CN105223093A - 基于钻孔冲击当量应力的煤体冲击倾向性实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于钻孔冲击当量应力的煤体冲击倾向性实验装置及方法，该装置包括压力机、传立柱、围压盒、应变片和钻机；压力机用于在对煤体试件进行钻孔时，对煤体进行不同压力的加载；围压盒为四周封闭的立方体金属盒，用于固定煤体试件；围压盒的一个面设置有圆孔，用于放置钻机的钻头；应变片用于测量围压盒侧壁的应变量，确定煤体试件的应力状态；传力柱用于传输煤体试件与压力机之间的压力；钻机用于对煤体试件进行钻孔，围压盒设置于压力机的下压板上，煤体试件固定于围压盒中，传力柱放置于煤体试件上方、压力机上压板的下方，应变片贴在围压盒的任意两个相对的侧面，钻机通过围压盒的侧面设置的圆孔对煤体试件进行钻孔。
Description
技术领域
本发明属于煤体冲击倾向性研究领域，具体涉及基于钻孔冲击当量应力的煤体冲击倾向性实验装置及方法。
背景技术
冲击地压是煤矿矿山开采中最常见也是危害最大的矿井动力灾害之一，并且随着现代工业的高速发展，对煤炭资源的需求量与日俱增，所以在未来数10年内，我国将有相当数量矿井进入深部开采。进入深部开采以后，煤岩结构的动力学特性与浅部开采明显不同，表现出其特有的工程动力响应，同时煤矿所特有的大面积开采和层状介质变形破坏的时效性特点，使得煤矿冲击地压的致灾机理更加复杂，监测预警和防治将更加困难。如何面对深部开采的复杂地质条件，及时解决深部开采所涉及的技术性问题和灾难性问题，是每一位煤炭行业科研工作者和工程技术人员都应该考虑的重要课题，也是国家经济、社会和科学技术自身发展的重大需求。目前，对于深部开采冲击地压的发生机理还尚未完全明确，真正的冲击地压在实验室中也没未能完全模拟出来，甚至当面对深部煤岩体特有的冲击倾向性测定时，原始的测定方法也显示出一定的缺陷和不足。基于以上研究现状，特此提出一种基于钻孔冲击当量应力的煤体冲击倾向性评价实验，旨在解决目前对于深部煤体冲击倾向性测定准确率不高，冲击地压预测及防治措施不当的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出基于钻孔冲击当量应力的煤体冲击倾向性实验装置及方法。
基于钻孔冲击当量应力的煤体冲击倾向性实验装置，包括压力机、传立柱、围压盒、应变片和钻机；
所述的压力机，用于在对煤体试件进行钻孔时，对煤体进行不同压力的加载；
所述的围压盒为四周封闭的立方体金属盒，用于固定煤体试件；
所述的围压盒的一个面设置有圆孔，用于放置钻机的钻头；
所述的应变片，用于测量围压盒侧壁的应变量，确定煤体试件的应力状态；
所述的传力柱，用于传输煤体试件与压力机之间的压力；
所述的钻机，用于对煤体试件进行钻孔；
所述的围压盒设置于压力机的下压板上，煤体试件固定于围压盒中，传力柱放置于煤体试件上方、压力机上压板的下方，应变片贴在围压盒的任意两个相对的侧面，钻机通过围压盒的侧面设置的圆孔对煤体试件进行钻孔。
所述的围压盒与煤体试件之间的空隙用石膏液填充。
所述的钻机采用三种不同的钻头，直径包括8mm、12mm和14mm。
所述的压力机的加载压力范围为30MPa～100MPa。
所述的围压盒的材料为钢板，厚度为15mm～20mm。
采用基于钻孔冲击当量应力的煤体冲击倾向性实验装置的进行煤体冲击倾向性实验的方法，包括以下步骤：
步骤1：采集待预测的煤岩层的煤样，加工成立方体煤体试件；
步骤2：将煤体试件放置于贴有应变片的围压盒中，围压盒与煤体试件之间的空隙用石膏液填充，待石膏液凝固，将装有煤体试件的围压盒设置于压力机的下压板上，传力柱放置于煤体试件上方，压力机的上压板和下压板使煤体试件和传力柱固定于压力机上；
