CN106018105B - 煤岩工程多功能物理模拟试验系统及煤岩模型试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种煤岩工程多功能物理模拟试验系统，其包括试验腔、模型成型子系统、液压加载控制子系统、测试子系统和抽注气子系统，试验腔包括加载框架和可拆卸式连接于加载框架一端的反力盖，加载框架和反力盖同轴安装于一底座上，底座上沿加载框架的轴向设置有导轨，导轨上安装有可沿导轨滑行的支撑座，加载框架和反力盖的底部分别安装有支撑座；模型成型子系统与试验腔之间可拆卸式连接有用于输送模型的轨道输送子系统。本发明还提供了一种煤岩模型试验方法。本发明能够模拟在地应力和瓦斯压力及综合多因素作用下钻孔、造缝、压裂、煤与瓦斯突出、地下工程开挖支护等作业，对加强煤矿与瓦斯突出相关发生机理、预测与控制等提供试验验证手段。

Description

煤岩工程多功能物理模拟试验系统及煤岩模型试验方法

技术领域

本发明涉及地质力学模型试验加载设备，具体是一种煤岩工程多功能物理模拟试验系统及方法。

背景技术

随着经济建设快速发展，国家对能源的需求越来越大，地下浅层的化石能源越来越少，向深地下发展已经成为世界范围内岩土工程建设和开发的共同趋势。

目前国内外在煤与瓦斯突出发生机理、预测与控制等方面的研究尚未形成完整的理论体系。由于煤岩材料本构关系难以精确地描述，因此数值模拟方法的结果尚不能被行业广泛认可，也并不能直接指导行业的生产实际，只能被作为辅助研究手段。加之地下空间多物理场、多参数互相耦合，有限的现场监测手段也很难完全地解释工程中出现的现象和问题。物理模拟试验方法在科学研究和解决工程实际问题方面具有特殊的优势，它能针对工程的某一影响因素，突出主要矛盾以真实地模拟主要影响因素对工程影响的程度，从而在机理研究尚不完全清楚的情况下避开“材料本构的数学描述”，直接利用物理实体的内置机理自然地形成试验过程和结果，为理论研究提供有力的参考依据。另外物理模型试验研究更加突出重点，研究的初始条件纯粹而简明，其试验过程、试验结果与初始条件间具有直接关联性，而这恰恰是现场试验研究的困难之处。从而，物理模拟试验有着数值模拟与现场试验所不具备的很多优势，其研究结果可为建立新的理论及其数学模型提供可靠的依据并能与之相互印证。

因此，物理模拟试验技术在国内外已得到广泛应用，并在工程科研、设计及论证中发挥了重要作用。如中国矿业大学、煤炭科学研究院建井所、中国科学院地质与地球物理研究所、武汉岩土力学研究所等一些从事采矿工程和岩土工程问题研究的科研单位和教学单位都先后开展了物理模型试验的研究工作，并研制了规模不等的配套模型试验设备。

如CN 103983756 A公开的一种深部巷道围岩破裂模拟装置，该装置包括：纵向加载系统、水平加载系统、模型承载框架；其通过模拟地下的地质应力环境，获取数据进行分析，从而实现对深部巷道围岩破裂机理进行研究分析。如CN 103398861 A公开的及一种用于深埋隧洞的真三轴岩爆物理模拟试验系统，其由反力架，垂直加载系统、水平前后加载系统和水平左右加载系统组成的真三轴加载系统组成，其可提供三向独立的、大吨位的荷载满足深埋高应力条件下的模型试验的加载要求，以及模拟爆破扰动，可应用于深埋隧洞的岩爆物理模拟实验研究中。又如CN 103471926 A公开的一种煤岩真三轴细观力学试验装置，在试验装置内开设有具有开口的试验腔，试验腔内的下部安装有活动垫块，所述试验腔的上部和左右两侧均设有活动压块，三个所述活动压块和所述活动垫块围成一个四边形框架，且所述活动压块和活动垫块互相错位，该装置可对煤岩进行真三轴细观力学试验，较好地模拟了现场实际煤层耦合所处的环境。

