CN106198235A - 基于地质力学模型试验的爆破模拟试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

在综合参考爆破模拟试验装置和岩土工程多功能试验装置的基础上，基于地质力学模型试验新技术思路，提出并设计了一套大型三维爆破模拟试验装置及试验方法。该装置主要由反力架(1)和液压千斤顶(2)、试验箱体(3)等组成。通过建立地质构造煤岩体试验模型(4)，采用微药量控制爆破药柱(5)，配以数据监测传感器接口(6)，以实现地质力学模型试验和爆破模拟试验的有机结合。试验装置实现了真三维液压加载，融煤体、岩体和复杂地质构造为一体，可以实现不同节理、结构面和软弱夹层以及断层、褶曲等复杂地质构造带在不同应力状态下的爆破模拟试验，为研究地质构造带安全高效爆破理论提供了一条新的思路和试验方法。

Description

基于地质力学模型试验的爆破模拟试验装置及方法

技术领域：

本发明涉及一种爆破模拟试验装置和试验方法，尤其涉及地质力学模型试验与大尺寸真三维爆破模拟试验相结合的试验方法。

背景技术：

随着煤矿开采强度的不断增大，中深孔控制爆破技术在煤矿生产中的应用越来越广泛，如低透气性煤层增透提高瓦斯抽采率、坚硬顶板强制放顶、厚煤层坚硬顶煤综放开采、爆破掘进和石门揭煤等。

然而，爆破产生的震动会对煤岩体产生强烈的影响，应力迅速重新分布促使煤岩劣化容易诱发瓦斯动力灾害。当爆破作业扰动到井下地质构造带煤岩体时，更加容易诱发煤岩瓦斯动力灾害的发生。例如，淮南矿业集团潘谢矿区共发生瓦斯突出56次，其中放炮诱发突出40次，占突出总数的71.43％。据近五年不完全统计，由爆破扰动到地质构造煤层诱发的瓦斯动力灾害总共有8起，死亡83人。

只有充分认识爆破震动导致的煤岩体物理平衡状态的破坏过程，解决瓦斯动力灾害发生的关键科学问题，才能制定有效的控制爆破技术，达到安全运用爆破技术的同时预防爆破导致瓦斯动力灾害发生的目的。

许多学者对爆破和巷道围岩稳定性的关系进行了深入研究，把煤岩体作为均值连续介质来考虑。然而，实际煤岩介质多为不连续体，爆破过程中的力学问题属于不连续介质力学问题，其爆破物理过程、爆破作用机制和效果受煤岩体中发育的节理、裂隙等结构面控制。

虽然爆破应力波在节理、结构面和软弱夹层处传播的模拟试验研究已有先例，但模型尺寸较小，在试验中没有涉及地质体，也未能实现真三维应力加载。

鉴于此，在综合参考爆破模拟试验装置和岩土工程多功能试验装置的基础上，基于相似模拟试验思想和地质力学模型试验新技术思路，提出了一套基于相似模拟和地质力学模型试验的爆破试验装置及试验方法。

发明内容：

本发明所要解决的问题为：现有的爆破模拟试验使用的为各向同性均质材料进行重复性试验，并且试验装置尺寸较小，不能实现真三维加载，没有考虑地质构造、节理、结构面和软弱夹层等对爆破效果的影响。

为解决上述问题，在地质力学模型试验新技术的基础上，通过设计大型真三维爆破模拟试验装置，构建地质构造带煤岩体试验模型，确立爆破模拟试验的相似条件，利用微药量控制爆破技术，以实现地质力学模型试验和爆破模拟试验的有机结合。

本发明是基于地质力学模型试验技术的爆破模拟试验新方法，公开了一种大型真三维爆破模拟试验系统及其试验方法，包括1套真三维液压加载装置和反力架，1个大型爆破模拟试验箱体，1套数据监测系统和实验室微药量控制爆破技术。

本发明在进行爆破模拟试验之前，首先根据矿区实际煤岩层的岩性分布和地质构造情况，在实验室建立地质构造带煤岩体试验模型。

进一步，根据相似模拟试验理论，确定试验煤岩介质体与地质构造带煤岩体的相似性，确定地质构造带煤岩体的相似材料配比方案和制备工艺。

进一步，根据试验矿区的地质柱状图和岩石力学参数测试的结果结合所建立的构造带地质煤岩体的试验模型，按照地质力学模型试验方法和相似材料配比方案在试验箱体中铺设试验模型。采用粒径小于1.5mm的河砂作为骨料，石灰、石膏为胶结料作为相似材料模拟煤层顶底板岩层，煤层采用突出煤层中的原煤，构造带煤层使用突出煤样通过材料配比确定，节理与地质构造带分界面均采用云母制取。

