CN104132844A - 一种动力扰动诱导煤与瓦斯突出模拟实验装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动力扰动诱导煤与瓦斯突出模拟实验装置及实验方法，它包括实验箱体，实验箱体的前后左右侧板（5）、实验箱体顶盖（2）和实验箱体底板（15）组成一个密封腔体，其特征在于：密封腔体中间通过透气钢板（30）隔开，实验箱体底板（15）至透气钢板（30）之间的腔体为模拟模型腔，实验箱体顶盖（2）与透气钢板（30）之间安装有千斤顶（3），密封腔体的左右侧板上固定有应力波传导杆(13)，在实验箱体上安装有动力加载装置（7），在密封腔体上安装有数据检测装置；解决了现有技术诱导煤与瓦斯突出模拟实验装置没有考虑远场集中动荷载的扰动和复杂地质条件导致实验结果不准确不能有效预防和治理瓦斯等问题。

Description

一种动力扰动诱导煤与瓦斯突出模拟实验装置及实验方法

技术领域

本发明属于模拟煤与瓦斯突出技术，尤其涉及一种动力扰动诱导煤与瓦斯突出模拟实验装置及实验方法。

背景技术

随着煤矿开采深度的增加，进入深部高应力环境，地质构造的作用显著增加，冲击灾害的诱因转变为由近场集中静荷载的积聚和远场集中动荷载的扰动共同作用，煤与瓦斯突出灾害机理更加复杂，而现有的研究大多是静态或准静态作用下的煤与瓦斯突出特性研究，导致复杂地质条件下动力扰动诱导煤与瓦斯突出灾害不能进行有效的预测和防治，对矿山安全高效生产造成很大的威胁，特别是随着开采深度的增大，这类灾害问题将变得更加突出。为此，必须加强对复杂地质条件下动力扰动诱导煤与瓦斯突出机理的研究，特别是开采动力扰动、自重应力场、构造应力场与渗流场的多物理场耦合作用下的煤与瓦斯突出机理的研究及相应实验设备的研制显得尤为重要。目前，煤与瓦斯突出规律的研究方法主要有工程现场实验、数值模拟、突出特性统计分析和实验室相似模拟试验，由于煤与瓦斯突出是一种复杂的动力现象，其发生的危险性和突发性使得很难开展实时监测研究，因此通过实验室相似模拟实验是研究煤与瓦斯突出规律的有效方法。早在1951年前苏联的B.B.霍多特等人就进行了首次煤与瓦斯突出模拟试验，开创了用模拟试验研究煤与瓦斯突出规律的新手段，此后加拿大、日本等国学者先后开展了一系列煤与瓦斯突出相似模拟试验。邓全封等人于1989年首次开展了我国的煤与瓦斯突出模拟试验研究，经过近60年的研究和发展，煤与瓦斯突出模拟装置得到长足的发展，由一维模拟实验逐渐发展到三维模拟实验，诱发突出的手段由早期的釆用雷管爆破到现在快速打开突出口及利用冲击重块施加冲击荷载等手段，监测监控仪器、手段及监控参数逐渐变得丰富，模拟煤样尺寸、充气压力逐步变大，密封性也逐渐得到保证。但是，现有相似模拟装置成在的一些不存在下述问题：

一、一般相似模拟装置仅考虑静态或准静态作用下的煤与瓦斯突出的特性研究，实际上，在我国8669次有明确作业方式记录的突出事例中，有8362次有放炮、支护、落煤和打钻等动力扰动作业方式诱发了突出，占96.5%，弄清楚动力扰动作用下煤与瓦斯突出发生规律对煤与瓦斯突出事故的预防和治理具有重要的作用。

二、矿产资源进入深部开采以后，受“三高一扰动”作用，煤与瓦斯突出动力灾害的诱因转变为由近场集中静荷载的积聚和远场集中动荷载的扰动共同作用，同时地质构造的作用也在显著增加。但是，目前的相似模拟试验并未开展复杂地质条件下的动力扰动诱发煤与瓦斯突出的相似模拟试验研究。

发明内容

本发明要解决的技术问题：提供一种动力扰动诱导煤与瓦斯突出模拟实验装置及实验方法，以解决现有技术诱导煤与瓦斯突出模拟实验装置没有考虑远场集中动荷载的扰动和复杂地质条件导致实验结果不准确不能有效预防和治理瓦斯等问题。