但是随着煤炭开采深度的越来越大，出现的工程问题更加复杂，如高地应力和高气体压力联合作用下煤层中瓦斯气体吸附解吸过程和瓦斯流动规律，瓦斯煤渗透率与有效应力、温度和瓦斯压力之间的关系等研究；另一方面对科研设计水平和计算精度的要求越来越高，现有试验设备在功能、加载方式、模型内所形成的应变场范围和均匀程度等方面已不能很好地满足工程实践的需要。因此，迫切需要研制一种性能优良、技术先进、功能多样化的试验设备，以满足深部煤岩工程及地下工程研究的需要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种煤岩工程多功能物理模拟试验系统及煤岩模型试验方法，其能够对模型施加不均匀受力，适用于大尺寸、高应力的实验。

本发明的技术方案如下：

一种煤岩工程多功能物理模拟试验系统，包括试验腔、模型成型子系统、液压加载控制子系统、测试子系统和抽注气子系统，所述试验腔内设液压式多维应力加载组件，多维应力加载组件连接有伺服油源，所述液压加载控制子系统控制连接伺服油源和抽注气子系统，测试子系统与液压加载控制子系统通信连接。所述试验腔包括加载框架和可拆卸式连接于加载框架一端的反力盖，所述加载框架和反力盖同轴安装于一底座上，所述底座上沿加载框架的轴向设置有导轨，所述导轨上安装有可沿导轨滑行的支撑座，所述加载框架和反力盖的底部分别安装有支撑座；所述模型成型子系统与试验腔之间可拆卸式连接有用于输送模型的轨道输送子系统。

进一步的，所述加载框架包括与反力盖同轴的后加载盖和加载环组，加载环组与后加载盖、反力盖可拆卸式密封连接且位于后加载盖和反力盖之间。所述加载环组内的底侧设置有水平承放模型的试件台，多维应力加载组件包括设置在加载环组内壁分别对应模型左、右、上表面的均布加载器阵列以及后加载盖对应模型后表面的均布加载器阵列，反力盖对应模型的前表面设置有前反力板。

进一步的，所述加载环组与后加载盖之间连接有过渡环，后加载盖、过渡环、加载环组和反力盖的外环部分通过拉杆沿轴向串接，所述拉杆围绕试验腔的轴心均匀分布有多只，拉杆的两端设置有拉拔器，且后加载盖、过渡环、加载环和反力盖间均设置有定位环和密封环；

进一步的，加载环组和过渡环的壁上设置有油路密封连接口和引线密封连接口，均布加载器阵列通过油路密封连接口与伺服油源连接，测试子系统包括由设置在试验腔内的位移传感器、油压传感器、气体压力传感器、温度传感器和应力传感器组成的传感器测试组，传感器测试组通过引线密封连接口与液压加载控制子系统、抽注气子系统通信连接。所述反力盖设有中心孔，所述中心孔内衬管套，所述管套的一端与前反力板连接，管套的另一端可拆卸式密封连接有端盖。

进一步的，所述轨道输送子系统包括轨道支架，所述轨道支架上设置有相互垂直的横向轨道和纵向轨道，纵向轨道位于横向轨道的上方，纵向轨道包括一端对应模型成型子系统的纵向输送轨，所述纵向输送轨上设置有可运行于横向轨道、纵向轨道上的驱动小车以及承载模型的平板拖车，驱动小车驱动连接平板拖车，所述纵向输送轨的另一端连接有转向轨。所述横向轨道包括腔内轨和横向输送轨，所述腔内轨设置在试验腔内承载模型的试件台的两侧，横向输送轨的一端与腔内轨连接，轨道支架从横向输送轨的另一端延伸至转向轨的正下方，转向轨的正下方设置有可90°往返旋转的升降旋转台，所述升降旋转台位于转向轨正下方的导轨支架中且顶部与转向轨的底部固定。所述腔内轨的底部设置有升降油缸，腔内轨的升降行程大于平板拖车的底面在腔内轨上升至上限时高出试件台上表面的距离。

进一步的，所述模型成型子系统包括模具箱和反力架，所述反力架通过支柱安装于一底台上，反力架包括分配梁，所述分配梁的上面安装有加压油缸，分配梁的下面设有压头，所述加压油缸与压头通过穿过分配梁的连接杆连接；所述底台位于压头正下方的部分为一凸台，所述支柱连接于分配梁与底台凸台两侧的台阶之间，所述凸台的两侧与支柱之间各设有一升降轨，所述升降轨与反力架外的轨道输送子系统接轨；所述模具箱的底板为平板拖车的底板，模具箱四周的侧板可拆卸式安装在平板拖车的底板上；升降轨的升降行程大于平板拖车的底面在升降轨上升至上限时高出凸台上表面的距离。