进一步，模型铺设过程中，在试验箱体的预定位置布置应力、爆破振动采集数据传感器和金属探针，安装数据监测系统。

进一步，模型制作好之后，按照设计要求组装三维液压加载系统。保持固定载荷进行应力加载。垂直地应力值按式σ＝γh计算，垂直地质构造带方向的地应力按1.5γh计算，水平构造应力按1.75倍模型材料抗压强度施加。

进一步，在地质构造带煤岩体物理模型铺设完成和施加三向应力载荷之后，在预先设定的位置通过电钻按照设计的炮孔深度打炮眼，按照Froude比例法，在炮眼内装填黑索金炸药或者导爆索和雷管，采用黄泥封孔。通过发爆器引爆雷管便可进行爆破扰动地质构造带煤岩体的相似模拟试验。

综上所述，本发明的有益效果：试验装置实现了真三维液压加载，融煤体、岩体和复杂地质构造为一体，可以实现不同节理、结构面和软弱夹层以及断层、褶曲等复杂的地质构造带在不同应力赋存状态下的爆破模拟试验，探索复杂地质构造带爆破扰动条件下煤岩动力失稳机理，为研究地质构造带安全高效爆破理论提供了一条新的思路和试验方法。

附图说明：

图1为本发明的爆破模拟试验装置系统机构示意图。

图2为本发明的爆破模拟试验箱体前视图及具体尺寸。

图3为本发明的爆破模拟试验箱体侧视图及具体尺寸。

图4为本发明的爆破模拟试验箱体俯视图及具体尺寸。

图5为本发明的爆破模拟试验箱体活塞杆和压力板及具体尺寸。

图6为本发明的爆破模拟试验装置反力架和液压千斤顶及具体尺寸。

图7为本发明的微药量控制爆破技术装药模式。

图8为本发明的基于地质力学模型试验的爆破模拟试验实例。

其中：1-反力架；2-液压千斤顶；3-大型三维爆破模拟试验装置箱体；4-地质构造带煤岩体；5-微药量控制爆破药柱；6-数据监测传感器接线口；7-圆柱形加压活塞杆；8-活塞底座；9-活塞压力加压板；10-微药量控制爆破技术雷管导线出口及爆破孔；11-螺栓；12-反力架上横梁；13-反力架中横梁；14-反力架加强筋；15-反力架底横梁；16-液压千斤顶法兰盘；17-黑索金炸药或导爆索；18-雷管；19-黄泥；20-雷管引线；21-应变砖；22-应力测线；23-金属探针；24-掘进巷道。

具体实施方式：

下面结合附图与爆破扰动构造带地质弱面煤岩相似模拟试验例对本发明进行详细说明。

实施例：如图1-图8所示，该大型三维爆破模拟试验装置，主要包括液压加载系统(1)和(2)，试验箱体(3)；所述数据监测传感器接线口(6)布置在试验箱体(3)的右下侧；所述微药量控制爆破技术，向爆破孔内装填黑索金炸药或者导爆索(17)并连接雷管(18)，采用黄泥封孔，通过发爆器引爆雷管进行爆破模拟试验。

本实施例，通过分析构造运动对地质弱面煤体发育的控制作用，选取煤层结构破坏的构造带区域为爆破扰动地质弱面煤岩体的试验模型，建立的构造带地质煤体试验模型(4)。以不同粒度的煤粉为骨料，腐植酸钠水溶液为胶结剂制备型煤试件，根据正交试验方法对试件进行吸附解吸和力学参数测试，考察试件与地质弱面煤体的相似性，确定构造带地质弱面煤体的相似材料配比方案和制备工艺。

本实施例，按照地质力学模型试验方法和相似材料配比方案在试验箱体(3)中铺设试验模型。模型铺设过程中，按照设计位置预留爆破孔并在试验箱体的开挖巷道上方布置4条应力测线(22)，测点所埋设的应变砖(21)尺寸为20mm×20mm×20mm，采用SDY2107A超动态应变数据采集系统实时采集爆破过程应变数据，并反演该点应力值；在炸药上方等间距布置7条直径0.14mm的漆包铜线(23)作为传感器材料，用BSW-3A型智能爆速仪对裂纹扩展速度进行测试，用DasView2.0软件进行分析。

本实施例，模型制作好之后，保持固定载荷进行应力加载。垂直地应力值按式σ＝γh计算，模型和原型相似比为1:40，煤层埋深设为900m，垂直逆断层方向的地应力按1.5γh计算，水平应力按1.75倍模型材料抗压强度施加。

本实施例，利用液压加载系统施加应力预加载半个月，保持其他条件不变，装填炸药、雷管和导爆索，使用黄泥封孔，通过发爆器引爆雷管便可进行爆破扰动构造带地质弱面煤岩体的相似模拟试验。

Claims (3)

1.一种基于地质力学模型试验的大型三维爆破模拟试验装置及方法，其试验装置主要包括试验箱体、应力传递活塞及其附属设备、液压加载系统和数据监测系统。

(1)试验箱体包括数据监测传感器接线口、应力传递活塞及其附属设备和微药量控制爆破雷管导线出口及爆破孔。应力传递活塞及其附属设备主要由圆柱形加压活塞杆、活塞底座及其相应的固定螺栓和压力传递加压板组成。

试验箱体内腔净尺寸为2800mm×2800mm×2000mm，整个箱体采用30mm厚的Q345钢板焊接而成。

箱体上盖板和两侧共布设有77组直径为70mm的圆柱形加压活塞杆，其中上盖板49组，在每个活塞前段连接有一块Q345钢的活塞压力加压板；两侧各14组，两侧各放置两块活塞压力加压板。

试验箱体上盖板被平均分成了49个小方格，每个小方格里面通过螺栓固定一个活塞底座，用来放置一个圆柱形加压活塞杆。

(2)应力传递活塞及其附属设备的底座底部为边长200mm的正方形，高度为100mm。圆柱形加压活塞杆高度350mm，直径70mm；顶部活塞压力加压板设计成边长为0.4m的正方形，施加垂直应力的上部活塞压力加压板尺寸为400mm×400mm×20mm。施加水平应力的侧部活塞压力加压板尺寸为2800mm×950mm×20mm。

加压活塞杆与液压千斤顶相连，可以自由移动，主要作用为传递液压千斤顶的应力。

(3)液压加载系统由7组反力架、77组液压千斤顶及其输油管路和液压泵站组成，液压千斤顶通过法兰盘与反力架连接，每一组反力架顶部固定7组液压千斤顶，左右两侧各固定2组液压千斤顶。

每一组反力架由液压千斤顶、反力架上横梁、反力架中横梁、反力架加强筋和反力架底横梁组成，反力架厚40mm，净长5660mm，净高3430mm，总体尺寸为5660mm(长)×2800mm(宽)×3430mm(高)。反力架由40mm厚的Q345工字钢焊接而成，反力架加强筋是直径为50mm的钢结构螺旋圆柱。

液压千斤顶参数：活塞底座长度250mm，活塞杆行程最大125mm，顶部千斤顶活塞杆实际最大行程105mm；活塞加活塞底座与侧边液压千斤顶预留20mm 孔隙，以方便试验箱体顺利出入反力架。

通过控制液压千斤顶的输油管路，关闭或者打开、调节每一组的液压千斤顶的液压泵的压力，可模拟地质构造带的应力释放和应力集中现象。

(4)数据监测系统主要由埋入到煤岩体内部的数据监测传感器，如爆破振动探头、应力、金属探针，并通过相应的设备读取传感器探头数据进行分析，如爆破振动采集仪、超动态应变仪数据采集系统。

2.一种基于地质力学模型试验的大型三维爆破模拟试验装置及方法，其试 验方法特征主要包括以下步骤：

(1)根据矿区实际煤岩层的岩性分布和地质构造情况，在实验室建立构造带地质煤体试验模型；

(2)根据矿区的地质柱状图和岩石力学参数测试的结果，按照相似模拟试验的相似原理进行相似材料配比，根据所建立的构造带地质煤体的试验模型，在试验箱体中根据相似材料配比逐层铺设试验材料；

(3)在构造带地质煤体物理模型铺设过程中，在预先设定的位置安放相应的数据监测传感器，包括应力、爆破振动采集数据传感器和金属探针，安装数据监测系统；

(4)模型制作好之后，按照设计要求组装三维液压加载系统，保持固定载荷进行应力加载，垂直地应力值按式σ＝γh计算，垂直地质构造带方向的地应力按1.5γh计算，水平构造应力按1.75倍模型材料抗压强度施加；

(5)在地质构造带煤岩体物理模型铺设完成和施加三向应力载荷之后，在预先设定的位置通过电钻按照设计的炮孔深度打炮眼，采用微药量控制爆破技术进行基于相似模拟和地质力学模型试验的爆破模拟试验。

3.如实现权利要求2所述的微药量控制爆破技术，按照Froude比例法，经过相似比例计算后在炮眼内装填黑索金炸药或者导爆索，然后装填引爆雷管，最后采用黄泥封堵炮孔。通过发爆器引爆雷管便可进行爆破扰动地质构造煤岩体的相似模拟试验。