一種動力擾動誘導(dǎo)煤與瓦斯突出模擬實驗裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種動力擾動誘導(dǎo)煤與瓦斯突出模擬實驗裝置，它包括實驗箱體，實驗箱體的前后左右側(cè)板（5）、實驗箱體頂蓋（2）和實驗箱體底板（15）組成一個密封腔體，其特征在于：密封腔體中間通過透氣鋼板（30）隔開，實驗箱體底板（15）至透氣鋼板（30）之間的腔體為模擬模型腔，實驗箱體頂蓋（2）與透氣鋼板（30）之間安裝有千斤頂（3），密封腔體的左右側(cè)板上固定有應(yīng)力波傳導(dǎo)桿(13)，在實驗箱體上安裝有動力加載裝置（7），在密封腔體上安裝有數(shù)據(jù)檢測裝置；解決了現(xiàn)有技術(shù)誘導(dǎo)煤與瓦斯突出模擬實驗裝置沒有考慮遠(yuǎn)場集中動荷載的擾動和復(fù)雜地質(zhì)條件導(dǎo)致實驗結(jié)果不準(zhǔn)確不能有效預(yù)防和治理瓦斯等問題。
【專利說明】一種動力擾動誘導(dǎo)煤與瓦斯突出模擬實驗裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于模擬煤與瓦斯突出技術(shù)，尤其涉及一種動力擾動誘導(dǎo)煤與瓦斯突出模擬實驗裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著煤礦開采深度的增加，進入深部高應(yīng)力環(huán)境，地質(zhì)構(gòu)造的作用顯著增加，沖擊災(zāi)害的誘因轉(zhuǎn)變?yōu)橛山鼒黾徐o荷載的積聚和遠(yuǎn)場集中動荷載的擾動共同作用，煤與瓦斯突出災(zāi)害機理更加復(fù)雜，而現(xiàn)有的研究大多是靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)作用下的煤與瓦斯突出特性研究，導(dǎo)致復(fù)雜地質(zhì)條件下動力擾動誘導(dǎo)煤與瓦斯突出災(zāi)害不能進行有效的預(yù)測和防治，對礦山安全高效生產(chǎn)造成很大的威脅，特別是隨著開采深度的增大，這類災(zāi)害問題將變得更加突出。為此，必須加強對復(fù)雜地質(zhì)條件下動力擾動誘導(dǎo)煤與瓦斯突出機理的研究，特別是開采動力擾動、自重應(yīng)力場、構(gòu)造應(yīng)力場與滲流場的多物理場耦合作用下的煤與瓦斯突出機理的研究及相應(yīng)實驗設(shè)備的研制顯得尤為重要。目前，煤與瓦斯突出規(guī)律的研究方法主要有工程現(xiàn)場實驗、數(shù)值模擬、突出特性統(tǒng)計分析和實驗室相似模擬試驗，由于煤與瓦斯突出是一種復(fù)雜的動力現(xiàn)象，其發(fā)生的危險性和突發(fā)性使得很難開展實時監(jiān)測研究，因此通過實驗室相似模擬實驗是研究煤與瓦斯突出規(guī)律的有效方法。早在1951年前蘇聯(lián)的B.B.霍多特等人就進行了首次煤與瓦斯突出模擬試驗，開創(chuàng)了用模擬試驗研究煤與瓦斯突出規(guī)律的新手段，此后加拿大、日本等國學(xué)者先后開展了一系列煤與瓦斯突出相似模擬試驗。鄧全封等人于1989年首次開展了我國的煤與瓦斯突出模擬試驗研究，經(jīng)過近60年的研究和發(fā)展，煤與瓦斯突出模擬裝置得到長足的發(fā)展，由一維模擬實驗逐漸發(fā)展到三維模擬實驗，誘發(fā)突出的手段由早期的釆用雷管爆破到現(xiàn)在快速打開突出口及利用沖擊重塊施加沖擊荷載等手段，監(jiān)測監(jiān)控儀器、手段及監(jiān)控參數(shù)逐漸變得豐富，模擬煤樣尺寸、充氣壓力逐步變大，密封性也逐漸得到保證。但是，現(xiàn)有相似模擬裝置成在的一些不存在下述問題:
[0003]一、一般相似模擬裝置僅考慮靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)作用下的煤與瓦斯突出的特性研究，實際上，在我國8669次有明確作業(yè)方式記錄的突出事例中，有8362次有放炮、支護、落煤和打鉆等動力擾動作業(yè)方式誘發(fā)了突出，占96.5%，弄清楚動力擾動作用下煤與瓦斯突出發(fā)生規(guī)律對煤與瓦斯突出事故的預(yù)防和治理具有重要的作用。
[0004]二、礦產(chǎn)資源進入深部開采以后，受“三高一擾動”作用，煤與瓦斯突出動力災(zāi)害的誘因轉(zhuǎn)變?yōu)橛山鼒黾徐o荷載的積聚和遠(yuǎn)場集中動荷載的擾動共同作用，同時地質(zhì)構(gòu)造的作用也在顯著增加。但是，目前的相似模擬試驗并未開展復(fù)雜地質(zhì)條件下的動力擾動誘發(fā)煤與瓦斯突出的相似模擬試驗研究。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實用新型要解決的技術(shù)問題:提供一種動力擾動誘導(dǎo)煤與瓦斯突出模擬實驗裝置，以解決現(xiàn)有技術(shù)誘導(dǎo)煤與瓦斯突出模擬實驗裝置沒有考慮遠(yuǎn)場集中動荷載的擾動和復(fù)雜地質(zhì)條件導(dǎo)致實驗結(jié)果不準(zhǔn)確不能有效預(yù)防和治理瓦斯等問題。
[0006]本實用新型技術(shù)方案:
[0007]—種動力擾動誘導(dǎo)煤與瓦斯突出模擬實驗裝置，它包括實驗箱體，實驗箱體的前后左右側(cè)板、實驗箱體頂蓋和實驗箱體底板組成一個密封腔體，密封腔體中間通過透氣鋼板隔開，實驗箱體底板至透氣鋼板之間的腔體為模擬模型腔，實驗箱體頂蓋與透氣鋼板之間安裝有千斤頂，密封腔體的左右側(cè)板上固定有應(yīng)力波傳導(dǎo)桿，在實驗箱體上安裝有動力加載裝置，在密封腔體上安裝有數(shù)據(jù)檢測裝置。
[0008]實驗箱體底板和實驗箱體頂蓋之間有至少四根絲桿支撐，絲桿與實驗箱體底板和實驗箱體頂蓋之間通過螺母固定，動力加載裝置為擺錘，擺錘的擺桿連接在實驗箱體頂蓋左右側(cè)邊上，擺錘與實驗箱體頂蓋垂直時，擺錘的錘部與應(yīng)力波傳導(dǎo)桿的軸心在同一直線上，擺錘的頂端上設(shè)有發(fā)射器，擺錘與應(yīng)力波傳導(dǎo)桿的頂端之間設(shè)有測速器。
[0009]模擬模型腔從上至下是煤層頂板，煤層和煤層底板，煤層內(nèi)部開有巷道。
[0010]模擬模型腔左右側(cè)板上粘貼有透氣墊，應(yīng)力波傳導(dǎo)桿穿過試驗箱體側(cè)板上的透氣墊進入煤層內(nèi)，應(yīng)力波傳導(dǎo)桿長度的30%-70%進入煤層。
[0011]煤層頂板內(nèi)安裝有第一位移計組和第一應(yīng)力計組；煤層底板內(nèi)安裝有第二位移計組和第二應(yīng)力計組；每組應(yīng)力計和每組位移計的數(shù)量至少6個。
[0012]煤層與煤層頂板之間鋪設(shè)有透明樹脂板，透明樹脂板內(nèi)部安裝有第二高速攝像頭，巷道內(nèi)架設(shè)有支護，第一高速攝像頭安裝在支護上，支護上還安裝有瓦斯?jié)舛忍筋^。
[0013]在煤層頂板和煤層底板內(nèi)部區(qū)域設(shè)有至少二組聲波探頭和一組微震探頭。
[0014]實驗箱體的后、左和右側(cè)板上分別開有第一進氣孔、第二進氣孔和第三進氣孔，在后、左、右和前側(cè)板上分別設(shè)有第一氣壓計組、第二氣壓計組、第三氣壓計組和四氣壓計組。
[0015]本實用新型的有益效果:
[0016]采用本實用新型技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型采用擺錘擊打應(yīng)力波傳導(dǎo)桿前端產(chǎn)生動載荷，使該動載荷傳遞到相似模型煤層指定位置上形成動力擾動，在動力擾動、圍巖壓力和瓦斯壓力的綜合作用下煤樣破裂并從密封試驗箱體前側(cè)板開口突出；通過測速器監(jiān)測擺錘擊打應(yīng)力波傳導(dǎo)桿的速度，并通過檢測元件對突出前后的巷道瓦斯?jié)舛取⒌貞?yīng)力、頂?shù)装逦灰屏俊⒚簬r體的聲發(fā)射信號和微震信號等進行實時檢測，通過采集的數(shù)據(jù)信息就能為復(fù)雜地質(zhì)條件下的動力擾動誘導(dǎo)煤與瓦斯突出的發(fā)生規(guī)律研究提供可靠依據(jù)；本實用新型的方法簡單易行，所采用的裝置結(jié)構(gòu)簡單，使用效果好；解決了現(xiàn)有技術(shù)誘導(dǎo)煤與瓦斯突出模擬實驗裝置沒有考慮遠(yuǎn)場集中動荷載的擾動和復(fù)雜地質(zhì)條件導(dǎo)致實驗結(jié)果不準(zhǔn)確不能有效預(yù)防和治理瓦斯等問題。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本實用新型結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2是圖1的IIII剖視示意圖。

【具體實施方式】
[0019]一種動力擾動誘導(dǎo)煤與瓦斯突出模擬實驗裝置，它包括實驗箱體，實驗箱體的前后左右側(cè)板5、實驗箱體頂蓋2和實驗箱體底板15組成一個密封腔體，密封腔體中間通過透氣鋼板30隔開，實驗箱體底板15至透氣鋼板30之間的腔體為模擬模型腔，實驗箱體頂蓋2與透氣鋼板30之間安裝有千斤頂3，密封腔體的左右側(cè)板上固定有應(yīng)力波傳導(dǎo)桿13，在實驗箱體上安裝有動力加載裝置7，在密封腔體上安裝有數(shù)據(jù)檢測裝置。
[0020]千斤頂3提供提供垂直地應(yīng)力。
[0021]透氣鋼板30的作用是使箱體內(nèi)的煤層受到的千斤頂?shù)牧δ芫鶆蚍植迹挥捎谕笟怃摪?0具有透氣性，使瓦斯等氣體較好的解吸和滲透于實驗箱體內(nèi)的對象中。
[0022]實驗箱體底板15和實驗箱體頂蓋2之間有至少四根絲桿4支撐，絲桿與實驗箱體底板15和實驗箱體頂蓋2之間通過螺母I固定，動力加載裝置7為擺錘，擺錘的擺桿連接在實驗箱體頂蓋2左右側(cè)邊上，擺錘與實驗箱體頂蓋2垂直時，擺錘的錘部與應(yīng)力波傳導(dǎo)桿13的軸心在同一直線上，擺錘上設(shè)有發(fā)射器，擺錘與應(yīng)力波傳導(dǎo)桿13的頂端之間設(shè)有測速器，通過控制發(fā)射器發(fā)出擺錘的速度、控制擺錘的重量大小及擺錘幅度來控制動載荷的大小，通過應(yīng)力波傳導(dǎo)桿13傳導(dǎo)動力擾動誘導(dǎo)煤與瓦斯突出。
[0023]模擬模型腔從上至下是煤層頂板11，煤層24和煤層底板14，煤層24內(nèi)部開有巷道9。
[0024]模擬模型腔左右側(cè)板上粘貼有透氣墊6，應(yīng)力波傳導(dǎo)桿(13)穿過試驗箱體側(cè)板上的透氣墊6進入煤層24內(nèi)，應(yīng)力波傳導(dǎo)桿13長度的30%-70%進入煤層24，采用透氣墊6，使瓦斯等氣體較好使瓦斯解吸和吸附與煤層；應(yīng)力波傳導(dǎo)桿13長度的30%-70%進入煤層24，能夠使擺錘敲打產(chǎn)生的應(yīng)力波均勻的傳遞到煤層25內(nèi)，
[0025]煤層頂板11內(nèi)安裝有第一位移計組8和第一應(yīng)力計組32 ;煤層底板14內(nèi)安裝有第二位移計組32和第二應(yīng)力計組12 ;每組應(yīng)力計和每組位移計的數(shù)量至少6個；應(yīng)力計組的目的是為了檢測煤體應(yīng)力分布，位移計是為了檢測煤層頂板11和煤層底板24的變形情況。
[0026]煤層24與煤層頂板11之間鋪設(shè)有透明樹脂板10，透明樹脂板10內(nèi)部安裝有第二高速攝像頭25，巷道9內(nèi)架設(shè)有支護，第一高速攝像頭22安裝在支護上，支護上還安裝有瓦斯?jié)舛忍筋^21，設(shè)置透明樹脂板10的目的是方便第二高速攝像頭25用于拍攝煤體在煤層壓縮過程中的變化及突出過程；第一高速攝像頭22安裝在支護上以實現(xiàn)通過第一高速攝像頭22觀測煤壁及巷道圍巖變形，支護上還安裝有瓦斯?jié)舛忍筋^21，以實時檢測巷道瓦斯?jié)舛取?br> [0027]采用透明樹脂板10，為了方便安裝第二高速攝像頭25并方便拍攝其附近煤層擾動破壞情況。
[0028]在煤層頂板11和煤層底板14內(nèi)部區(qū)域設(shè)有至少二組聲波探頭18、29和一組微震探頭23。以實現(xiàn)進行動力擾動誘導(dǎo)煤與瓦斯突出過程中聲發(fā)射、微震信號的探測，根據(jù)信號類型判斷破裂巖石類型，并與聲發(fā)射、微震信號定位確定可以動力擾動誘導(dǎo)煤與瓦斯突出信號的特征。
[0029]實驗箱體的后、左和右側(cè)板上分別開有第一進氣孔17、第二進氣孔19和第三進氣孔20，進氣孔的目的是方便供氣，在后、左、右和前側(cè)板上分別設(shè)有第一氣壓計組16、第二氣壓計組26、第三氣壓計組27和四氣壓計組28，以便能夠均勻檢測模擬實驗裝置內(nèi)的氣體壓力，觀測煤體氣壓分布，所有進氣孔在試驗過程中需要密封堵塞。
[0030]一種動力擾動誘導(dǎo)煤與瓦斯突出模擬實驗裝置其試驗方法，它包括下述步驟:
[0031]步驟1、組裝實驗箱體和模擬模型腔內(nèi)的煤層結(jié)構(gòu)，按照模擬模型腔從上至下煤層頂板11，煤層24和煤層底板14，并安裝各個檢測器件；
[0032]步驟2、利用液壓千斤頂3對模擬模型腔施加初始壓力，使模擬模型腔內(nèi)的初始應(yīng)力達到0.1MPa以上。
[0033]步驟3、對實驗箱體進行抽真空，直到試驗箱體內(nèi)部氣壓小于50pa，然后通過進氣孔注入瓦斯；沒有用到的進氣孔密封堵塞。
[0034]步驟4、通過發(fā)射器發(fā)出擺錘擊打應(yīng)力波傳導(dǎo)桿(13)的前端產(chǎn)生動載荷，使該動載荷傳遞到模擬模型腔內(nèi)形成動力擾動，進而誘導(dǎo)煤與瓦斯突出；
[0035]步驟5、采集數(shù)據(jù):對煤與瓦斯突出發(fā)生前后巷道瓦斯?jié)舛取⒌貞?yīng)力、煤層頂板、煤層底板位移量、煤巖體的聲發(fā)射信號和微震信號進行實時檢測。
[0036]步驟3所述的通過進氣孔注入瓦斯，瓦斯的的注入方法為:從低壓到高壓逐級注入，各級之間壓力相差0.25Mpa，各級之間要間隔10-20分鐘；目的是在原巖應(yīng)力區(qū)煤體中逐漸形成越來越高的游離瓦斯壓力和吸附瓦斯量，確保待測相似模型的瓦斯壓力數(shù)值達到實驗要求。
[0037]下面進一步舉例對試驗方法進行細(xì)化說明:
[0038]1、參照某煤礦鉆孔資料，得到模擬模型腔試驗所需的煤(巖)層屬性，并按照模擬實驗的要求得到煤(巖)層的模擬強度值，利用砂子、碳酸鈣、石膏、硼砂等配制煤(巖)層相似材料，完成試驗箱體內(nèi)相似模擬模型的成型、數(shù)據(jù)檢測元件的安裝；
[0039]2、將相似模擬模型和相關(guān)檢測元件裝入試驗箱體的模擬模型腔中，利用液壓千斤頂加初始應(yīng)力，當(dāng)初始應(yīng)力大于0.1Mpa以上時，從前側(cè)板開口處開挖巷道，并施加適當(dāng)支護，在開挖過程中形成周邊支承壓力分布，并形成有效壁厚煤體；用真空泵將實驗箱體抽為真空；使氣壓小于50pa，然后通過進氣孔注入瓦斯，由周邊進氣孔注入瓦斯(為安全起見，可用CO2),瓦斯注入要從低壓到高壓逐級注入，各級要間隔一定時間，在原巖應(yīng)力區(qū)煤體中逐漸形成越來越高的游離瓦斯壓力和吸附瓦斯量，確保待測相似模型的瓦斯壓力數(shù)值達到實驗要求；
[0040]3、在模擬模型腔的初始應(yīng)力和瓦斯壓力達到所要求的數(shù)值后，通過發(fā)射器發(fā)出擺錘擊打應(yīng)力波傳導(dǎo)桿13產(chǎn)生動載荷，使該動載荷傳遞到模擬模型腔內(nèi)相似模型的煤層指定位置上形成動力擾動，在動力擾動、圍巖壓力和瓦斯壓力的綜合作用下煤樣破碎并從密封試驗箱體前側(cè)板的開口突出，通過高速攝像頭記錄煤與瓦斯突出過程；通過測速器測量擺錘從擊打應(yīng)力波傳導(dǎo)桿13前的速度，并通過檢測元件對突出前后的巷道瓦斯?jié)舛?、地?yīng)力、頂?shù)装逦灰屏俊⒚簬r體的聲發(fā)射信號和微震信號等進行實時檢測。
[0041]4、停止瓦斯(或CO2)供應(yīng)，卸去液壓千斤頂所施加的應(yīng)力，打開試驗箱體，取出相似模型模型，記錄分析相似模擬模型的破壞情況。
[0042]瓦斯壓力由濃度為99.9%的瓦斯(或CO2)罐提供，瓦斯?jié)B透速度有數(shù)字化瓦斯流量儀器測量。
[0043]實驗原理:實驗前先對實驗箱體進行真空處理，抽去相似模型空隙中的空氣，然后將其置于實驗平臺上。通過液壓千斤頂保持初始應(yīng)力恒定，通過瓦斯(或CO2)罐上的平衡閥來維持實驗過程中的瓦斯壓力恒定。待初始應(yīng)力和瓦斯壓力達到所要求的數(shù)值后，再開始通過發(fā)射器發(fā)出擺錘擊應(yīng)力波傳導(dǎo)桿13產(chǎn)生動載荷，使該動載荷傳遞到相似模型指定位置上形成動力擾動，在動力擾動、圍巖壓力和瓦斯壓力的綜合作用下煤樣破碎并從密封試驗箱體的下側(cè)突出。最后通過測速器、初始應(yīng)力控制器、瓦斯壓力控制器、位移計、應(yīng)力計、聲波探頭和微震探頭等儀器內(nèi)的數(shù)據(jù)，得出復(fù)雜地質(zhì)條件下的動力擾動誘導(dǎo)煤與瓦斯突出的發(fā)生規(guī)律。
【權(quán)利要求】
1.一種動力擾動誘導(dǎo)煤與瓦斯突出模擬實驗裝置，它包括實驗箱體，實驗箱體的前后左右側(cè)板(5)、實驗箱體頂蓋(2)和實驗箱體底板(15)組成一個密封腔體，其特征在于:密封腔體中間通過透氣鋼板(30)隔開，實驗箱體底板(15)至透氣鋼板(30)之間的腔體為模擬模型腔，實驗箱體頂蓋(2)與透氣鋼板(30)之間安裝有千斤頂(3)，密封腔體的左右側(cè)板上固定有應(yīng)力波傳導(dǎo)桿(13)，在實驗箱體上安裝有動力加載裝置(7)，在密封腔體上安裝有數(shù)據(jù)檢測裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種動力擾動誘導(dǎo)煤與瓦斯突出模擬實驗裝置，其特征在于:實驗箱體底板(15)和實驗箱體頂蓋(2)之間有至少四根絲桿(4)支撐，絲桿與實驗箱體底板(15)和實驗箱體頂蓋(2)之間通過螺母(I)固定，動力加載裝置(7)為擺錘，擺錘的擺桿連接在實驗箱體頂蓋(2)左右側(cè)邊上，擺錘與實驗箱體頂蓋(2)垂直時，擺錘的錘部與應(yīng)力波傳導(dǎo)桿(13)的軸心在同一直線上，擺錘的頂端上設(shè)有發(fā)射器，擺錘與應(yīng)力波傳導(dǎo)桿(13)的頂端之間設(shè)有測速器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種動力擾動誘導(dǎo)煤與瓦斯突出模擬實驗裝置，其特征在于:模擬模型腔從上至下是煤層頂板(11)，煤層(24)和煤層底板(14)，煤層(24)內(nèi)部開有巷道(9)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種動力擾動誘導(dǎo)煤與瓦斯突出模擬實驗裝置，其特征在于:模擬模型腔左右側(cè)板上粘貼有透氣墊(6)，應(yīng)力波傳導(dǎo)桿(13)穿過試驗箱體側(cè)板上的透氣墊(6)進入煤層(24)內(nèi)，應(yīng)力波傳導(dǎo)桿(13)長度的30%-70%進入煤層(24)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種動力擾動誘導(dǎo)煤與瓦斯突出模擬實驗裝置，其特征在于:煤層頂板(11)內(nèi)安裝有第一位移計組(8)和第一應(yīng)力計組(32);煤層底板(14)內(nèi)安裝有第二位移計組(32)和第二應(yīng)力計組(12);每組應(yīng)力計和每組位移計的數(shù)量至少6個。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種動力擾動誘導(dǎo)煤與瓦斯突出模擬實驗裝置，其特征在于:煤層(24)與煤層頂板(11)之間鋪設(shè)有透明樹脂板(10)，透明樹脂板(10)內(nèi)部安裝有第二高速攝像頭(25)，巷道(9)內(nèi)架設(shè)有支護，第一高速攝像頭(22)安裝在支護上，支護上還安裝有瓦斯?jié)舛忍筋^(21)。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種動力擾動誘導(dǎo)煤與瓦斯突出模擬實驗裝置，其特征在于:在煤層頂板(11)和煤層底板(14)內(nèi)部區(qū)域設(shè)有至少二組聲波探頭(18、29)和一組微震探頭(23)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種動力擾動誘導(dǎo)煤與瓦斯突出模擬實驗裝置，其特征在于:實驗箱體的后、左和右側(cè)板上分別開有第一進氣孔(17)、第二進氣孔(19)和第三進氣孔(20)，在后、左、右和前側(cè)板上分別設(shè)有第一氣壓計組(16)、第二氣壓計組(26)、第三氣壓計組(27)和四氣壓計組(28)。
【文檔編號】G01N3/00GK204214713SQ201420456712
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2014年8月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月14日
【發(fā)明者】左宇軍, 潘超, 張義平, 李偉, 李希建, 謝雄剛 申請人:貴州大學(xué)