进一步的，所述液压加载控制子系统包括POP-M型多通道控制器以及带有PLC控制器用于电液伺服油源开关量控制的电控柜，多通道控制器的每一控制通道对应控制一个均布加载器的油腔压力。所述测试子系统还包括静态应变测试平台和光纤光栅应变测试平台，每个均布加载器包括多个加载活塞，同一个均布加载器的多个加载活塞共用一个位移传感器和一对进、回油腔的油压传感器。

更进一步，本系统还包括可视化子系统，可视化子系统包括设置在试验腔内的照明设备和通信连接有数据采集器的电脑显示器，数据采集器与测试子系统通信连接。

更进一步，所述抽注气子系统包括控制器、用于抽气的真空泵和抽气电动球阀、以及用于注气的二氧化碳钢瓶和注气电动球阀，所述真空泵和抽气电动球阀管道连接后再与试验腔管道连接，氧化碳钢瓶经注气电动球阀与试验腔连接，控制器控制连接真空泵和注气电动球阀。

本发明对应上述试验系统，还提供了一种煤岩模型试验方法，包括以下步骤：

a：在试验腔内完成应力传感器、应变传感器、温度传感器、瓦斯压力传感器和声发射传感器的布设，上述所有传感器所测信号为测试子系统实时连续采集的应力、应变、温度和瓦斯压力参数。

b：在模型成型子系统中成型模型，将模型通过轨道输送子系统传送至试验腔内的试件台上，封闭试验腔。

c：对模型同步施加三向应力，三向应力按每级1MPa逐级加载至10MPa，并通过真空泵对试验腔抽真空，抽真空时间在12h以上，使试验腔的真空度小于100Pa，关闭真空泵，检验试验腔的气密性，启动测试子系统。

d：向试验腔内注入纯度大于99.9％的瓦斯气体至气压5MPa，维持该气压48小时以上，使模型完全吸附瓦斯气体，完成注气过程。

e：对反力盖的中心位置设置模拟开挖通道，由钻机通过模拟开挖通道对模型进行模拟钻孔，进行水力割缝、水力压裂和水力冲孔验。

f：依次卸除施加到模型的气压、应力，关闭测试子系统，试验结束。

本系统集模型的制作、输送、加载、监测和分析为一体，实现了加载吨位高、模型尺寸大、功能最全面的三维大型综合物理模拟平台。本方案试验腔采用加载环组与后加载盖、反力盖沿导轨式可拆卸连接的结构，方面对模型进行操作和在实验腔内进行传感器的布置；并结合由多个单独控制的均布加载器组成的均布加载器阵列对模型进行应力加载，较好地避免了传统的试验系统中采用千斤顶加载压力均匀性偏差较大，采用柔性囊加载行程偏小、强度偏低的的缺点，能够精准稳定地实现三向荷载独立的均匀或非均匀加载。

本方案通过油路密封连接口和引线密封连接口的密封引出设计，以及后加载盖、过渡环、加载环和反力盖间的定位环和密封环，保证了试验腔的密封性，保载时间长，结合抽注气子系统实现瓦斯压力的模拟环境。通过反力盖的中心孔结构，实现模拟钻孔、造缝、开挖、支护等作业。模型成型子系统一来方便制作不同尺寸的模型，其结构合理，方便模型的制作和送出；结合轨道输送子系统的转送机制，安装就位准确方便，即使是大吨位的模型，也输送连贯平稳，无需采用吊车等大型设备。

本方案还采用智能化POP-M型多通道控制器和测试子系统，智能化控制程度高，信号检测准确性高。并通过可视化子系统的照明设备，方便实验观察；通过数据采集器实时获取检测信息并通过电脑显示器直观现实。

本发明能够模拟在地应力和瓦斯压力及综合多因素作用下钻孔、造缝、压裂、煤与瓦斯突出、地下工程开挖支护等作业，通过大型模型探索煤层中瓦斯气体吸附解吸过程和瓦斯流动规律，研究瓦斯煤渗透率与有效应力、温度和瓦斯压力之间关系进行试验；对加强煤矿与瓦斯突出相关发生机理、预测与控制等方面的基础研究提供科学的试验验证手段，并对建设“煤矿灾害动力学与控制”国家重点实验室的研究内容及方向提供可靠的试验平台支撑。

