CN102621231A - 多场耦合煤矿动力灾害大型模拟试验声发射装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多场耦合煤矿动力灾害大型模拟试验声发射装置，包括试件箱箱体，箱体上设置有探头安装孔；探头安装孔靠近箱体的内腔一端焊接有堵头，远离箱体的内腔一端配合有第一螺栓；堵头的外侧设置有声源探头；声源探头与第一螺栓的端面之间压装有弹簧；第一螺栓上设置有第一轴向通孔；第一轴向通孔内配合有第二螺栓；第二螺栓上设置有第二轴向通孔；声源探头的外接导线从第一轴向通孔和第二轴向通孔中接出。本发明可监测煤矿动力灾害发生前后煤岩体的声发射信号的时空演化规律，达到研究应力场、渗流场、温度场和裂隙场之间的内在联系及其在煤矿动力灾害过程中相互耦合作用机制的目的。

Description

多场耦合煤矿动力灾害大型模拟试验声发射装置

技术领域

本发明涉及一种模拟多场耦合作用机制下煤矿动力灾害过程试验的声发射装置。

背景技术

煤矿动力灾害是煤矿开采过程中，在高应力状态下积聚有大量弹性能的煤岩体，在一定的条件下突然发生破坏、冒落或抛出，使能量突然释放，呈现声响、震动以及气浪等明显动力效应的极其复杂的动力现象，它主要有煤与瓦斯突出、冲击地压和大面积冒顶三种主要形式，严重威胁煤矿的安全生产和矿工生命安全。动力灾害的发生是难以预测和把握的，其内在的作用途径和机理还没有被人类所彻底认识，而且随着煤矿开采深度的日益增加，煤矿动力灾害发生频率越来越高，强度也越来越大，矿井动力灾害的致灾机理、触发条件、演化规律以及显现特征越来越复杂化，目前，还缺乏对深部开采条件下动力灾害的孕育-发生-演化机理、基础科学问题以及预警防治对策的系统研究，因此加强对煤矿动力灾害机理、预测及其防治措施的研究非常重要。煤与瓦斯突出机理方面，大多学者认同综合作用假说，它认为煤岩与瓦斯突出是由地应力、瓦斯、煤的物理力学性质共同作用的结果，但三者在煤岩与瓦斯突出过程中的贡献程度究竟如何尚不甚清楚，而且瓦斯压力、煤层应力和煤体温度在煤与瓦斯突出前后的时空演化规律尚不十分明晰，因此煤岩与瓦斯突出机理仍不明确，这给煤矿动力灾害的防治工作制造了难题。

现有技术中，模拟煤矿动力灾害的试验装置主要存在以下问题：（1）所采用的模型尺寸较小，模拟动力灾害的发展过程有一定的空间限制；（2）装置安装的自动化程度较低；（3）装置密封性不高，模拟瓦斯压力不大，试验模拟瓦斯的压力不能接近现场情况；（4）突出口挡板的打开速度较慢或存在一定的延时，在一定程度上影响了煤与瓦斯突出的时间和强度，因此实际模拟情况与真实井下煤与瓦斯突出仍存在差别；（5）模拟的地应力不能完全模拟出采面由于采矿活动造成的局部应力集中；（6）突出模具内部的煤体参数采集不够，多数情况是只采集了温度和瓦斯压力，且采集点较为单一，不能对煤矿动力灾害前后煤体内部的应力及温度发展规律进行分析研究。

因此本领域技术人员致力于开发一种能够准确模拟煤矿动力灾害过程的试验系统，以科学研究煤矿动力灾害机理。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种能够准确模拟煤矿动力灾害过程的试验系统。

