[发明专利]深部开采地热条件下煤岩体传热规律的模拟试验方法

说明书

本发明公开了一种深部开采地热条件下煤岩体传热规律的模拟试验方法，该模拟试验方法基于三向加载大型三维相似模拟试验系统，包括以下步骤：1)在试件箱内堆积岩层底板相似材料；2)在岩层底板及试件箱侧壁上铺设传感器、加热装置；3)在试件箱内堆积煤层相似材料，并在每个关键层上铺设传感器；4)在试件箱内堆积岩层顶板相似材料；5)标准试件的制备及热传导率；6)加载加热试验；7)数据处理及规律分析。该模拟试验方法能真实模拟深部开采地热条件下煤岩体传热规律，从而研究深部煤岩体的发育情况、传热规律、以及原岩动力地质条件下应力场与温度场间的耦合关系。

技术领域

本发明涉及一种基于三向加载大型三维相似模拟试验系统探究在不同应力条件下采掘煤岩体传热规律的方法，特别是在模拟深部开采时的复杂技术条件下探究煤岩体传热规律方法。

背景技术

目前，煤层开采主要集中在1500m以上的浅部及中浅部地层，对于3000米以下的深部煤层开采还涉足较少。随着煤层开采深度的增加地温也越来越高，温度梯度一般在30-50℃/km不等。岩体在非常规温度条件下，其力学、变形性质等发生很大变化，深部灾害难以控制。

同时，煤岩体在受到外荷载作用时，其内部的孔隙度发生变化，不同加载条件下孔隙度变化情况各不相同，势必会导致岩体的热导率发生变化，而热导率的变化将会影响热量的传导。

因此，探究在不同应力条件下煤岩体的传热规律对深部开采时控制地热灾害以及利用地热能将具有重要的指导意义。

发明内容

本发明旨在提供一种模拟试验方法，能真实模拟深部开采地热条件下煤岩体传热规律，从而研究深部煤岩体的发育情况、传热规律、以及原岩动力地质条件下应力场与温度场间的耦合关系。

为此，本发明所采用的技术方案为：一种深部开采地热条件下煤岩体传热规律的模拟试验方法，该模拟试验方法基于三向加载大型三维相似模拟试验系统，包括以下步骤：

1)在试件箱内堆积岩层底板相似材料

对平面建立oxyz坐标系，y方向为走向，x方向为倾向，z方向为高度方向，首先在试件箱内堆积岩层底板相似材料，岩层底板相对试件箱底平面的倾斜角度为8—15°，岩层底板最低处25—35cm，最高处60—70cm；

2)在岩层底板及试件箱侧壁上铺设传感器、加热装置

在岩层底板上部铺设压力传感器和温度传感器，压力传感器与温度传感器交错间隔铺设并整体呈矩形阵列分布，在岩层底板上安置五个加热装置，其中一个加热装置居中设置在岩层底板上，另外四个加热装置分别与岩层底板的四个转角一一对应呈矩形布置；除岩层底板外，在试件箱的每个内侧壁中部的等高位置处各布置一个加热装置，加热装置的额定最大功率为8—12kw,可调最低功率为2kw；

3)在试件箱内堆积煤层相似材料，并在每个关键层上铺设传感器

在试件箱内由下到上依次分层堆积煤层相似材料，在每个关键层上铺设压力传感器和温度传感器，布置方式与岩层底板处相同，并预留回采巷道，关键层的数量为3—5个；

4)在试件箱内堆积岩层顶板相似材料；

5)标准试件的制备及热传导率K的确定

按照与岩层底板、煤层、岩层顶板相同的相似配比制备至少四个圆柱体的标准试件，标准试件上下端面平行度不低于0.05mm；待标准试件干燥成型，再一一进行传热实验，确定其导热率K，求其平均值；

6)加载加热试验