附图说明

图1为本发明模拟试验系统的整体结构的俯视图；

图2为图1中试验腔的结构正视图；

图3为本发明模拟试验系统的侧面结构剖视图；

图4为本发明后加载盖的侧面结构剖视图；

图5为本发明加载环的侧面结构剖视图；

图6为本发明反力盖的侧面结构剖视图；

图7为本发明轨道输送子系统的侧面视图；

图8为本发明模型成型子系统的侧面视图；

图9为图8中反力架的结构正视图；

图10为本发明的抽注气子系统的结构图。

附图说明：10－底座；11－拉拔器；12－后加载盖；13－过渡环；14－加载环组；15－反力盖；16－试件台；17－均布加载器阵列；18－导轨；19－拉杆；20－模具箱；21－反力架；22－支柱；23－底台；24－压头；25－连接杆；26－凸台；27－升降轨；28－模型；29－加压油缸；30－轨道支架；31－平板拖车；32－驱动小车；33－纵向输送轨；34－转向轨；35－升降旋转台；36－升降油缸；37－横向输送轨；38－腔内轨；50－安全阀；51－控制器；52－真空泵；53－抽气电动球阀；54－分球阀；55－集装格；56－全开阀；57－稳压阀；58－注气电动球阀；59－压力传感器；60－温度传感器；120－圆形钢板；121－加强筋架；122－环带钢板；123－工程油缸；130－油路密封连接口；131－引线密封连接口；140－加载环；141－支撑座；142－滚轮；150－前反力板；151－端盖；152－中心孔；153－管套；190－拉杆孔；201－侧板；210－分配梁；350－托盘；351－限位板；352－挡销。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

一种煤岩工程多功能物理模拟试验系统，其模型成型子系统制作完成模型后，由轨道输送子系统输送至试验腔处，试验腔内设液压式多维应力加载组件，多维应力加载组件连接有伺服油源，伺服油源受液压加载控制子系统控制，进而控制多维应力加载组件施加在模型上的应力。与试验腔连通的还有抽注气子系统，用于对腔内的气压进行调控，以真实模拟煤岩工程中处于瓦斯等气体下的工况。试验腔内模型的应力变化、腔内气压以及多维应力加载组件的施力情况，均通过测试子系统进行检测并反馈至液压加载控制子系统和抽注气子系统。本系统试验腔的结构采用卧式，由加载框架和可拆卸式连接于加载框架一端的反力盖15围成腔体，加载框架和反力盖15同轴安装于底座10上，底座10上的导轨18沿加载框架的轴向设置，加载框架和反力盖15的底部分别安装有支撑座141，支撑座141可沿导轨18滑行，通过上述设置，使得加载框架与反力盖15围成的腔体开闭方便。在加载框架与反力盖15相离时，模型28通过轨道输送子系统送至腔内，模型28安装就位后，移除轨道输送子系统，密封连接加载框架与反力盖15，进行试验。

作为一种具体实施例，本系统的试验腔如图1、2、3所示，其加载框架主体上由后加载盖12和加载环组14构成，后加载盖12、加载环组14和反力盖15同轴可拆卸式密封连接，加载环组14内侧底部为试件台16，模型28水平承放在其上面。在该实施例中，对模型28施加应力的组件选用液压式式的均布加载器。为适应均匀以及非均匀要求的应力加载，采取阵列排布的均布加载器阵列17对应模型28单个面的施力。模型28一般采用方形体结构，以模型28对应后加载盖12的一面为后表面，加载环组14对应模型的左、右、上表面各设一个均布加载器阵列17，后加载盖12对应模型28的后表面设置一个均布加载器阵列17，反力盖15不施力，只通过前反力板150起向后的反力作用。

加载环组14具体是由多个加载环140密封串连而成，后加载盖12的均布加载器阵列17向前凸出，为契合安装，在加载环组14与后加载盖12之间增加一个内部不带加载器的过渡环13，用于尺寸上的匹配连接。为保证试验腔各部件间连接的牢固性和密封性，后加载盖12、过渡环13、加载环140和反力盖15间均设置有定位环和密封环，且通过整周均布多个轴向的拉杆孔190，各个加载环140的拉杆孔190对齐后通过拉杆19沿轴向串接到一起。由于试验时在应力较大的情况下容易导致结构变形，影响密封性，因此拉杆19的两端设置拉拔器11防止轴向扩张拉伸。