为实现上述目的，本发明提供了一种多场耦合煤矿动力灾害大型模拟试验系统，包括机架和置于所述机架上的试件箱；所述试件箱包括箱体；所述箱体的上部通过螺栓固定连接有盖板；所述盖板上设置有至少三个Z向压杆套；各Z向压杆套内设置有Z向压杆；所述Z向压杆上固定连接有Z向压板；所述Z向压板位于所述箱体内；所述箱体的右箱板上设置有至少三个Y向压杆套；各Y向压杆套内设置有Y向压杆；所述Y向压杆上固定连接有Y向压板；所述Y向压板位于所述箱体内；所述箱体的后箱板上设置有至少一个X向压杆套；各X向压杆套内设置有X向压杆；所述X向压杆上固定连接有X向压板；所述X向压板位于所述箱体内；所述箱体的前箱板设置有突出口；所述箱体的底部设置有透气钢板和气道；所述透气钢板覆盖在所述气道上；所述气道的进口设置有内接插头；所述箱体的左箱板外部间隔固定连接有第一垫板；所述左箱板在各第一垫板的间隔之间设置有传感器接口；所述传感器接口中设置有传感器接头；所述机架包括底座；所述底座上固定有左立柱和右立柱；所述左立柱和右立柱的上端固定有横梁； 所述试件箱置于所述底座上；所述横梁上设置有与所述Z向压杆的数量和位置相对应的Z向加压缸；所述右立柱上设置有与所述Y向压杆数量和位置相对应的Y向加压缸；所述左立柱上设置有与所述第一垫板位置相对应的第二垫板；所述底座的后端固定连接有加座；所述加座上设置有与所述X向压杆的数量和位置相对应的X向加压缸；该试验系统还包括可与所述底座的前部固定连接的反力架；所述反力架包括底板；所述底板上设置有多个螺栓连接孔；所述底板的后部设置有立板；所述立板上设置有可与所述突出口相对的第一开口；所述立板的后部固定连接有门框；所述门框上设置有与所述第一开口相对的第二开口；所述门框对应所述第二开口处设置有可封堵所述突出口和所述第二开口的左推拉门和右推拉门；所述左推拉门与左气缸连接；所述右推拉门与右气缸连接；所述左推拉门和右推拉门的前门面的上下两个部位均与所述门框之间设置有第一滚子；所述左推拉门和右推拉门的上下两个侧面均与所述门框之间设置有第二滚子；所述左推拉门与右推拉门的正对面上分别设置有左密封板和右密封板；所述试件箱对应所述左推拉门和右推拉门的端部设置有第二密封圈。

为提高试件箱的密封性，所述箱体的左箱板、右箱板、前箱板和后箱板的顶部为阶梯结构，所述阶梯结构靠近所述箱体内腔的高度大于远离所述箱体内腔的高度，从而使所述箱体的顶部构成凸台；所述盖板与所述箱体扣合；在所述凸台处，所述盖板与所述箱体之间设置有密封垫；所述盖板与所述箱体在所述凸台处通过螺栓固定连接。

为适应突出口不同的尺寸要求，所述突出口内通过螺栓固定连接有突出套；所述突出套与所述前箱板之间设置有第一密封圈；所述第二密封圈设置在所述突出套与所述左推拉门和右推拉门相对的端部。

为获得煤与瓦斯突出孔洞形成过程及煤与瓦斯突出发展过程提供直接的数据，研究了孔洞的空间形态的时间演化规律，实现对煤与瓦斯突出过程中煤体破裂的时空演化现象可视化再现，研究煤体内部声发射的空间形态，所述箱体的箱板上设置有探头安装孔；所述探头安装孔靠近所述箱体的内腔一端焊接有堵头，远离所述箱体的内腔一端配合有第一螺栓；所述堵头的外侧设置有声源探头；所述声源探头与所述第一螺栓的端面之间压装有弹簧；所述第一螺栓上设置有第一轴向通孔；所述第一轴向通孔内配合有第二螺栓；所述第二螺栓上设置有第二轴向通孔；所述声源探头的外接导线从所述第一轴向通孔和第二轴向通孔中接出。

为提高声源探头的可靠性，所述第一轴向通孔包括锥孔；所述锥孔的孔径沿靠近所述箱体内腔的方向逐渐变小；所述第一轴向通孔内位于所述锥孔处设置有卡套；所述第二螺栓设置在所述卡套的外侧；所述卡套的前端为圆锥状，其锥度小于所述锥孔的锥度；所述卡套的前端沿轴向设置有至少两个开口槽；所述开口槽在圆周方向均布。

