一种确定Y型通风采空区地层应力分布的方法

摘要

本发明公开了一种确定Y型通风采空区地层应力分布的方法，属于瓦斯抽采领域，根据现场工况进行含瓦斯煤热流固耦合三轴渗流试验，得到煤样在应力-应变全过程中的渗透率，然后构建煤岩的有效体积应力强度方程、煤岩应力平衡方程、含瓦斯煤岩体的几何方程和弹塑性本构方程，然后将其导入Comsol Multiphysics系统，并输入相应的地层材料参数，通过迭代运算得出地层的应力分布结果。本发明对Y型通风采空区的地层应力分布测量得更加准确，能够使得Y型通风采空区瓦斯富集区域的定位更加准确，能够为瓦斯抽采中钻孔的布置提供更有针对性的指导。

主权项

1.一种确定Y型通风采空区地层应力分布的方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、根据现场工况进行含瓦斯煤热流固耦合三轴渗流试验，得到煤样在应力-应变全过程中的渗透率；步骤二、通过得到的煤样渗透率进行峰值点前关系K＝ak₀exp^(-bσ)和峰值点后关系K＝ck₀e^dσ中a、b、c、d的拟合，得到煤层渗透率与应力状态之间的关系；所述K为煤样渗透率，所述σ为煤岩的有效体积应力，所述a、b、c、d均为依据材料特性得到的参数；步骤三、建立煤岩的有效体积应力强度方程，所述煤岩的有效体积应力强度方程为${\sigma }_{\mathrm{ij}}^{\prime }={\sigma }_{\mathrm{ij}}-{\delta }_{\mathrm{ij}}(\mathrm{\phi p}+\frac{2a{\rho }_s\mathrm{RT}\ln (1+\mathrm{bp})}{3V_m});$所述σ′_ij为煤岩的有效应力分量，所述φ为煤岩的等效孔隙率，所述δ_ij为Kronecher符号，所述T为绝对温度，所述a为给定温度下的单位质量煤岩极限吸附量，所述b为吸附常数，所述ρ_s表示煤岩视密度，所述p为瓦斯压力，所述V_m为摩尔体积，V_m=22.4×10-3m³/mol，R为摩尔气体常数R=8.3143（J/（mol·K）），σ_ij为应力分量；建立煤岩应力平衡方程，所述煤岩应力平衡方程为σ′_ij,j+(βpδ_ij)+F_i＝0；所述β为瓦斯压缩因子，β=M_g/RT，M_g为瓦斯气体摩尔质量，F_i为体积力张量，所述δ_ij为Kronecher符号，所述σ′_ij,j为有效应力分量对坐标的偏导数，所述p为瓦斯压力；建立含瓦斯煤岩体的几何方程，所述含瓦斯煤岩体的几何方程为所述u_i,j和u_j,i均为位移分量，所述ε_ij为应变分量；建立弹塑性本构方程的增量方程，所述弹塑性本构方程的增量方程为$d{\sigma }_{\mathrm{ij}}^{\prime }=(\lambda {\delta }_{\mathrm{ij}}{\delta }_{\mathrm{kl}}+\mu ({\delta }_{\mathrm{ik}}{\delta }_{\mathrm{jl}}+{\delta }_{\mathrm{il}}{\delta }_{\mathrm{jk}}))({\mathrm{dϵ}}_{\mathrm{kl}}-{\mathrm{dϵ}}_{\mathrm{kl}}^p);$所述λ和μ为拉梅常数，所述σ′_ij为煤岩的有效应力分量的增量；步骤四、将所述煤岩的有效体积应力强度方程、煤岩应力平衡方程、含瓦斯煤岩体的几何方程和弹塑性本构方程的增量方程导入Comsol Multiphysics系统，并输入相应的地层材料参数，通过所述Comsol Multiphysics系统迭代运算得出地层的应力分布结果。