[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

摘要

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。

主权项

1.一种模拟热力耦合下煤体流固热化多场耦合的实验方法，其特征在于，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℃，初始轴向压力为2MPa，设定的温度和轴向压力的加载阈值分别为200℃和10MPa；第三步、煤样气体吸附；向煤岩芯夹持器中注入恒定压力的瓦斯气体直至监测到气体稳定流出为止，进而关闭与煤岩芯夹持器出气口相连的管路阀门，再持续充气48小时后，关闭与煤岩芯夹持器进气口相连的管路阀门；第四步、注入氧气，型煤试件升温；保持固定轴压、围压和温度10分钟后，向煤岩芯夹持器中注入恒定压力的氧气或者干空气30分钟；通过控温装置对系统逐渐升温，并通过测温装置监测煤岩芯夹持器内部试样温度变化；控温装置为安装在煤岩芯夹持器上的PTD仪表温控器；测温装置为安装在煤岩芯夹持器内部的测温探头；第五步、第一次数据采集；实时采集煤体压力、位移以及温度数据，同时监测当温度、压力恒定时多元气体的流量，并每隔一段时间收集一次多元气体，随后两小时内及时进行多元气体的色谱分析；第六步、热力耦合加载；步骤二后，固定围压保持5MPa不变，按照0.5℃/min和0.001kN/s的速度逐渐对试样进行温度和轴压联合加载；第七步、第二次数据采集；每升温20℃时保持恒温并固定轴压10分钟，在此期间参照步骤五进行相关数据的监测和采集；第八步、重复步骤六、步骤七直至温度加载阈值达到200℃或者轴向压力加载阈值达到10MPa，满足上述条件之一即结束实验；第九步、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。