[发明专利]一种模拟热力耦合下煤体流固热化多场耦合的实验方法

说明书

本发明公开了一种模拟热力耦合下煤体流‑固‑热‑化多场耦合的实验方法，包括如下步骤：煤样制备；装载试件、煤样气体吸附；设定型煤试件的初始围压、初始温度和初始轴向应力，以及温度和轴向应力的加载阈值；注入氧气，型煤试件升温；第一次数据采集；实施温度和应力联合加载；第二次数据采集；建立煤体渗流‑应力‑温度‑化学多场耦合模型，结合数值模拟方法研究揭示热力耦合下煤体的流‑固‑热‑化耦合作用机制。本发明实现了煤层应力加载下的自燃升温规律实验室模拟，可以用于定量研究热力耦合作用下煤体的应力‑应变关系、煤体的渗透性演化以及煤‑氧反应规律，为煤层自然发火地点和时间的预测，以及自燃最佳防控时机的确定提供依据。

技术领域

本发明涉及一种模拟井下含瓦斯易自燃煤体耦合全过程的实验方法，属于煤矿生产中瓦斯治理和火灾防控技术领域。

背景技术

我国煤炭资源禀赋与长期的旺盛需求导致煤炭开发以每年10～25m的速度向深部转移，平均开采深度达700m左右，超过1000m的矿井达47对。随着开采深度增加，煤层瓦斯含量和压力不断增高，地温增大，大量浅部瓦斯矿井升级为高瓦斯甚至煤与瓦斯突出矿井，不易自燃煤层转变成自燃甚至容易自燃煤层，导致瓦斯与煤自燃灾害交织共生。据2012年对国内重点煤矿中的301对矿井调研发现有32.3％的矿井为瓦斯与煤自燃灾害共生高瓦斯易自燃矿井，此类型矿井煤层瓦斯抽采中可能伴生煤氧化放热反应现象，如不及时预控可能引发煤自燃甚至管路瓦斯爆炸风险。如某矿13330高瓦斯易自燃工作面实施顺层钻孔预抽瓦斯时，受上部邻近煤层采动影响，煤巷和钻孔周边的煤体破碎程度大，瓦斯抽采引起巷道空气渗入煤体中，引发钻孔周边煤体破碎区富氧聚集、浮煤氧化升温。在钻孔孔端检测出大量CO气体，最高单孔CO浓度为501ppm，远远大于《煤炭安全规程》规定的24ppm，造成400多个钻孔紧急被迫关闭。

瓦斯与煤自燃复合共生灾害是多尺度、多时度和多物理过程耦合作用的结果，目前仍十分缺乏关于煤岩裂隙场、多组分气体扩散-渗流场、煤-氧反应化学场以及能量传输场之间的耦合作用关系的实验研究。20世纪70-80年代，国外学者J.Gawuga、V.V.Khodot、S.Harpalani等专家学者均在实验条件下研究了应力场、温度场等地球物理场中含瓦斯煤的力学性质与瓦斯渗流特性之间的流-固力学效应；20世纪后期，国内学者鲜学福院士、周世宁院士、林柏泉教授、赵阳升教授、李树刚教授等就含瓦斯煤的力学性质、变形特征及渗透特性等进行了大量的试验研究；随后，以尹光志教授、许江教授等为代表的国内学者，自主研发了煤层瓦斯开采的多场耦合物理模拟实验系统，对不同瓦斯压力、不同温度下煤体瓦斯抽采参数进行物理模拟。但是上述这些实验研究主要是模拟了不同环境温度对煤体力学特性、渗透性和气体流场瓦斯抽采的影响，并没有涉及煤层实际赋存的高温和高地应力环境下，含瓦斯煤体的煤-氧反应释热过程，缺乏对采动煤岩体裂隙场瓦斯抽采中可能伴生的煤自燃、瓦斯燃爆等次生灾害的实验分析方法。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种模拟井下含瓦斯易自燃煤体流-固-热-化多耦合全过程的实验方法，为热力耦合环境下深部煤层的开发以及灾害的防控提供依据。

为了实现上述目的，本发明模拟井下含瓦斯易自燃煤体耦合全过程的实验方法，包括以下步骤：

第一步、煤样制备，通过将块煤破碎-筛分-制模-加压-烘干之后制成实验所需型煤；

利用破碎机将块煤粉碎成煤粉颗粒，并进行筛分；然后将筛分后的煤粉颗粒加入少量纯净水，搅拌均匀后倒入型煤模具中；进而将模具置于压力机上压制成型，最后烘干后放入干燥箱备用；

第二步、装载试件，设定型煤试件的初始围压、初始温度和初始轴向压力，以及温度和轴向压力的加载阈值；

将型煤试件装入实验系统的煤岩芯夹持器中，然后利用伺服应力加载系统对试件施加初始围压和初始轴向压力，同时利用温度加载控制系统预设初始温度值，初始围压为5MPa，初始温度为20℃，初始轴向应力为2MPa，设定的温度和轴向应力的加载阈值分别为200℃和10MPa；