本发明技术方案：

一种动力扰动诱导煤与瓦斯突出模拟实验装置，它包括实验箱体，实验箱体的前后左右侧板、实验箱体顶盖和实验箱体底板组成一个密封腔体，密封腔体中间通过透气钢板隔开，实验箱体底板至透气钢板之间的腔体为模拟模型腔，实验箱体顶盖与透气钢板之间安装有千斤顶，密封腔体的左右侧板上固定有应力波传导杆，在实验箱体上安装有动力加载装置，在密封腔体上安装有数据检测装置。

实验箱体底板和实验箱体顶盖之间有至少四根丝杆支撑，丝杆与实验箱体底板和实验箱体顶盖之间通过螺母固定，动力加载装置为摆锤，摆锤的摆杆连接在实验箱体顶盖左右侧边上，摆锤与实验箱体顶盖垂直时，摆锤的锤部与应力波传导杆的轴心在同一直线上，摆锤的顶端上设有发射器，摆锤与应力波传导杆的顶端之间设有测速器。

模拟模型腔从上至下是煤层顶板，煤层和煤层底板，煤层内部开有巷道。

模拟模型腔左右侧板上粘贴有透气垫，应力波传导杆穿过试验箱体侧板上的透气垫进入煤层内，应力波传导杆长度的30%-70%进入煤层。

煤层顶板内安装有第一位移计组和第一应力计组；煤层底板内安装有第二位移计组和第二应力计组；每组应力计和每组位移计的数量至少6个。

煤层与煤层顶板之间铺设有透明树脂板，透明树脂板内部安装有第二高速摄像头，巷道内架设有支护，第一高速摄像头安装在支护上，支护上还安装有瓦斯浓度探头。

在煤层顶板和煤层底板内部区域设有至少二组声波探头和一组微震探头。

实验箱体的后、左和右侧板上分别开有第一进气孔、第二进气孔和第三进气孔，在后、左、右和前侧板上分别设有第一气压计组、第二气压计组、第三气压计组和四气压计组。

一种动力扰动诱导煤与瓦斯突出模拟实验装置其试验方法，它包括下述步骤：

步骤1、组装实验箱体和模拟模型腔内的煤层结构，安装各个检测器件；

步骤2、利用液压千斤顶（3）对模拟模型腔施加初始压力，使模拟模型腔内的初始应力达到0.1MPa以上。

步骤3、对实验箱体进行抽真空，直到试验箱体内部气压小于50pa，然后通过进气孔注入瓦斯；

步骤4、通过发射器发出摆锤击打应力波传导杆(13)的前端产生动载荷，使该动载荷传递到模拟模型腔内形成动力扰动，进而诱导煤与瓦斯突出；

步骤5、采集数据：对煤与瓦斯突出发生前后巷道瓦斯浓度、地应力、煤层顶板、煤层底板位移量、煤岩体的声发射信号和微震信号进行实时检测。

步骤3所述的通过进气孔注入瓦斯，瓦斯的的注入方法为：从低压到高压逐级注入，各级之间压力相差0.25Mpa，各级之间要间隔10-20分钟。

 

本发明的有益效果：

采用本发明技术方案，与现有技术相比，本发明采用摆锤击打应力波传导杆前端产生动载荷，使该动载荷传递到相似模型煤层指定位置上形成动力扰动，在动力扰动、围岩压力和瓦斯压力的综合作用下煤样破裂并从密封试验箱体前侧板开口突出；通过测速器监测摆锤击打应力波传导杆的速度，并通过检测元件对突出前后的巷道瓦斯浓度、地应力、顶底板位移量、煤岩体的声发射信号和微震信号等进行实时检测，通过采集的数据信息就能为复杂地质条件下的动力扰动诱导煤与瓦斯突出的发生规律研究提供可靠依据；本发明的方法简单易行，所采用的装置结构简单，使用效果好；解决了现有技术诱导煤与瓦斯突出模拟实验装置没有考虑远场集中动荷载的扰动和复杂地质条件导致实验结果不准确不能有效预防和治理瓦斯等问题。

附图说明：

图1为本发明结构示意图；

图2是图1的II---II剖视示意图。

具体实施方式：

一种动力扰动诱导煤与瓦斯突出模拟实验装置，它包括实验箱体，实验箱体的前后左右侧板5、实验箱体顶盖2和实验箱体底板15组成一个密封腔体，密封腔体中间通过透气钢板30隔开，实验箱体底板15至透气钢板30之间的腔体为模拟模型腔，实验箱体顶盖2与透气钢板30之间安装有千斤顶3，密封腔体的左右侧板上固定有应力波传导杆13，在实验箱体上安装有动力加载装置7，在密封腔体上安装有数据检测装置。

千斤顶3提供提供垂直地应力。

透气钢板30的作用是使箱体内的煤层受到的千斤顶的力能均匀分布； 由于透气钢板30具有透气性，使瓦斯等气体 较好的解吸和渗透于实验箱体内的对象中。

实验箱体底板15和实验箱体顶盖2之间有至少四根丝杆4支撑，丝杆与实验箱体底板15和实验箱体顶盖2之间通过螺母1固定，动力加载装置7为摆锤，摆锤的摆杆连接在实验箱体顶盖2左右侧边上，摆锤与实验箱体顶盖2垂直时，摆锤的锤部与应力波传导杆13的轴心在同一直线上，摆锤上设有发射器，摆锤与应力波传导杆13的顶端之间设有测速器，通过控制发射器发出摆锤的速度、控制摆锤的重量大小及摆锤幅度来控制动载荷的大小，通过应力波传导杆13传导动力扰动诱导煤与瓦斯突出。

模拟模型腔从上至下是煤层顶板11，煤层24和煤层底板14，煤层24内部开有巷道9。

模拟模型腔左右侧板上粘贴有透气垫6，应力波传导杆(13)穿过试验箱体侧板上的透气垫6进入煤层24内，应力波传导杆13长度的30%-70%进入煤层24，采用透气垫6，使瓦斯等气体 较好使瓦斯解吸和吸附与煤层；应力波传导杆13长度的30%-70%进入煤层24，能够使摆锤敲打产生的应力波均匀的传递到煤层25内，

煤层顶板11内安装有第一位移计组8和第一应力计组32；煤层底板14内安装有第二位移计组32和第二应力计组12；每组应力计和每组位移计的数量至少6个；应力计组的目的是为了检测煤体应力分布，位移计是为了检测煤层顶板11和煤层底板24的变形情况。

煤层24与煤层顶板11之间铺设有透明树脂板10，透明树脂板10内部安装有第二高速摄像头25，巷道9内架设有支护，第一高速摄像头22安装在支护上，支护上还安装有瓦斯浓度探头21，设置透明树脂板10的目的是方便第二高速摄像头25用于拍摄煤体在煤层压缩过程中的变化及突出过程；第一高速摄像头22安装在支护上以实现通过第一高速摄像头22观测煤壁及巷道围岩变形，支护上还安装有瓦斯浓度探头21，以实时检测巷道瓦斯浓度。

采用透明树脂板10，为了方便安装第二高速摄像头25并方便拍摄其附近煤层扰动破坏情况。

在煤层顶板11和煤层底板14内部区域设有至少二组声波探头18、29和一组微震探头23。以实现进行动力扰动诱导煤与瓦斯突出过程中声发射、微震信号的探测，根据信号类型判断破裂岩石类型，并与声发射、微震信号定位确定可以动力扰动诱导煤与瓦斯突出信号的特征。

实验箱体的后、左和右侧板上分别开有第一进气孔17、第二进气孔19和第三进气孔20，进气孔的目的是方便供气，在后、左、右和前侧板上分别设有第一气压计组16、第二气压计组26、第三气压计组27和四气压计组28，以便能够均匀检测模拟实验装置内的气体压力，观测煤体气压分布，所有进气孔在试验过程中需要密封堵塞。

一种动力扰动诱导煤与瓦斯突出模拟实验装置其试验方法，它包括下述步骤：

步骤1、组装实验箱体和模拟模型腔内的煤层结构，按照模拟模型腔从上至下煤层顶板11，煤层24和煤层底板14，并安装各个检测器件；

步骤2、利用液压千斤顶3对模拟模型腔施加初始压力，使模拟模型腔内的初始应力达到0.1MPa以上。

步骤3、对实验箱体进行抽真空，直到试验箱体内部气压小于50pa，然后通过进气孔注入瓦斯；没有用到的进气孔密封堵塞。

步骤4、通过发射器发出摆锤击打应力波传导杆(13)的前端产生动载荷，使该动载荷传递到模拟模型腔内形成动力扰动，进而诱导煤与瓦斯突出；

步骤5、采集数据：对煤与瓦斯突出发生前后巷道瓦斯浓度、地应力、煤层顶板、煤层底板位移量、煤岩体的声发射信号和微震信号进行实时检测。

步骤3所述的通过进气孔注入瓦斯，瓦斯的的注入方法为：从低压到高压逐级注入，各级之间压力相差0.25Mpa，各级之间要间隔10-20分钟；目的是在原岩应力区煤体中逐渐形成越来越高的游离瓦斯压力和吸附瓦斯量，确保待测相似模型的瓦斯压力数值达到实验要求。

 

下面进一步举例对试验方法进行细化说明：

   1、参照某煤矿钻孔资料，得到模拟模型腔试验所需的煤（岩）层属性，并按照模拟实验的要求得到煤（岩）层的模拟强度值，利用砂子、碳酸钙、石膏、硼砂等配制煤（岩）层相似材料，完成试验箱体内相似模拟模型的成型、数据检测元件的安装；

2、将相似模拟模型和相关检测元件装入试验箱体的模拟模型腔中，利用液压千斤顶加初始应力，当初始应力大于0.1Mpa以上时，从前侧板开口处开挖巷道，并施加适当支护，在开挖过程中形成周边支承压力分布，并形成有效壁厚煤体；用真空泵将实验箱体抽为真空；使气压小于50pa，然后通过进气孔注入瓦斯，由周边进气孔注入瓦斯(为安全起见，可用CO₂)，瓦斯注入要从低压到高压逐级注入，各级要间隔一定时间，在原岩应力区煤体中逐渐形成越来越高的游离瓦斯压力和吸附瓦斯量，确保待测相似模型的瓦斯压力数值达到实验要求；

3、在模拟模型腔的初始应力和瓦斯压力达到所要求的数值后，通过发射器发出摆锤击打应力波传导杆13产生动载荷，使该动载荷传递到模拟模型腔内相似模型的煤层指定位置上形成动力扰动，在动力扰动、围岩压力和瓦斯压力的综合作用下煤样破碎并从密封试验箱体前侧板的开口突出，通过高速摄像头记录煤与瓦斯突出过程；通过测速器测量摆锤从击打应力波传导杆13前的速度，并通过检测元件对突出前后的巷道瓦斯浓度、地应力、顶底板位移量、煤岩体的声发射信号和微震信号等进行实时检测。

4、停止瓦斯（或CO₂）供应，卸去液压千斤顶所施加的应力，打开试验箱体，取出相似模型模型，记录分析相似模拟模型的破坏情况。

瓦斯压力由浓度为99.9%的瓦斯（或CO₂）罐提供，瓦斯渗透速度有数字化瓦斯流量仪器测量。

实验原理：实验前先对实验箱体进行真空处理，抽去相似模型空隙中的空气，然后将其置于实验平台上。通过液压千斤顶保持初始应力恒定，通过瓦斯（或CO₂）罐上的平衡阀来维持实验过程中的瓦斯压力恒定。待初始应力和瓦斯压力达到所要求的数值后，再开始通过发射器发出摆锤击应力波传导杆13产生动载荷，使该动载荷传递到相似模型指定位置上形成动力扰动，在动力扰动、围岩压力和瓦斯压力的综合作用下煤样破碎并从密封试验箱体的下侧突出。最后通过测速器、初始应力控制器、瓦斯压力控制器、位移计、应力计、声波探头和微震探头等仪器内的数据，得出复杂地质条件下的动力扰动诱导煤与瓦斯突出的发生规律。

Claims (10)