为便于试件箱放置到机架的底座上，所述试件箱与所述底座之间设置滚动底座；所述滚动底座包括与所述底座固定连接的滚动座和设置于所述滚动座内的滚动体。

为更真实的模拟井下采掘过程中不同顶板活动阶段时的煤层应力的复杂分布现象，所述盖板上固定连接有四个所述Z向压杆套；所述箱体的前端设置有四个所述Y向压杆套；所述箱体的左端设置有一个所述X向压杆套。

为避免三向加载力之间相互干涉，所述X向压板与其相邻的Z向压板的转角处设置有第一防干涉板；所述X向压板与其相邻的Y向压板的转角处设置有第二防干涉板；各所述Y向压板与其相邻的Z向压板的转角处设置有第三防干涉板。

为更准确的采集煤矿动力灾害前后煤岩体内部的参数，所述箱体的左箱板上平行设置有三行所述传感器接口；在靠近所述突出口的方向上，所述传感器接口的分布密度逐渐加大。

较佳的，所述传感器接口在每行设置有18个。

本发明的有益效果是：本发明可监测煤矿动力灾害发生前后煤岩体的声发射信号的时空演化规律，达到研究应力场、渗流场、温度场和裂隙场之间的内在联系及其在煤矿动力灾害过程中相互耦合作用机制的目的，从而更深层次地揭示煤矿动力灾害发生的机理，为煤矿动力灾害防治提供理论基础。

附图说明

图1是本发明一具体实施方式的结构示意图。

图2是图1的俯视结构示意图。

图3是图1的左视结构示意图。

图4是图1中A处的局部放大图。

图5是本发明一具体实施方式中试件箱的结构示意图。

图6是图5的俯视结构示意图。

图7是图5的左视结构示意图。

图8是图5中I处的局部放大图。

图9是图5中II处的局部放大图。

图10是图5中III处的局部放大图。

图11是图5中IV处的局部放大图。

图12是本发明一具体实施方式中声源探头的安装结构示意图。

图13是图12中V处的局部放大图。

图14是本发明一具体实施方式中卡套的结构示意图。

图15是图14的仰视图。

图16是本发明一具体实施方式中机架的结构示意图。

图17是图16的俯视结构示意图。

图18是图16的左视结构示意图。

图19是本发明一具体实施方式中反力架的结构示意图。

图20是图19的俯视结构示意图。

图21是图19的左视结构示意图。

图22是图19中VI处的局部放大图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1至图4所示，一种多场耦合煤矿动力灾害大型模拟试验系统，包括机架200和置于机架200上的试件箱100。

试件箱100包括箱体1，箱体1的左箱板、右箱板、前箱板和后箱板的顶部为阶梯结构，阶梯结构靠近箱体1内腔的高度大于远离箱体1内腔的高度，从而使箱体1的顶部构成凸台48。

如图5至图11所示，盖板4与箱体1扣合。在凸台48处，盖板4与箱体1之间设置有密封垫49，并且盖板4与箱体1在凸台48处通过螺栓固定连接。

本实施例中，盖板4上固定连接有四个Z向压杆套2，各Z向压杆套2内设置有Z向压杆3，Z向压杆3上固定连接有Z向压板11，Z向压板11位于箱体1内。在其他具体实施方式中，盖板4上也可固定连接三个以上的其他数量的Z向压杆套2，如3个、5个、6个等，以达到基本相同的技术效果。

箱体1的右箱板上设置有四个Y向压杆套5，各Y向压杆套5内设置有Y向压杆6，Y向压杆6上固定连接有Y向压板12，Y向压板12位于箱体1内。在其他具体实施方式中，右箱板上也可固定连接三个以上的其他数量的Y向压杆套5，如3个、5个、6个等，以达到基本相同的技术效果。

箱体1的后箱板上设置有一个X向压杆套7，各X向压杆套7内设置有X向压杆8，X向压杆8上固定连接有X向压板13，X向压板13位于箱体1内。在其他具体实施方式中，后箱板上也可固定连接其他数量的X向压杆套7，如2个、3个、4个等，以达到基本相同的技术效果。