步骤3：采用不同压力等级的保压加载和非保压加载方式对煤体试件施加垂直压力，在每种压力等级的不同加载方式下用钻头对煤体试件进行钻孔，同时利用应变片测量围压盒侧壁的应力；
步骤4：在对煤体试件钻孔的过程中，记录煤体试件发生冲击现象时的加载压力；
步骤5：根据煤体试件发生冲击现象时的加载压力和冲击倾向性应力指标评价临界值，确定煤体试件所处煤岩层的冲击倾向性。
所述的冲击倾向性应力指标评价临界值为：加载压力小于50MPa时发生冲击现象的煤体试件所处煤岩层为具有强冲击倾向，加载压力为50MPa至70MPa之间发生冲击现象的煤体试件所处煤岩层为具有中等冲击倾向，加载压力大于70MPa发生冲击现象的煤体试件所处煤岩层为具有弱冲击倾向。
本发明的有益效果是：
本发明提出基于钻孔冲击当量应力的煤体冲击倾向性实验装置及方法，针对现有煤矿开采的采深加大，原始的煤岩体冲击倾向性测定方法不准确，有时利用原始测定方法测定为无冲击倾向的情况时，也有冲击现象发生的情况，提出了一种基于钻孔冲击当量应力的煤体冲击倾向性实验装置及方法。从冲击地压发生的应力条件角度提出了新的冲击倾向性判定准则，提高了对原煤体冲击倾向性认识的精确度。采用两种极端的加压方式，即，保压式加压和非保压式加压，提高了对深部以及不同煤岩性状态下煤体冲击倾向性评价的适应性。本发明实验装置结构简单，操作简方便，实用性强，具有较好的推广价值。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中基于钻孔冲击当量应力的煤体冲击倾向性实验装置的结构示意图；
其中，(a)为煤体冲击倾向性实验装置的结构示意图，(b)围压盒示意图；
其中，1-压力机，2-围压盒，3-传力柱，4-煤体试件，5-钻孔，11-压力机的上压板，12-压力机的下压板，13-压力机的油缸；
图2为本发明具体实施方式中基于钻孔冲击当量应力的煤体冲击倾向性实验方法的流程图；
图3为本发明具体实施方式中煤矿A的煤体试件在非保压加载的方式下分别采用8mm、12mm、14mm的钻头进行钻孔的垂向压力变化及发生冲击次数和时间的示意图；
其中，(a)为垂向初始加载压力30MPa时进行钻孔的垂向压力变化及发生冲击次数和时间示意图；(b)为垂向初始加载压力40MPa时进行钻孔的垂向压力变化及发生冲击次数和时间示意图；(c)为垂向初始加载压力50MPa时进行钻孔的垂向压力变化及发生冲击次数和时间示意图；(d)为垂向初始加载压力60MPa时进行钻孔的垂向压力变化及发生冲击次数和时间示意图；(e)为垂向初始加载压力70MPa时进行钻孔的垂向压力变化及发生冲击次数和时间示意图；(f)为垂向初始加载压力80MPa时进行钻孔的垂向压力变化及发生冲击次数和时间示意图；(g)为垂向初始加载压力90MPa时进行钻孔的垂向压力变化及发生冲击次数和时间示意图；(h)为垂向初始加载压力100MPa时进行钻孔的垂向压力变化及发生冲击次数和时间示意图；
图4为本发明具体实施方式中煤矿B的煤体试件在非保压加载的方式下分别采用8mm、12mm、14mm的钻头进行钻孔的垂向压力变化及发生冲击次数和时间示意图；