1.一种动力扰动诱导煤与瓦斯突出模拟实验装置，它包括实验箱体，实验箱体的前后左右侧板（5）、实验箱体顶盖（2）和实验箱体底板（15）组成一个密封腔体，其特征在于：密封腔体中间通过透气钢板（30）隔开，实验箱体底板（15）至透气钢板（30）之间的腔体为模拟模型腔，实验箱体顶盖（2）与透气钢板（30）之间安装有千斤顶（3），密封腔体的左右侧板上固定有应力波传导杆(13)，在实验箱体上安装有动力加载装置（7），在密封腔体上安装有数据检测装置。

2.根据权利要求1所述的一种动力扰动诱导煤与瓦斯突出模拟实验装置，其特征在于：实验箱体底板（15）和实验箱体顶盖（2）之间有至少四根丝杆（4）支撑，丝杆与实验箱体底板（15）和实验箱体顶盖（2）之间通过螺母（1）固定，动力加载装置（7）为摆锤，摆锤的摆杆连接在实验箱体顶盖（2）左右侧边上，摆锤与实验箱体顶盖（2）垂直时，摆锤的锤部与应力波传导杆(13)的轴心在同一直线上，摆锤的顶端上设有发射器，摆锤与应力波传导杆(13)的顶端之间设有测速器。

3.根据权利要求1所述的一种动力扰动诱导煤与瓦斯突出模拟实验装置，其特征在于：模拟模型腔从上至下是煤层顶板（11），煤层（24）和煤层底板（14），煤层（24）内部开有巷道（9）。

4.根据权利要求1所述的一种动力扰动诱导煤与瓦斯突出模拟实验装置，其特征在于：模拟模型腔左右侧板上粘贴有透气垫（6），应力波传导杆(13)穿过试验箱体侧板上的透气垫（6）进入煤层（24）内，应力波传导杆(13)长度的30%-70%进入煤层（24）。

5.根据权利要求3所述的一种动力扰动诱导煤与瓦斯突出模拟实验装置，其特征在于：煤层顶板（11）内安装有第一位移计组（8）和第一应力计组（32）；煤层底板（14）内安装有第二位移计组（32）和第二应力计组（12）；每组应力计和每组位移计的数量至少6个。

6.根据权利要求3所述的一种动力扰动诱导煤与瓦斯突出模拟实验装置，其特征在于：煤层（24）与煤层顶板（11）之间铺设有透明树脂板（10），透明树脂板（10）内部安装有第二高速摄像头（25），巷道（9）内架设有支护，第一高速摄像头（22）安装在支护上，支护上还安装有瓦斯浓度探头（21）。

7.根据权利要求3所述的一种动力扰动诱导煤与瓦斯突出模拟实验装置，其特征在于：在煤层顶板（11）和煤层底板（14）内部区域设有至少二组声波探头（18、29）和一组微震探头（23）。

8.根据权利要求1所述的一种动力扰动诱导煤与瓦斯突出模拟实验装置，其特征在于：实验箱体的后、左和右侧板上分别开有第一进气孔（17）、第二进气孔（19）和第三进气孔（20），在后、左、右和前侧板上分别设有第一气压计组（16）、第二气压计组（26）、第三气压计组（27）和四气压计组（28）。

9.一种动力扰动诱导煤与瓦斯突出模拟实验装置其试验方法，它包括下述步骤：

步骤1、组装实验箱体和模拟模型腔内的煤层结构，安装各个检测器件；

步骤2、利用液压千斤顶（3）对模拟模型腔施加初始压力，使模拟模型腔内的初始应力达到0.1MPa以上;

步骤3、对实验箱体进行抽真空，直到试验箱体内部气压小于50pa，然后通过进气孔注入瓦斯；

步骤4、通过发射器发出摆锤击打应力波传导杆(13)的前端产生动载荷，使该动载荷传递到模拟模型腔内形成动力扰动，进而诱导煤与瓦斯突出；

步骤5、采集数据：对煤与瓦斯突出发生前后巷道瓦斯浓度、地应力、煤层顶板、煤层底板位移量、煤岩体的声发射信号和微震信号进行实时检测。

10.根据权利要求9所述的一种动力扰动诱导煤与瓦斯突出模拟实验装置其试验方法，其特征在于：步骤3所述的通过进气孔注入瓦斯，瓦斯的的注入方法为：从低压到高压逐级注入，各级之间压力相差0.25Mpa，各级之间要间隔10-20分钟。