X向压板13与其相邻的Z向压板11的转角处设置有第一防干涉板14，X向压板13与其相邻的Y向压板12的转角处设置有第二防干涉板59，各Y向压板12与其相邻的Z向压板11的转角处设置有第三防干涉板15。

本实施例中，三个方向的压杆套和压杆之间均依次设置有F4青铜复合材料导向带55、ST形轴用组合密封盒56、J形无骨防尘圈57，压杆套与箱体或盖板之间设置有密封垫58，同时结合本实施例中的其他密封结构，使试件箱的气密性达到6MP的标准；同时，这种密封结构使加载时摩擦力很小，并且安装方便。

箱体1的前箱板设置有突出口9，突出口9内通过螺栓固定连接有突出套10，突出套10与前箱板之间设置有第一密封圈47。将试件箱的突出处设计为可拆卸的结构，因此可通过更换不同内径的突出套10而满足不同的试验要求。

箱体1的底部设置有透气钢板16和气道17，透气钢板16覆盖在气道17上。气道17的进口设置有内接插头54，该内接插头54可与外接气管连接。

箱体1的左箱板外部间隔固定连接有四行第一垫板28，左箱板在各第一垫板28的间隔之间设置有一行传感器接口18，传感器接口18中设置有传感器接头19，该传感器接头19为航空接头。每行传感器接口18的数量为18个，并且在靠近突出口9的方向上，传感器接口18的分布密度逐渐加大。

本实施例中，各传感器接头19处可同时接入瓦斯气体压力传感器、煤层压力传感器和煤层温度传感器。其中，采用24个瓦斯气体压力传感器以测量瓦斯气体的压力和浓度，规格为10MPa，测量精度±1%；24个煤层压力传感器，规格为10MPa，测量精度±1%；12个煤层温度传感器，规格为0～100℃，测量精度±1℃。将传感器与8个8通道数据采集板连接，8通道数据采集板通过集线器与计算机系统进行通信，从而构成数据采集系统，实现数据的采集、传输、显示和保存。

各传感器可在试件箱上均布，也可以调节三种传感器在试件箱内的测量位置以满足不同扰动过程中的实际测试要求。一般的，可在试件箱的前部设置较为密集的传感器，以更准确的测量突出的相关数据。

箱体1的左、右箱板上的前部设置各有四个探头安装孔30，后部设置有两个探头安装孔30，各探头安装孔呈矩形排列。

如图12至图15所示，探头安装孔30靠近箱体1的内腔一端焊接有堵头31，远离箱体1的内腔一端配合有第一螺栓32。堵头31的外侧设置有声源探头33，声源探头33与第一螺栓32的端面之间压装有弹簧34。第一螺栓32上设置有第一轴向通孔35，第一轴向通孔35内配合有第二螺栓36，第二螺栓36上设置有第二轴向通孔37，第二轴向通孔37内设置有钢管64，声源探头33的外接导线62从第一轴向通孔35和第二轴向通孔37中的钢管64接出。

第一轴向通孔35包括锥孔35a，锥孔35a的孔径沿靠近箱体1内腔的方向逐渐变小。第一轴向通孔35内位于锥孔35a处设置有卡套38，第二螺栓36设置在卡套38的外侧。卡套38采用柔性材料，其前端为圆锥状，锥度小于锥孔35a的锥度。因此，当旋紧第二螺栓36时，卡套38的前端受到压迫而变形，从而夹住声源探头33的外接导线62；当松开第二螺栓36时，卡套38自动回复到初始形状，从而方便取出声源探头33。

本实施例中，当松开第二螺栓36时，为了使卡套38能更好的回复原状，卡套38采用9铬18钼不锈钢，并且卡套38的前端沿轴向设置有三个开口槽38a，开口槽38a在圆周方向均布。

如图16至18所示，机架200包括底座20，底座20上固定有左立柱21和右立柱22，左立柱21和右立柱22的上端固定有横梁23。底座20、左立柱21、右立柱22和横梁23均为箱式结构，其内均间隔设置有多个加强板51。

试件箱100置于底座20上。横梁23上设置有与Z向压杆3的数量和位置相对应的Z向加压缸24，右立柱22上设置有与Y向压杆6数量和位置相对应的Y向加压缸25，左立柱21上设置有与第一垫板28位置相对应的第二垫板29。加压时，Y向加压缸25施加在试件箱100上的作用力通过第一垫板28和第二垫板29传递给左立柱21。

底座20的后端固定连接有加座26，加座26上设置有与X向压杆8的数量和位置相对应的X向加压缸27。

如图19至22所示，该试验系统还包括可与底座20的前部固定连接的反力架63。反力架63包括底板66，底板66上设置有多个螺栓连接孔67，以使反力架63可与底座20通过螺栓固定连接。底板66的后部设置有立板68，立板68上设置有可与突出口9相对的第一开口43，立板68的后部固定连接有门框52。

门框52设置有与第一开口43相对的第二开口53。门框52对应第二开口53处设置有可封堵突出口9和第二开口53的左推拉门39和右推拉门40，左推拉门39与左气缸41连接，右推拉门40与右气缸42连接。

左推拉门39和右推拉门40的前门面的上下两个部位均与门框52之间设置有第一滚子49，左推拉门39和右推拉门40的上下两个侧面均与门框52之间设置有第二滚子50。

第二开口53呈台阶状，门框52在第二开口53靠近反力架63一侧的内孔固定连接有第一挡板60，在远离反力架63一侧的阶梯面上固定连接有第二挡板61。第一滚子49设置在第一挡板60和门框52之间，第二滚子50设置第二挡板61和门框52之间。第二挡板61同时将左推拉门39和右推拉门40压装在门框52上。第一滚子49的圆柱面与门框52和左推拉门39或右推拉门40接触；第二滚子50的圆柱面与门框52和左推拉门39或有推拉门40接触。

左推拉门39与右推拉门40的正对面上分别设置有左密封板44和右密封板45，突出套10与左推拉门39和右推拉门40相对的端部设置有第二密封圈46。

试件箱100与底座20之间设置滚动底座，滚动底座包括与底座20固定连接的滚动座3和设置于滚动座3内的滚动体65。

需要做试验时，按以下步骤操作：

（1）完成试件箱100内煤岩的成型和装配，以及各传感器和线路的连接；将内接插头54与气管相接，气管与真空泵和高压气瓶连接，气管上设置有三通阀；

（2）利用移动底座300将试件箱送入滚动底座，然后将试件箱推至预定的位置；

（3）启动数据采集系统，对试验开始前试件箱内的瓦斯压力、煤层应力和煤体温度进行采集； 

（4）脱气：保持X向、Y向和Z向的加压缸压力稳定在预定的压力值，检查试件箱的气密性，用真空泵进行脱气，脱气时间根据成型煤岩强度而定，但至少脱气24h，以保证良好的脱气效果； 

（5）充气：保持X向、Y向和Z向的加压缸压力不变，切换三通阀，通过气管向成型煤岩充瓦斯，充气48h以使煤岩吸附瓦斯达到平衡状态；

（6）突出：利用左气缸和右气缸突然打开突出口处的左推拉门和右推拉门进行突出；整个过程对试件箱内部的瓦斯压力、煤层应力和煤体温度进行无间断测量。

在其它具体实施方式中，充入的气体可以是甲烷、二氧化碳、氦气、氮气之一或其混合气体；也可进行冲击地压过程模拟试验。

本实施例中，所述移动底座300为可与底座20的前端固定连接的移动小车，移动小车的底部设置有滚轮，底部的前后两端设置有脚座。移动小车的上部设置有滚动体，滚动体的后方设置有液压缸，可利用液压缸将试件箱从滚动体上推入底座20上。

本实施例中，Z向的四个加压缸平均分布在试件箱上平面，可同时加载、也可分别加载，用于模拟试件箱内煤岩层不同压力，煤层压强最高可达10MPa；Y向的四个加压缸平均分布在试件箱右侧面，也可同时加载、可分别加载，用于模拟试件箱内煤岩层不同压力，煤层压强最高可达10MPa；X向加载是用一个200T液压缸来完成10MPa的煤层压力模拟。机架200设计为三向500T刚度，可完全满足试验时的刚度要求。

本实施例中，声发射定位系统可进行煤矿动力灾害过程中的声发射传播衰减机理研究，为煤岩与瓦斯突出预测提供基础；

声源探头接入美国物理声学公司（physical acoustics corporation ）的16CHs SAMOS  System声发射测试系统，从而构成声发射定位系统，该系统将对煤矿动力灾害过程中煤岩体破坏断裂产生的声发射信号进行定位，可实现对煤矿动力灾害过程中煤岩体破裂的时空演化现象可视化再现；声发射定位系统得出的声发射信号的时空定位将为煤矿动力灾害发展过程特别是煤岩与瓦斯突出孔洞形成过程及煤岩与瓦斯突出发展过程提供直接的数据，研究了孔洞的空间形态的时间演化规律，为煤岩与瓦斯突出机理研究提供可靠的近似现场实际的参数支持。

本实施例中，在煤岩与瓦斯突出模拟方面，通过全过程瓦斯压力测量，可实现对抽真空、充气、突出卸压过程中不同煤岩体位置中的瓦斯压力监测，分析不同阶梯荷载、不同煤岩物理力学特性等条件下抽真空和充气过程中的煤体中的瓦斯压力分布，进而得到抽真空和充气过程中煤层瓦斯流动的方向和速度及其与荷载分布状态、煤岩物理力学性质的关系；分析煤岩与瓦斯突出前煤层瓦斯压力变化，从而分析突出前瓦斯的解吸状态；分析煤岩与瓦斯突出过程中煤岩体不同位置的瓦斯压力变化与时间的关系，为认识煤岩与瓦斯突出孔洞的形成机制提供支持。

通过全过程温度测量，可以得到抽真空气体解吸和充气时瓦斯吸附过程中的温度变化与各因素之间的关系；分析突出和冲击地压前煤体的温度变化特性，为煤矿动力灾害预测提供基础；探索煤矿动力灾害发生前后煤体温度的变化；在以上分析的基础上，探讨温度对煤矿动力灾害的作用规律。

通过全程煤岩体应力监测，可分析工程扰动下煤岩体应力的分布状态及其与各因素间的关系；分析煤岩体破断前煤体的应力集中情况及煤体破断后集中应力往内部转移规律。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (2)

1.一种多场耦合煤矿动力灾害大型模拟试验声发射装置，包括试件箱箱体（1），其特征是：所述箱体（1）的箱板上设置有探头安装孔（30）；所述探头安装孔（30）靠近所述箱体（1）的内腔一端焊接有堵头（31），远离所述箱体（1）的内腔一端配合有第一螺栓（32）；所述堵头（31）的外侧设置有声源探头（33）；所述声源探头（33）与所述第一螺栓（32）的端面之间压装有弹簧（34）；所述第一螺栓（32）上设置有第一轴向通孔（35）；所述第一轴向通孔（35）内配合有第二螺栓（36）；所述第二螺栓（36）上设置有第二轴向通孔（37）；所述声源探头（33）的外接导线（62）从所述第一轴向通孔（35）和第二轴向通孔（37）中接出。

2.如权利要求1所述的多场耦合煤矿动力灾害大型模拟试验声发射装置，其特征是：所述第一轴向通孔（35）包括锥孔（35a）；所述锥孔（35a）的孔径沿靠近所述箱体（1）内腔的方向逐渐变小；所述第一轴向通孔（35）内位于所述锥孔（35a）处设置有卡套（38）；所述第二螺栓（36）设置在所述卡套（38）的外侧；所述卡套（38）的前端为圆锥状，其锥度小于所述锥孔（35a）的锥度；所述卡套（38）的前端沿轴向设置有至少两个开口槽（38a）；所述开口槽（38a）在圆周方向均布。

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