其中，(a)为垂向初始加载压力30MPa时进行钻孔的垂向压力变化及发生冲击次数和时间示意图；(b)为垂向初始加载压力40MPa时进行钻孔的垂向压力变化及发生冲击次数和时间示意图；(c)为垂向初始加载压力50MPa时进行钻孔的垂向压力变化及发生冲击次数和时间示意图；(d)为垂向初始加载压力60MPa时进行钻孔的垂向压力变化及发生冲击次数和时间示意图；(e)为垂向初始加载压力70MPa时进行钻孔的垂向压力变化及发生冲击次数和时间示意图；(f)为垂向初始加载压力80MPa时进行钻孔的垂向压力变化及发生冲击次数和时间示意图；(g)为垂向初始加载压力90MPa时进行钻孔的垂向压力变化及发生冲击次数和时间示意图；(h)为垂向初始加载压力100MPa时进行钻孔的垂向压力变化及发生冲击次数和时间示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式加以详细的说明。
基于钻孔冲击当量应力的煤体冲击倾向性实验装置，如图1所示，包括压力机1、传力柱3、围压盒2、应变片和钻机。
压力机1，用于在对煤体试件4进行钻孔时，对煤体进行不同压力的加载。
本实施方式中，压力机1为2000kN液压式材料实验压力机。
围压盒2为四周封闭的立方体金属盒，用于固定煤体试件4。
本实施方式中，围压盒2的材料为钢板，厚度为18mm。
围压盒2的一个面设置有圆孔，用于放置钻机的钻头。
围压盒2的大小为内壁10.2em×10.2em×10.2em的无顶和底立方体钢盒。
应变片，用于测量围压盒2侧壁的应变量，确定煤体试件的应力状态。
应变片选用用KFG系列通用箔式应变片。
传力柱3，用于传输煤体试件4与压力机1之间的压力，本实施方式中，传力柱3为截面为98mm×98mm、高为50mm的钢块。
围压盒2设置于压力机的下压板12上，煤体试件4固定于围压盒2中，传力柱3放置于煤体试件4上方、压力机的上压板11的下方，应变片贴在围压盒2的任意两个相对的侧面，钻机通过围压盒2的侧面设置的圆孔对煤体试件4进行钻孔。
围压盒2与煤体试件4之间的空隙用石膏液填充。
钻机，用于对煤体试件进行钻孔，钻机采用三种不同的钻头，直径包括8mm、12mm和14mm。
压力机1的加载压力范围为30MPa～100MPa。
采用基于钻孔冲击当量应力的煤体冲击倾向性实验装置的进行煤体冲击倾向性实验的方法，如图2所示，包括以下步骤：
步骤1：采集待预测的煤岩层的煤样，加工成立方体煤体试件。
本实施方式中，采集了两处煤矿的煤岩层的煤样，分别为煤矿A和煤矿B，加工成若干个10em×10em×10em的煤体试件。
步骤2：将煤体试件放置于贴有应变片的围压盒中，围压盒与煤体试件之间的空隙用石膏液填充，待石膏液凝固，将装有煤体试件的围压盒设置于压力机的下压板上，传力柱放置于煤体试件上方，压力机的上压板和下压板使煤体试件和传力柱固定于压力机上。
步骤3：采用不同压力等级的保压加载和非保压加载方式对煤体试件施加垂直压力，在每种压力等级的不同加载方式下用钻头对煤体试件进行钻孔，同时利用应变片测量围压盒侧壁的应力。
由于真实的煤矿井下的条件相当于处于保压加载垂向应力与非保压加载垂向应力之间，所以实验加载压力方式选取保压与非保压两种极端的加载方式。
保压加载：在钻孔冲击进入煤体试件过程中通过压力机的油泵后续加载垂向压力，保持垂向压力不变。
非保压加载：在钻孔冲击进入煤体试件过程中只给定一个初始加载垂向压力，后续加载压力变化不受控制，每次压力加载至预定的压力后开始钻孔，压力机油泵不再后续加油，不控制压力机的加载压力。
本实施方式中，钻机采用三种不同的钻头，直径包括8mm、12mm和14mm。对煤矿A的煤体试件和煤矿B的煤体试件分别在保压加载和非保压加载的方式下，在30MPa、40MPa、50MPa、60MPa、70MPa、80MPa、90MPa和100MPa的加载压力下进行加载，依次采用直径为8mm、12mm和14mm的钻头对煤体试件进行钻孔。
步骤4：在对煤体试件钻孔的过程中，记录煤体试件发生冲击现象时的加载压力。