测试子系统的位移传感器、油压传感器、气体压力传感器、温度传感器和应力传感器均布置在试验腔内壁或模型上，这些传感器的引线需要引出到腔外以信息反馈，因此，在加载环140和过渡环13的壁上开设引线密封连接口131，引线密封连接口131采用中部贯穿接线柱式的法兰结构，法兰盘与试验腔壁螺栓密封连接，接线柱与法兰主体玻璃烧结密封，传感器的引线即通过接线柱引出到腔外。均布加载器的油路需要与伺服油源连通，在加载环140和过渡环13的壁上开设油路密封连接口130，类似结构的也采用法兰结构，线柱式对应设计为输油管即可。

本系统由于吨位较大，为此，在试验腔等框架结构上有所考虑，加载环140、后加载盖12以及反力盖15，均避免采用整体铸造的结构，而是采用钢板焊接成型，在减轻质量的同时保证强度。如图4所示的后加载盖12，其主要由圆形钢板120、环带钢板122和焊接在圆形钢板120的后表面朝后凸出的蜘蛛网状加强筋架121组成，环带钢板122的内侧面与加强筋架121的各端部焊接，环带钢板122前端与圆形钢板120焊接。同样的，支撑座141也通过钢板焊接成型，支撑座141的上表面为一段圆弧带状，便于与加载环组14、后加载盖12的圆弧底面贴合式螺栓紧固。图5所示为单个加载环140的侧面剖视图。关闭试验腔时，为拉拢加载环组14与反力盖15，在支撑座141的底部对应导轨18设置滚轮142，并且将加载环组14的支撑座141和反力盖15的支撑座141沿导轨18的两个侧部分别通过一工程油缸123连接，利用工程油缸123的强大拉力，拉拢两部件。

为方便对模型28进行钻孔、开挖、造缝等作业，进一步的实施例，前反力盖15设有中心孔152，中心孔152内衬管套153，所述管套153的一端与前反力板150连接，管套153的另一端可拆卸式密封连接有端盖151，如图6所示。

轨道输送子系统的一种实施例结构，其由轨道支架30以及轨道支架30上相互垂直的横向轨道和纵向轨道构成，纵向轨道位于横向轨道的上方。纵向轨道和横向轨道分时利用转向轨34，转向轨34为纵向轨道与横向轨道竖直空间看交错的一段可转向的轨道。纵向轨道除转向轨34还有一端对应模型成型子系统的纵向输送轨33，平板拖车31在驱动小车32驱动下，由模型成型子系统一端的纵向输送轨33前进到转向轨34上，此时转向轨34为纵向轨道的一部分。横向轨道还有腔内轨38和横向输送轨37，腔内轨38是设置在试件台16的两侧不超出试验腔的一段轨道，横向输送轨37为腔内轨38与转向轨34的过渡，转向轨34在升降旋转台35的转动下，转过90°后下降，与横向输送轨37接轨，落在轨道支架30上。为尽量少的搬动模型28，在腔内轨38的底部设置升降油缸36，平板拖车31行驶到试件台16正上方后，腔内轨38下降，平板拖车31的底板完全落在试件台16的上表面上，不需要再撤掉平板拖车31即可进行试验。图7为轨道输送子系统单独的一个结构示意图，图中的升降旋转台35除连接转向轨34的托盘350外，还设置下降过程中的限位板351，对应限位板351，轨道支架30上还设置挡销352。试验腔密封前，拆除加载环组14与反力盖15间的横向输送轨37和轨道支架30等。

模型成型子系统的一种实施例，其包括模具箱20和反力架21，所述反力架21通过支柱22安装于一底台23上，反力架21包括分配梁210，所述分配梁210的上面安装有加压油缸29，分配梁210的下面设有压头24，所述加压油缸29与压头24通过穿过分配梁210的连接杆25连接。所述底台23位于压头24正下方的部分为一凸台26，所述支柱22连接于分配梁210与底台23凸台26两侧的台阶之间，所述凸台26的两侧与支柱22之间各设有一升降轨27，升降轨27同样采用升降油缸36结构，升降轨27与反力架21外的轨道输送子系统接轨。所述模具箱20的底板为平板拖车31的底板，模具箱20四周的侧板201可拆卸式安装在平板拖车31的底板上，以便调节不同尺寸的模型28。平板拖车31在升降轨27处进行模型制作时，升降轨27在下降过程中应保证平板拖车31的底板能完全落在凸台26上，在模型送出时，升降轨27再上升使平板拖车31能够驶出。图8和图9为本实施例中模型成型子系统的结构图。

在控制方面，液压加载控制子系统包括POP-M型多通道控制器以及带有PLC控制器用于电液伺服油源开关量控制的电控柜，多通道控制器的每一控制通道对应控制一个均布加载器的油腔压力，实现均布加载器阵列的不均匀施力。可选用现成的成套系统，如杭州邦威机电控制工程有限公司的液压加载控制系统系列。

在监测方面，测试子系统还包括静态应变测试平台和光纤光栅应变测试平台，每个均布加载器包括多个加载活塞，同一个均布加载器的多个加载活塞共用一个位移传感器和一对进、回油腔的油压传感器。静态应变测试平台和光纤光栅应变测试平台两套平台可根据试验需要选用其一或同时使用。静态应变测试平台可选用江苏东华测试技术股份有限公司的DH3816型静态电阻应变仪；光纤光栅应变测试平台主要由光纤传感器、光纤分路器、通道扩展仪、光纤动态解调仪及计算机组成。

为使试验人员能够直观清楚的分析试验过程，本系统还引入了可视化子系统，可视化子系统包括设置在试验腔内的照明设备和通信连接有数据采集器的电脑显示器，数据采集器采集测试子系统中传感器检测到的信号。

本系统的抽注气子系统如图10所示，包括控制器51、用于抽气的真空泵52和抽气电动球阀53、以及用于注气的二氧化碳钢瓶和注气电动球阀58。真空泵52和抽气电动球阀53管道连接后再与试验腔管道连接；二氧化碳钢瓶提供气源，并将数个二氧化碳钢瓶作为一组集中到一个集装格55中，每个集装格55的出气管一路并通过一个分球阀54与注气电动球阀58连接，注气电动球阀58再与试验腔连接。对试验腔还设置压力传感器59和温度传感器60，其作为检测但愿反馈给控制器51实时参数，控制器51从而控制真空泵52和注气电动球阀58，实现抽注气功能。

为避免试验中气体压力过大造成潜在危险，管路中设置安全阀50。并且分两路设置注气电动球阀58与试验腔连接，一路上设稳压阀57，一路上设全开阀56，以保证注气压力的均匀性和稳定性。常规条件下，深部煤岩具有较大的瓦斯气体压力，当在模拟煤与瓦斯突出等过程中，需要做到气体的持续和及时补充，本子系统提供实验过程中的气体抽放及补充任务，是模拟深部煤岩工程中模拟瓦斯气体压力所不可或缺的一环，真正意义上做到深部煤岩工程的模拟。

对应上述试验系统进行煤岩模型试验的方法，包括以下步骤：

a：在试验腔内完成应力传感器、应变传感器、温度传感器、瓦斯压力传感器和声发射传感器的布设，上述所有传感器所测信号为测试子系统实时连续采集的应力、应变、温度和瓦斯压力参数。

b：在模型成型子系统中成型模型28，将模型28通过轨道输送子系统传送至试验腔内的试件台16上，封闭试验腔。

c：对模型28同步施加三向应力，三向应力按每级1MPa逐级加载至10MPa，每级加载应力的稳压时间为5～10min；并通过真空泵52对试验腔抽真空，抽真空时间在12h以上，使试验腔的真空度小于100Pa，关闭真空泵52，检验试验腔的气密性，启动测试子系统。

d：向试验腔内注入纯度大于99.9％的瓦斯气体至气压5MPa，维持该气压48小时以上，使模型28完全吸附瓦斯气体，完成注气过程。

e：对反力盖15的中心位置设置模拟开挖通道，由钻机通过模拟开挖通道对模型28进行模拟钻孔，进行水力割缝、水力压裂和水力冲孔验。

f：依次卸除施加到模型28的气压、应力，关闭测试子系统，试验结束。

模型28在模型成型子系统中成型，成型包括以下步骤：1)组装好模具箱20；2)用吊车、吊篮向模具箱20内添加物料，实验人员进入模具箱20内，摊平材料并人工夯实，与此同时根据试验方案布置好应力、应变、温度、瓦斯压力等传感器；3)实验人员撤出模具箱20后，模具箱20通过驱动小车32沿轨道进入反力架21下方，通过压头24、加压油缸29施加5MPa的成型压力；4)模型材料压实后，压头24收回，模具箱20退出反力架21下方，人员再次进入模具箱20内，将已压实的模型材料表面划松，再重复2)、3)步骤，直至模型28制作完毕。

在对试验腔抽真空后，根据真空压力指示数的变化情况来判定试验腔的气密性，当真空压力在停止抽真空后的1h内指示数保持不变，即认为试验腔的气密性可满足试验要求。然后启动测试子系统，并开始向试验腔注入瓦斯气体。

反力盖15的中心位置原本有补芯填补其中心孔152，在模型28完全吸附瓦斯后，卸除补芯形成模拟开挖通道，将钻机调整到相应位置，安装好自动切换式割缝器和钻头，其中割缝器位于钻头和钻杆之间，在连接好高压水泵、水箱和管路后，按照设计好的钻孔参数，采用泵压(此时自动切换式割缝器处于关闭状态)进行钻孔施工，在钻至设计深度时，停止钻进但保持钻杆的旋转状态。升高泵压，使自动切换式割缝器处于工作状态，对模型28进行割缝，在缝槽半径达到设计值时，停止割缝，割缝时间根据模型28的力学参数、钻杆转速和工作泵压计算得出，在完成该缝槽的割缝后，钻杆向外退出，进行下一个缝槽的切割，直至切割完毕。在钻孔和切割缝槽期间，始终保持对应力、应变、温度、瓦斯压力等参数的实时连续采集，直至试验结束。在缝槽切割完成后，先关闭高压水泵并撤出钻杆，然后开始卸除气压，气压卸除后分10级、每级1MPa来分级卸除模型28的三向应力，三向应力卸除后关闭测试子系统，试验结束。

Claims (9)

1.一种煤岩工程多功能物理模拟试验系统，包括试验腔、模型成型子系统、液压加载控制子系统、测试子系统和抽注气子系统，所述试验腔内设液压式多维应力加载组件，多维应力加载组件连接有伺服油源，所述液压加载控制子系统控制连接伺服油源，测试子系统与液压加载控制子系统通信连接，其特征在于：所述试验腔包括加载框架和可拆卸式连接于加载框架一端的反力盖，所述加载框架和反力盖同轴安装于一底座上，所述底座上沿加载框架的轴向设置有导轨，所述导轨上安装有可沿导轨滑行的支撑座，所述加载框架和反力盖的底部分别安装有支撑座；所述模型成型子系统与试验腔之间可拆卸式连接有用于输送模型的轨道输送子系统；

所述加载框架包括与反力盖同轴的后加载盖和加载环组，加载环组与后加载盖、反力盖可拆卸式密封连接且位于后加载盖和反力盖之间；

所述加载环组内的底侧设置有水平承放模型的试件台，多维应力加载组件包括设置在加载环组内壁分别对应模型左、右、上表面的均布加载器阵列以及后加载盖对应模型后表面的均布加载器阵列，反力盖对应模型的前表面设置有前反力板；

所述抽注气子系统与试验腔连接。

2.根据权利要求 1所述的煤岩工程多功能物理模拟试验系统，其特征在于：所述加载环组与后加载盖之间连接有过渡环，后加载盖、过渡环、加载环组和反力盖的外环部分通过拉杆沿轴向串接，所述拉杆围绕试验腔的轴心均匀分布有多只，拉杆的两端设置有拉拔器，且后加载盖、过渡环、加载环和反力盖间均设置有定位环和密封环；

加载环组和过渡环的壁上设置有油路密封连接口和引线密封连接口，均布加载器阵列通过油路密封连接口与伺服油源连接，测试子系统包括由设置在试验腔内的位移传感器、油压传感器、气体压力传感器、温度传感器和应力传感器组成的传感器测试组，传感器测试组通过引线密封连接口与液压加载控制子系统、抽注气子系统通信连接。

3.根据权利要求 2所述的煤岩工程多功能物理模拟试验系统，其特征在于：所述加载环组由钢板焊接成型的加载环密封串连而成；所述后加载盖包括圆形钢板，圆形钢板的后表面焊接有朝后凸出的蜘蛛网状的加强筋架，后加载盖的外侧部包括一环带钢板，环带钢板前端与圆形钢板焊接，环带钢板的内侧面与加强筋架的各端部焊接；

支撑座通过钢板焊接成型，支撑座的上表面与加载环组、后加载盖的圆弧底面均为贴合式螺栓紧固，支撑座的底部对应导轨设置有滚轮，加载环组的支撑座和反力盖的支撑座沿导轨的两个侧部分别通过一工程油缸连接；

所述反力盖设有中心孔，所述中心孔内衬管套，所述管套的一端与前反力板连接，管套的另一端可拆卸式密封连接有端盖。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的煤岩工程多功能物理模拟试验系统，其特征在于：

