一种模拟热力耦合下煤体流固热化多场耦合的实验方法与流程
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。
技术实现要素：
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；
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；
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混合量的流量，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；
步骤三后，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℃或者轴向应力加载阈值达到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。
优选的，步骤一中通过振动筛筛取粒径0.18mm～0.38mm的煤粉颗粒；压制模具时，将模具置于刚性液压压力机上，施加200kn的轴向载荷并保压30分钟；制备的试样统一打磨为高100mm，直径50mm的圆柱体煤样，两端面平行度小于0.02mm。
进一步的，步骤五和步骤七中采用气袋收集多元气体，所述多元气体至少需要收集三次气样。
进一步的，步骤五中每隔8分钟收集一次多元气体；步骤七中每隔5分钟收集一次多元气体。
进一步的，步骤五中，多元气体的流量较小时由流量计计量，多元气体的流量较大时由气排水装置计量，通过计算机预设程序自动判断选择所需计量工具；气体的组分及浓度通过安捷伦7890b气相色谱仪检测。
进一步的，步骤九中，煤体渗流-应力-温度-化学多场耦合模型至少包括：煤变形控制方程、煤-氧反应方程、气体扩散-渗流控制方程、能量传输控制方程以及交叉耦合控制方程。
进一步的，步骤四中的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。
进一步的，步骤六中，温度加载通过设在煤岩芯夹持器外端的恒温箱来实现；轴压加载通过轴压泵作用在轴压活塞上，将作用力传递到岩心端面。
进一步的，步骤五和步骤七中位移数据的采集是通过在煤岩芯夹持器中试样四周的不同方向安装应变片来实现。
进一步的，煤岩芯夹持器上还安装有环压监测装置、轴压监测装置和位移监测装置来分别监测型煤试件的围压、轴压和位移。
本发明的有益效果在于：
本发明可在实验室内模拟井下易自燃煤体的氧化升温情况，真实记录煤体的流-固-热-化多过程耦合作用，包括煤体在不同温度和应力下煤体的应力-应变关系、渗透率变化，以及温度加载下煤-氧加速反应所析出的多元氧化气体和碳氢气体的流量和成分等；
采用程序升温的办法加热煤样，获得一系列不同温度下的煤体升温氧化数据，解决了自然状态下实验固体煤体的氧化周期长一般长达数月甚至很难观察到氧化现象的难题，突破了传统煤自燃实验均是采用破碎粉煤开展研究，实现了含瓦斯易自燃固体煤氧化动力学的实验研究；
建立包括瓦斯-空气多元气体流动特征以及煤-氧反应热效应的流-固-热-化耦合模型，结合实验数据能够定量描述固体煤热力耦合环境下瓦斯与煤自燃协同致灾机制，为深部热力耦合环境下煤与瓦斯资源的协同开发及灾害防控提供了依据。
附图说明
图1是本发明的流程框图；
图2是本发明采用的实验系统结构示意图；
图3是本发明的含瓦斯煤体流固热化多场耦过程示意图；
图中：1、气瓶i；2、阀门i；3、压力表i；4、增压泵；5、管路阀门i；6、减压阀；7、环压监测装置；8、型煤试件；9、应力应变装置；10、气袋；11、气体质量流量计；12、干燥器；13、气动阀；14、冷凝器；15、气排水装置；16、出气口阀门；17、位移监测装置；18、轴压监测装置；19、控温装置；20、恒温箱；21、标准室；22、进气阀门ii；23、注入泵；24、气瓶ii；25、阀门ii；26、压力表ii；27、高压气体储罐；28、煤岩芯夹持器；29、控压阀门。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
以图2中的实验系统为例，一种模拟井下含瓦斯易自燃煤体耦合全过程的实验方法，如图1所示，包括以下步骤：
第一步、煤样制备，利用破碎机将块煤粉碎成煤粉颗粒，通过振动筛筛取粒径0.18mm～0.38mm的煤粉颗粒；称取筛分出的煤粉颗粒300g左右，加入少量纯净水，搅拌均匀后倒入型煤模具中；将模具置于刚性液压压力机上，施加200kn的轴向载荷并保压30分钟，将压制成功的型煤煤样倒模后取出，烘干后放入干燥箱备用；制备的试样统一打磨为高100mm，直径50mm的圆柱体煤样，两端面平行度小于0.02mm。
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；
将制备的型煤试件8装入煤岩芯夹持器28中，通过环压监测装置7预设初始围压为5mpa，由控温装置19设定初始温度为20℃，并利用轴压监测装置18设定初始轴向压力为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；具体操作如下：
煤岩芯夹持器28内嵌有瓦斯气源管孔，关闭进气阀门22和控压阀门29，打开阀门i2和管路阀门i5，将气瓶i1中的瓦斯气体经过增压泵4加压之后储存在高压气体储罐27中，向标准室21中注入气体1mpa后，关闭减压阀6，打开控压阀门29，通过控制向煤岩芯夹持器28中注入0.5mpa以上恒定压力的瓦斯气体30分钟后或直至通过量筒或烧杯监测到气体稳定流出为止，关闭与煤岩芯夹持器28出气口相连的出气阀门16，再持续充气时间48小时后，关闭与煤岩芯夹持器进气口相连的管路阀门i5。