本实施方式中，在对煤体试件钻孔的过程中，观测钻头是否具有向外顶并同时伴有声响的冲击现象，记录发生冲击现象的次数以及时间，计算同一压力等级两种加载方式下不同钻孔方式发生冲击次数的平均值。
图3为煤矿A的煤体试件在非保压加载的方式下分别采用8mm、12mm、14mm的钻头进行钻孔的压力示意图，其中，(a)为垂向初始加载压力30MPa时进行钻孔的垂向压力变化及发生冲击次数和时间示意图；(b)为垂向初始加载压力40MPa时进行钻孔的垂向压力变化及发生冲击次数和时间示意图；(c)为垂向初始加载压力50MPa时进行钻孔的垂向压力变化及发生冲击次数和时间示意图；(d)为垂向初始加载压力60MPa时进行钻孔的垂向压力变化及发生冲击次数和时间示意图；(e)为垂向初始加载压力70MPa时进行钻孔的垂向压力变化及发生冲击次数和时间示意图；(f)为垂向初始加载压力80MPa时进行钻孔的垂向压力变化及发生冲击次数和时间示意图；(g)为垂向初始加载压力90MPa时进行钻孔的垂向压力变化及发生冲击次数和时间示意图；(h)为垂向初始加载压力100MPa时进行钻孔的垂向压力变化及发生冲击次数和时间示意图。
图4为煤矿B的煤体试件在非保压加载的方式下分别采用8mm、12mm、14mm的钻头进行钻孔的压力示意图，其中，(a)为垂向初始加载压力30MPa时进行钻孔的垂向压力变化及发生冲击次数和时间示意图；(b)为垂向初始加载压力40MPa时进行钻孔的垂向压力变化及发生冲击次数和时间示意图；(c)为垂向初始加载压力50MPa时进行钻孔的垂向压力变化及发生冲击次数和时间示意图；(d)为垂向初始加载压力60MPa时进行钻孔的垂向压力变化及发生冲击次数和时间示意图；(e)为垂向初始加载压力70MPa时进行钻孔的垂向压力变化及发生冲击次数和时间示意图；(f)为垂向初始加载压力80MPa时进行钻孔的垂向压力变化及发生冲击次数和时间示意图；(g)为垂向初始加载压力90MPa时进行钻孔的垂向压力变化及发生冲击次数和时间示意图；(h)为垂向初始加载压力100MPa时进行钻孔的垂向压力变化及发生冲击次数和时间示意图。
图3和图4中横坐标为时间，纵坐标为压力值，曲线中标注的时间点为煤体试件发生冲击现象的时间点，没有发生冲击现象的未标注时间。
步骤5：根据煤体试件发生冲击现象时的加载压力和冲击倾向性应力指标评价临界值，确定煤体试件所处煤岩层的冲击倾向性。
所述的冲击倾向性应力指标评价临界值为：加载压力小于50MPa时发生冲击现象的煤体试件所处煤岩层为具有强冲击倾向，加载压力为50MPa至70MPa之间发生冲击现象的煤体试件所处煤岩层为具有中等冲击倾向，加载压力大于70MPa发生冲击现象的煤体试件所处煤岩层为具有弱冲击倾向。
煤矿A和煤矿B的煤体试件在保压加载和非保压加载的方式下分别采用8mm、12mm、14mm的钻头进行钻孔时发生冲击现象的次数的平均值如表1所示。
表1煤矿A和煤矿B的煤体试件在保压加载和非保压加载的方式下分别采用8mm、12mm、14mm的钻头进行钻孔时发生冲击现象的次数的平均值
由表1可知，煤矿A的煤体试件在40MPa时发生冲击现象，可以预测煤矿A的煤体试件所处煤岩层具有强冲击倾向，煤矿B的煤体试件在60MPa时发生冲击现象，可以预测煤矿B的煤体试件所处煤岩层具有中等冲击倾向。
Claims (7)
1.基于钻孔冲击当量应力的煤体冲击倾向性实验装置，其特征在于，包括压力机、传立柱、围压盒、应变片和钻机；
所述的压力机，用于在对煤体试件进行钻孔时，对煤体进行不同压力的加载；
所述的围压盒为四周封闭的立方体金属盒，用于固定煤体试件；
所述的围压盒的一个面设置有圆孔，用于放置钻机的钻头；