所述轨道输送子系统包括轨道支架，所述轨道支架上设置有相互垂直的横向轨道和纵向轨道，纵向轨道位于横向轨道的上方，纵向轨道包括一端对应模型成型子系统的纵向输送轨，所述纵向输送轨上设置有可运行于横向轨道、纵向轨道上的驱动小车以及承载模型的平板拖车，驱动小车驱动连接平板拖车，所述纵向输送轨的另一端连接有转向轨；

所述横向轨道包括腔内轨和横向输送轨，所述腔内轨设置在试验腔内承载模型的试件台的两侧，横向输送轨的一端与腔内轨连接，轨道支架从横向输送轨的另一端延伸至转向轨的正下方，转向轨的正下方设置有可 90°往返旋转的升降旋转台，所述升降旋转台位于转向轨正下方的导轨支架中且顶部与转向轨的底部固定；

所述腔内轨的底部设置有升降油缸，腔内轨的升降行程大于平板拖车的底面在腔内轨上升至上限时高出试件台上表面的距离。

5.根据权利要求 4所述的煤岩工程多功能物理模拟试验系统，其特征在于：所述模型成型子系统包括模具箱和反力架，所述反力架通过支柱安装于一底台上，反力架包括分配梁，所述分配梁的上面安装有加压油缸，分配梁的下面设有压头，所述加压油缸与压头通过穿过分配梁的连接杆连接；所述底台位于压头正下方的部分为一凸台，所述支柱连接于分配梁与底台凸台两侧的台阶之间，所述凸台的两侧与支柱之间各设有一升降轨，所述升降轨与反力架外的轨道输送子系统接轨；所述模具箱的底板为平板拖车的底板，模具箱四周的侧板可拆卸式安装在平板拖车的底板上；升降轨的升降行程大于平板拖车的底面在升降轨上升至上限

时高出凸台上表面的距离。

6.根据权利要求4所述的煤岩工程多功能物理模拟试验系统，其特征在于：所述液压加载控制子系统包括 POP-M 型多通道控制器以及带有 PLC 控制器用于电液伺服油源开关量控制的电控柜，多通道控制器的每一控制通道对应控制一个均布加载器的油腔压力；

所述测试子系统还包括静态应变测试平台和光纤光栅应变测试平台，每个均布加载器包括多个加载活塞，同一个均布加载器的多个加载活塞共用一个位移传感器和一对进、回油腔的油压传感器。

7.根据权利要求6所述的煤岩工程多功能物理模拟试验系统，其特征在于：还包括可视化子系统，可视化子系统包括设置在试验腔内的照明设备和通信连接有数据采集器的电脑显示器，数据采集器与测试子系统通信连接。

8.根据权利要求7所述的煤岩工程多功能物理模拟试验系统，其特征在于：所述抽注气子系统包括控制器、用于抽气的真空泵和抽气电动球阀、以及用于注气的二氧化碳钢瓶和注气电动球阀，所述真空泵和抽气电动球阀管道连接后再与试验腔管道连接，二氧化碳钢瓶经注气电动球阀与试验腔连接，控制器控制连接真空泵和注气电动球阀。

9.一种利用权利要求8所述的煤岩工程多功能物理模拟试验系统进行煤岩模型试验的方法，其特征在于：包括以下步骤 ：

a：在试验腔内完成应力传感器、应变传感器、温度传感器、瓦斯压力传感器和声发射传感器的布设，上述所有传感器所测信号为测试子系统实时连续采集的应力、应变、温度和瓦斯压力参数；

b：在模型成型子系统中成型模型，将模型通过轨道输送子系统传送至试验腔内的试件台上，封闭试验腔；

c：对模型同步施加三向应力，三向应力按每级 1 MPa 逐级加载至 10 MPa，并通过真空泵对试验腔抽真空，抽真空时间在 12 h 以上，使试验腔的真空度小于 100 Pa，关闭真空泵，检验试验腔的气密性，启动测试子系统；

d：向试验腔内注入纯度大于 99.9%的瓦斯气体至气压 5 MPa，维持该气压 48 小时以上，使模型完全吸附瓦斯气体，完成注气过程；

e：对反力盖的中心位置设置模拟开挖通道，由钻机通过模拟开挖通道对模型进行模拟钻孔，进行水力割缝、水力压裂和水力冲孔验；

f：依次卸除施加到模型的气压、应力，关闭测试子系统，试验结束。