8kg/m3，管壁摩擦力τ0＝0.021MPa 瓦斯初始壓力p0＝59.3kPa 幾何模型共劃分為2600個六面體單元，5859個節點。
根據數值模擬的結果，得到滲流場的壓力分布，如圖8所示。
這樣，恆穩推進就能夠實現，破壞陣面的速度隨時間的變化趨勢如圖9所示。
數值計算的結果，與實驗測得的突出波推進速度w＝5～6m/s一致。
實施例4一維層裂的數值模擬 本實施例的條件和實施例3類似，所不同的是瓦斯壓力較低。
數值計算的參數是 彈性模量均值E＝1.0×108Pa，彈性模量最小值E＝1.0×107Pa， 抗拉強度均值σt＝8.0×103Pa，抗拉強度最小值σt＝8.0×102Pa， 彈性模量和抗拉強度的不均勻係數m＝20 煤體泊松比v＝0.25，巖體泊松比v＝0.25 滲透係數k0＝7.62×10-13m2，瓦斯密度ρa＝0.8kg/m3，管壁摩擦力τ0＝0.028MPa 瓦斯初始壓力p0分別為26.8kPa，31.8kPa，33.2kPa，39.0kPa，45.3kPa，50.0kPa，54.8kPa，57.1kPa。
幾何模型共劃分為2600個六面體單元，5859個節點。
模擬層裂現象包括四個方面①破膜後出現層裂；②層裂發展到一定厚度時停止；③層裂按照一定的速度擴展；④裂片有一定的厚度和數目。
數值模擬與實驗結果符合的較好。
需要指出的是根據本發明的具體實施方式
所做出的任何變形，均不脫離本發明的精神以及權利要求記載的範圍。
權利要求
1.一種煤與瓦斯突出的預報方法，具體步驟如下
1)根據待測區域建立幾何模型；
2)給定待測區域的材料參數，初值和邊界條件；
3)根據固體變形方程和粘性氣體流動方程建立理論模型；
4)將材料參數，初值和邊界條件代入理論模型中計算出待測區域中煤與瓦斯突出點；
5)對步驟4)計算出的煤與瓦斯突出點標記後生成雲6)根據云圖中待測區域煤與瓦斯突出點標記的多少判斷該區域是否發生煤與瓦斯突出。
2.如權利要求1所述的煤與瓦斯突出的預報方法，其特徵在於，所述幾何模型是指待測區域的形狀及尺寸大小。
3.如權利要求1所述的煤與瓦斯突出的預報方法，其特徵在於，所述材料參數指煤體彈性模量均值、煤體彈性模量最小值、巖石彈性模量均值、巖石彈性模量最小值、抗拉強度均值、抗拉強度最小值、抗剪強度均值、抗剪強度最小值、彈性模量和強度的不均勻係數、煤體泊松比、巖體泊松比、滲透係數和瓦斯密度。
4.如權利要求1所述的煤與瓦斯突出的預報方法，其特徵在於，所述初值條件為瓦斯的初始壓力，所述邊界條件和所述幾何模型相關。
5.如權利要求1所述的煤與瓦斯突出的預報方法，其特徵在於，步驟4)中待測區域煤與瓦斯突出點利用有限元方法編制數值計算程序進行計算。
6.如權利要求1所述的煤與瓦斯突出的預報方法，其特徵在於，步驟4)中計算待測區域煤與瓦斯突出點的具體步驟為根據所述理論模型，輸入材料參數、初值和邊界條件計算有效應力，之後根據破壞準則來判斷煤巖體是否破壞；煤巖體達到破壞條件後，滲透率增大，彈性模量減小，這使瓦斯壓力明顯下降，煤巖體的破壞區域繼續擴展，直到瓦斯壓力梯度不足以使煤巖體破壞為止，根據公式
式中，
為瓦斯壓力梯度，Δx為計算時劃分網格的特徵尺度，σt為煤巖體的抗拉強度，χ為經驗係數，判斷煤體破壞區是否發生粉化，如果發生粉化則該區域發生煤與瓦斯突出。
7.如權利要求6所述的煤與瓦斯突出的預報方法，其特徵在於，所述煤巖體的破壞準則包括剪切破壞準則和拉伸破壞準則。
8.如權利要求1所述的煤與瓦斯突出的預報方法，其特徵在於，所述步驟5)中生成的雲圖為待測區域幾何模型中一截面的雲圖。
全文摘要
本發明公開了一種煤與瓦斯突出的預報方法，具體步驟如下1)建立幾何模型；2)給定待測區域的材料參數，初值和邊界條件；3)建立理論模型；4)將材料參數，初值和邊界條件代入理論模型中計算出待測區域中煤與瓦斯突出點；5)對步驟4)計算出的煤與瓦斯突出點標記後生成雲圖；6)根據云圖中待測區域煤與瓦斯突出點標記的多少判斷該區域是否發生煤與瓦斯突出。本發明的煤與瓦斯突出的預報方法，首先建立判斷突出危險性的理論模型，之後採用有限元技術進行計算，來實現煤與瓦斯突出的預報。本發明的預報方法以完備的理論模型作為基礎，通過數值計算來實現煤與瓦斯突出的預報，在實際中容易操作，並可以大大降低工程費用。
文檔編號E21F17/18GK101787898SQ20101011281
公開日2010年7月28日 申請日期2010年2月22日 優先權日2010年2月22日
發明者陳力, 喬繼延, 丁雁生, 李德聰 申請人:中國科學院力學研究所