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，打开阀门ii25，将气瓶ii24中的干空气或者氧气通过注入泵23加压,并打开进气阀门22向煤岩芯夹持器28中注入恒压干空气或者氧气，所述注入泵23具有通讯接口，可通过程序控制注入气体的流量和压力；岩芯夹持器28的内部通过ptd仪表温控器控制升温，并通过安装在煤岩芯夹持器内部的测温探头随时监测型煤试件的温度变化下情况。
第五步、第一次数据采集；
利用压力传感器实时采集煤体压力；煤岩芯夹持器中型煤试件8四周的不同方向安装应变片，将煤样上位移的变化转换为电阻变化并通过测试仪器得到应变数据；通过煤岩芯夹持器内部的测温探头采集试样温度数据；当温度、压力恒定时，监测解吸的多元气体的流量，并利用气袋每8分钟收集一次多元气体的气样，至少收集气样三次；收集后2小时内及时进行多元气体色谱分析；采集的数据以及色谱仪检测的气体组份及含量。数据记录参考如下实验数据记录表；
解吸的多元气体流量的计量主要利用气排水装置15的小流量计量和气体质量流量计11的大流量计量，具体操作如下：
打开气动阀13，降低出口压力到实验要求压力，解吸气体经气动阀13、冷凝器14、干燥器12，然后由气体质量流量计11计算解吸气体量；当流量较小时，程序控制气动阀13自动切换到由气排水装置15计量；气体由气袋10收集，其组分及浓度通过安捷伦7890b气相色谱仪检测；
回压出口处安装的冷凝器14主要用于流体冷却，防止出口流体温度过高，水蒸气被当做解吸气体排出，从而造成计量误差；干燥器12的作用是吸附解吸气中的水份，防止造成气体流量计损坏。
第六步、热力耦合加载；
煤岩芯夹持器28外端设有恒温箱20，开启恒温箱20，固定围压保持5mpa不变，通过温控仪上的通讯口将温度调到实验所需温度，待温度平稳后将待加压的溶液通过轴压泵提供动力，动力流体作用于轴压活塞，轴压活塞将作用力传递给煤岩芯夹持器28中的型煤试件8进行加压，温度和轴向应力加载阈值分别为200oc和10mpa，联合加载的速度分别是0.5℃/min和0.001kn/s。
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，其中多元气体的气样每隔5分钟采集一次。
第八步、重复步骤六、步骤七直至温度加载阈值达到200℃或者轴向应力加载阈值达到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；其煤体变形、基质瓦斯解吸-扩散、裂隙空气-瓦斯混流和煤氧化热能量传输等多场耦合模型如图3所示，具体计算过程如下：
(1)煤变形控制方程
综合考虑热膨胀/收缩效应、基质膨胀/收缩效应和孔隙压力改变，非等温煤体本构方程可以表示为：
式中：g＝e/2(1+υ)，k＝e/3(1-2υ)，α＝1-k/ks，εs＝εlvsg。
下表i、j均为方向坐标(可以表示x、y和z方向)，g为煤的剪切模量(mpa)，k、ks分别为煤和煤颗粒的体积模量(mpa)，e、es分别为煤和煤颗粒的杨氏模量(mpa)，υ为煤的泊松比，α为biot系数，αt为煤颗粒的热膨胀系数(k-1)，pf为煤裂隙的气体压力(mpa)，t为温度(k)，fi和ui(i＝x,y,z)分别为i方向的体力(n/m3)和位移(m)，εs为气体吸附/解吸引起的体积应变，εl为极限压力下煤的体积应变，vsg为修正的吸附气体含量系数：
式中：pm为煤基质中气体的压力(mpa)，tar为气体吸附/解吸参考温度(k)，pl为参考温度tar时瓦斯langmuir压力常数(mpa)，c1和c2分别为压力系数(mpa-1)和温度系数(k-1)。
(2)煤-氧反应方程
煤氧反应化学方程式为coal(s)+o2(g)→co2(g)+co(g)+h2o(g)+oxy-coal(s)+heat。煤氧化反应速度
式中：a为指前因子(s-1)，ea为活化能(kj/mol)，
多孔介质中氧气组分质量传输方程可以表示为：
式中：d为氧气分子扩散系数(m2/s)。
(3)气体扩散-渗流控制方程
煤基质和裂隙系统气体传输方程分别为：
式中：下表“m”和“f”分别表示煤体基质系统和煤体裂隙系统，p表示流体压力(pa)，vl为参考温度tar时对应的瓦斯langmuir体积常数(m3/kg)，ρs为煤的密度(kg/m3)，pa和ta分别为标况下气体的压力(mpa)和温度(k)，τ为瓦斯解吸-扩散时间(s)，t为时间(s)，τ为瓦斯解吸-扩散时间(s)，φ为煤的孔隙度，k为煤的孔隙度(m2)，μ为气体的平均动力粘度系数(n·s/m2)。
(4)能量传输控制方程：气体和煤颗粒之间的能量平衡方程可以表示为：
式中：(ρcp)eff＝(1-φ)ρscps+φρfcpf，κeff＝(1-φ)κs+φκf，
(5)煤体孔隙度演化模型
考虑煤自燃升温引起的煤基质膨胀和瓦斯解吸引起的煤基质收缩效应，煤孔隙度演化模型可以改写为：
φ＝α-(α-φ0)exp(s0-s)
式中：s＝εv+pf/ks-αtt-εs，s0＝εv0+pf0/ks-αtt0-εs0。εv为煤的体积应变，下标“0”为相应变量的初始状态。
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