所述的应变片，用于测量围压盒侧壁的应变量，确定煤体试件的应力状态；
所述的传力柱，用于传输煤体试件与压力机之间的压力；
所述的钻机，用于对煤体试件进行钻孔；
所述的围压盒设置于压力机的下压板上，煤体试件固定于围压盒中，传力柱放置于煤体试件上方、压力机上压板的下方，应变片贴在围压盒的任意两个相对的侧面，钻机通过围压盒的侧面设置的圆孔对煤体试件进行钻孔。
2.根据权利要求1所述的基于钻孔冲击当量应力的煤体冲击倾向性实验装置，其特征在于，所述的围压盒与煤体试件之间的空隙用石膏液填充。
3.根据权利要求1所述的基于钻孔冲击当量应力的煤体冲击倾向性实验装置，其特征在于，所述的钻机采用三种不同的钻头，直径包括8mm、12mm和14mm。
4.根据权利要求1所述的基于钻孔冲击当量应力的煤体冲击倾向性实验装置，其特征在于，所述的压力机的加载压力范围为30MPa～100MPa。
5.根据权利要求1所述的基于钻孔冲击当量应力的煤体冲击倾向性实验装置，其特征在于，所述的围压盒的材料为钢板，厚度为15mm～20mm。
6.采用权利要求1-4中任一项所述的基于钻孔冲击当量应力的煤体冲击倾向性实验装置的进行煤体冲击倾向性实验的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：采集待预测的煤岩层的煤样，加工成立方体煤体试件；
步骤2：将煤体试件放置于贴有应变片的围压盒中，围压盒与煤体试件之间的空隙用石膏液填充，待石膏液凝固，将装有煤体试件的围压盒设置于压力机的下压板上，传力柱放置于煤体试件上方，压力机的上压板和下压板使煤体试件和传力柱固定于压力机上；
步骤3：采用不同压力等级的保压加载和非保压加载方式对煤体试件施加垂直压力，在每种压力等级的不同加载方式下用钻头对煤体试件进行钻孔，同时利用应变片测量围压盒侧壁的应力；
步骤4：在对煤体试件钻孔的过程中，记录煤体试件发生冲击现象时的加载压力；
步骤5：根据煤体试件发生冲击现象时的加载压力和冲击倾向性应力指标评价临界值，确定煤体试件所处煤岩层的冲击倾向性。
7.根据权利要求6所述的基于钻孔冲击当量应力的煤体冲击倾向性实验的方法，其特征在于，所述的冲击倾向性应力指标评价临界值为：加载压力小于50MPa时发生冲击现象的煤体试件所处煤岩层为具有强冲击倾向，加载压力为50MPa至70MPa之间发生冲击现象的煤体试件所处煤岩层为具有中等冲击倾向，加载压力大于70MPa发生冲击现象的煤体试件所处煤岩层为具有弱冲击倾向。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Chen Xuehua Inventor after: Lv Pengfei Inventor after: He Yuxi Inventor after: Zhang Wenjun Inventor after: Ruan Wentan Inventor before: Chen Xuehua Inventor before: He Yuxi Inventor before: Lv Pengfei Inventor before: Zhang Wenjun Inventor before: Ruan Wentan |
|
| COR | Change of bibliographic data | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20160106 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |