CN106226502A - 深部高地应力煤岩体动力灾害与驱替模拟试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深部高地应力煤岩体动力灾害与驱替模拟试验系统及方法，包括放置测试岩样的腔体，所述腔体上设置有用于施加三轴应力的应力加载模块，所述腔体上、下端设置有对抗三轴应力、提供反力支撑的反力模块；腔体一侧设置有向腔体内注入与排出高压气体/液体的充填机构，另一端设置有能够实现腔体与外界保持封闭与连通的巷道开挖与瞬间打开模块，通过控制其开闭，使测试岩样在腔体内完成深部高地应力含气/液环境下的多场耦合反应；腔体外部设置有能够推动所述腔体在水平与垂直两个方位之间运动的翻转模块。可以实现真三轴高地应力条件下的隧道开挖等工况模拟还可实现对模型材料的面式充气注水模拟煤与瓦斯吸附解吸、水力劈裂和驱遣等试验功能。

Description

深部高地应力煤岩体动力灾害与驱替模拟试验系统及方法

技术领域

本发明涉及一种深部高地应力煤岩体动力灾害与驱替模拟试验系统及方法，尤其是涉及深部高地应力含气(液)煤岩体动力灾害与驱替模拟。

背景技术

目前地下工程领域的研究方法主要有理论分析、数值计算、地质力学模型试验和现场监控量测等手段，而这些方法中，由于岩体力学行为的高度非线性以及参数选取不明确性，单纯的理论分析和数值计算很难解决和处理大型复杂的项目，相比之下模型试验具有可重复、安全性高、经济性好、针对性强、数据可靠等优点，综合考虑，采用室内模型试验结合数值计算和理论分析与现场监测相互印证得到结论与规律更科学可靠。对此，国内外学者对此进行了大量的研究，取得了丰硕的成果。但由于深部地质条件的复杂性，使得问题仍未得到圆满解决，如何更加安全、高效、智能的模拟这类复杂条件下特别是多场耦合条件下，煤岩体动力灾害与驱替模拟试验和试验手段还存在严重不足。

目前，针对多场耦合条件下的地质力学模型试验，已开展了大量的研究工作，研制了一系列模拟试验装置，研究现状如下：

(1)申请号为200910103155.7的中国专利公开了一种煤与瓦斯突出试验快速泄压的煤样室，包括煤样室本体，煤样室本体设置煤与瓦斯喷出口和压力气体进口，煤与瓦斯喷出口设置控制阀，煤样室本体内在控制阀前设置隔膜，隔膜与控制阀之间的空腔为平衡腔，平衡腔设置压力平衡气体进口。泄压采用隔膜，试验过程复杂，不方便操作。

(2)申请号为201010149061.6的中国专利公开了一种煤与瓦斯突出模拟试验装置，包括钢筒，设置在钢筒两端的法兰盘，充气系统和数据采集系统；设置在钢筒一端的法兰盘为带有中心孔的法兰盘，并在该法兰盘与钢筒的非安装侧设置防爆片。但该装置不能进行地应力加载。

(3)申请号为201120308468.9的中国专利公开了一种长岩心模型驱替装置，装置包括：注入系统、模型系统、测量系统、控制系统，其注入系统可进行恒压恒速流量注入；模型系统由单个或多个填砂模型管、回压系统串联；测量系统可用于测量压力、温度、流量数据；控制系统用于由计算机自动控制注入泵的流量，并利用采集处理软件，采集和处理上述压力、温度、流量数据。该装置可以利用组合的串联模型管来满足采油领域中模拟较长距离驱替的需要，并根据不同模拟工艺进行一个或多个组合使用。但该装置不能进行地应力加载。

(4)申请号为201410748044.2的中国专利公开了一种一体式煤与瓦斯吸附解吸与突出试验装置及试验方法，装置主要包括圆筒形煤样室，若干压力和温度传感器，煤样室一端固定安装有液压加载及充气设备，另一端设有煤与瓦斯喷出口，在煤与瓦斯喷出口处设置有快速释放机构；液压加载及充气设备包括一活塞杆，活塞杆上设置一个与煤样室内腔相配合的活塞，活塞杆末端与面式充气加载盘连接，活塞和面式充气加载盘分别位于煤样室中两个独立腔体中，活塞和面式充气加载盘与纵向隔板之间的空间分别与煤样室外壁上的两个液压站接口相通，该装置能够研究型煤在不同地应力、不同瓦斯压力条件下煤对瓦斯的吸附解吸特性和煤与瓦斯突出机理，但该装置无法实现高地应力条件下的真三轴加载且试验过程中材料装配需消耗大量人工，智能化程度略低。

(5)申请号为201510008771.X的中国专利公开了一种水力加砂压裂系统，主要由压裂装置、围压室、轴压室等组成；第一压头的一端与压裂试件的一端连接，用于发射横波和纵波信号；第二压头的一端与所述压裂试件的另一端连接，用于接收横波和纵波信号；试件外部套接有热塑管；声发射探头套接在热塑管的表面，用于监测声发射信号，获取所述压裂试件的压裂起缝及裂缝延伸的声发射数据；其中，通过控制装置预设所述轴压值及所述围压值，将所述压裂液注入所述压裂试件中，当监测到压裂装置的水压突降时，根据获取的声发射数据、横波、纵波信号分析压裂起缝及裂缝延伸的规律及支撑剂在试件压裂面中。但该装置是针对小型试件的试验研究且不能实现真三轴高地应力加载。

综合分析上述单位的模型试验台架装置系统，还存在以下不足之处：

1.上述试验装置不论大小，均不能同时实现高地应力加载条件下的煤岩与气/液真三轴多物理场耦合试验；

2.上述模型试验装置，存在试验过程中试验材料填筑困难，装置系统机械化、智能化低等缺陷，导致实际操作时繁琐费时，并增加了试验不安全因素。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种深部高地应力煤岩体动力灾害与驱替模拟试验系统及方法，本发明能够为各种地下工程物理模型试验，特别是高地应力-真三轴加载条件下多物理场耦合模拟提供更安全省时高效的试验仪器和操作平台。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种深部高地应力煤岩体动力灾害与驱替模拟试验系统，包括放置测试岩样的腔体，所述腔体上设置有用于施加三轴应力的应力加载模块，所述腔体上、下端设置有对抗三轴应力、提供反力支撑的反力模块；

所述腔体一侧设置有向腔体内注入与排出高压气体/液体的充填机构，另一端设置有能够实现腔体与外界保持封闭与连通的巷道开挖与瞬间打开模块，通过控制其开闭，使测试岩样在腔体内完成深部高地应力含气/液环境下的多场耦合反应；

所述腔体外部设置有能够推动所述腔体在水平与垂直两个方位之间运动的翻转模块。

所述反力模块，包括设置在所述腔体顶端的前盖和设置在所述腔体底端的后盖，所述前盖和后盖之间通过多个纵向拉杆连接，所述纵向拉杆的两端设置有紧固件，以保持前盖和后盖紧固包裹所述腔体。

所述应力加载模块，包括设置在所述腔体内壁四周的围压加载板和腔体后部紧贴面式充填板的轴向加载油缸，以及紧贴所述围压加载板以起到反力作用力的传力垫板。

所述腔体的前盖上设置有围压进出油口和底部进出油口。

所述充填机构，包括设置于所述腔体一端且沿其轴向运动的加载充填板，所述加载充填板上设置有多个细孔，通过细孔向腔体内充填气体或液体。

所述巷道开挖与瞬间打开模块，包括气缸、开挖通道和通道开关，开挖通道通过通道开关与外界封闭，启动气缸使通道开关打开从而完成模型材料后续的多场耦合反应。

所述翻转模块，包括翻转轴、翻转油缸和翻转油缸底座，所述翻转轴固定在反力前盖底部并与地面固定，所述翻转油缸顶部与翻转轴铰接，所述翻转油缸底部与翻转油缸底座铰接。

在模拟试验系统各模块的连接处和与外界连接处，如开挖通道、油缸、活塞封口等处设置有密封槽，密封槽内设置有密封圈，以保持实验环境的密封。

基于上述系统的工作方法，包括以下步骤：

(1)通过气体/液体充填口对试验系统注气检查装置气密性；

(2)通过调节翻转油缸使模型反力模块调整到竖直位置，即开挖通道方向与地面垂直，打开前盖，埋设模型材料和检测物理场的传感器，关闭前盖；

(3)通过调节翻转油缸使模型反力模块调整到水平位置，即开挖通道方向与地面平行，对模型进行加载，气体/液体面式充填并监测和采集试验数据。

本发明的有益效果为：

(1)本发明的模型反力模块由三部分外圆内方的钢结构通过纵向拉杆和预紧螺栓连接，整体刚度大，结构合理简洁用于真三轴-高地应力加载的反力支撑；

(2)本发明的真三轴应力加载模块，其上下左右四个方向的地应力模拟由四块空心矩形加载板提供，后部加载力由液压油缸提供，可实现对模型材料的真三轴高地应力加载；

(3)本发明的高压气体/液压充填模块的面式填充板为中空的方形板放置在反力圆桶内(模型试验材料后部)，且紧贴模型材料的表面开有若干细孔用于气体/液体的均匀充填，可实现对模型材料的气体/液体均匀填充和抽采；

(4)本发明外形结构简单、操作方便，试验系统可实现智能翻转有效提高了模型试验的完成效率，降低了试验过程中人工作业的危险性；

(5)该装置不仅可以实现真三轴高地应力条件下的隧道开挖等工况模拟还可实现对模型材料的面式充气注水模拟煤与瓦斯吸附解吸、水力劈裂和驱遣等试验功能，为地质力学模型试验提供了良好的试验平台。

(6)该装置实现模拟煤与瓦斯吸附解吸的具体实现方法为：通过气体/液体充填口注入吸附性气体，并通过紧贴腔体后部的面式加载充填板对型煤材料进行均匀注气，待腔内压力稳定后(即吸附解吸进入动态平衡后)，打开突出口/开挖通道完成煤与吸附性气体的解吸或突出试验。

(7)该装置实现模拟水力劈裂或驱遣的具体实现方法为：通过气体/液体充填口注入高压水，并通过紧贴腔体后部的面式加载充填板对煤岩材料进行高压水力劈裂模拟，或打开突出口/开挖通道注入高压气体，对含有一定水分的砂石材料进行高压气体置换驱遣模拟试验。

附图说明

图1是本发明一个整体结构示意图；

图2是图1中装置二维平面图；

图3是图2中装置的剖面图；

图4是图1中装置三维剖面图；

图5(a)-(c)是图1装置翻转示意图；

其中，1模型反力模块，1-1纵向拉杆，1-2预紧螺母，1-3反力前盖，1-4反力圆桶，1-5反力后盖，1-6模型板吊钩；2真三轴应力加载模块，2-1楔形传力垫板，2-2围压加载板，2-3围压进出油口，2-4底部活塞封口，2-5底部进油口，2-6底部出油口；3高压气体/液体充填模块，3-1气体/液体充填口，3-2面式加载充填板；4巷道开挖与瞬间打开模块，4-1快速揭露气缸，4-2突出口/开挖通道，4-3快速揭露结构；5系统翻转模块，5-1翻转轴，5-2翻转油缸，5-3翻转油缸底座；6密封模块，6-1反力装置密封槽，6-2底部油缸密封槽，6-3底部活塞封口密封槽，6-4突出口/开挖通道密封槽。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示：深部高地应力含气(液)煤岩体动力灾害与驱替模拟试验系统，包括模型反力模块1，真三轴应力加载模块2，高压气体/液体充填模块3，巷道开挖与瞬间打开模块4，系统翻转模块5和密封模块6；

如图2所示：深部高地应力含气(液)煤岩体动力灾害与驱替模拟试验系统的模型反力模块1，主要用来提供对腔内模型进行高压加载时的反作用力，主体采用外圆内方的钢结构结合纵向拉杆预紧固定，主要由纵向拉杆1-1，预紧螺母1-2，反力前盖1-3，反力圆桶1-4，反力后盖1-5和模型板吊钩1-6组成，其中反力前盖1-3，反力圆桶1-4和反力后盖1-5均为外圆内方形的钢结构且由纵向拉杆1-1和预紧螺母1-2连接预紧，模型板吊钩1-6用于试验后与外部行吊等设备连接方便模型材料移出；

如图2所示：深部高地应力含气(液)煤岩体动力灾害与驱替模拟试验系统的真三轴应力加载模块2，主要由楔形传力垫板2-1，围压加载板2-2，围压进出油口2-3，底部活塞封口2-4，底部进油口2-5，底部出油口2-6组成，楔形传力垫板2-1放置在反力圆桶1-4内壁四周并紧贴围压加载板，起到对加载板2-2高压加载时的反力作用力，围压加载板2-2为中空的矩形加载板，液压加载时液压油进入围压加载板2-2加载作用力通过围压板表面传递给模型材料，底部活塞封口2-4安装在反力后盖1-5后端用于密封底部油缸液压加载油，底部进油口2-5和底部出油口2-6用于液压油的进出转移。该部分最大特点是围压采用中空的矩形加载钢板，其加载能力高于相同加载面积的油缸加载形式，实现了高压加载；

如图2所示：深部高地应力含气(液)煤岩体动力灾害与驱替模拟试验系统的高压气体/液体充填模块3，包括气体/液体充填口3-1，面式加载充填板3-2，其面式填充板为中空的方形板3-2放置在反力圆桶1-4内(模型试验材料后部)，紧贴模型材料的表面开有若干细孔用于气体/液体的均匀充填，气体/液体充填口3-1用于气液的注入与排出，试验时，通过气体/液体充填口3-1将高压气体或液体注入试验腔内并通过面式加载充填板3-2上均匀的细孔对腔内模型材料进行均匀充填，或进行煤与瓦斯突出试验前通过外接抽真空装置将腔内材料内气体进行预先抽真空，排出其它气杂质对试验的干扰；

如图2所示：深部高地应力含气(液)煤岩体动力灾害与驱替模拟试验系统的巷道开挖与瞬间打开模块4，由快速揭露气缸4-1，突出口/开挖通道4-2，快速揭露结构4-3组成，该模块由软件智能控制，用来模拟煤与瓦斯气固耦合环境下的煤与瓦斯突出试验，即模拟含高压瓦斯气体的型煤材料瞬间揭煤时的突出试验，其突出口/开挖通道4-2通过快速揭露结构4-3与外界封闭，模块工作时启动快速揭露气缸4-1使快速揭露结构4-3打开从而完成模型材料后续的多场耦合反应；

如图2和图4所示：深部高地应力含气(液)煤岩体动力灾害与驱替模拟试验系统的系统翻转模块5，由翻转轴5-1，翻转油缸5-2和翻转油缸底座5-3，其中翻转轴5-1固定在反力前盖1-3底部并与地面固定，翻转油缸5-2顶部与翻转轴5-1铰接，底部与翻转油缸底座5-3铰接；

如图2和图4所示：深部高地应力含气(液)煤岩体动力灾害与驱替模拟试验系统的系统翻转模块5，由翻转轴5-1，翻转油缸5-2和翻转油缸底座5-3组成，其中翻转轴5-1固定在反力前盖1-3底部并与地面固定，翻转油缸5-2顶部与翻转轴5-1铰接，底部与翻转油缸底座5-3铰接，试验准备阶段，通过调节系统翻转模块5使模型反力模块调整到水平位置即突出口/开挖通道4-2方向与地面平行，以便于相似材料埋设和分层摊铺，试验进行阶段，再次调节通过调节系统翻转模块5使模型反力模块调整到水平位置即突出口/开挖通道4-2方向与地面平行，以便打开突出口/开挖通道4-2完成煤与瓦斯突出试验、隧道掘进试验等；

如图3所示：深部高地应力含气(液)煤岩体动力灾害与驱替模拟试验系统的密封模块6，由反力装置密封槽6-1，底部油缸密封槽6-2，底部活塞封口密封槽6-3和突出口/开挖通道密封槽6-4组成，各槽内安装密封橡胶圈用于气体和液体的密封。

深部高地应力含气(液)煤岩体动力灾害与驱替模拟试验系统的试验方法，包括以下步骤：

步骤1：通过气体/液体充填口对试验系统注气检查装置气密性；

步骤2：通过调节翻转油缸使模型反力模块调整到竖直位置即突出口/开挖通道方向与地面垂直；

步骤3：将模型反力模块的反力前盖打开；

步骤4：埋设模型材料和相关传感器；

步骤5：关闭模型反力模块的反力前盖；

步骤6：通过调节翻转油缸使模型反力模块调整到水平位置即突出口/开挖通道方向与地面平行；

步骤7：对模型进行加载，气体/液体面式充填并监测和采集试验数据；

步骤8：试验结束，打开反力前盖，通过模型板吊钩将模型材料吊出，并调节翻转油缸使试验系统回归原位，试验完毕。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种深部高地应力煤岩体动力灾害与驱替模拟试验系统，其特征是：包括放置测试岩样的腔体，所述腔体上设置有用于施加三轴应力的应力加载模块，所述腔体上、下端设置有对抗三轴应力、提供反力支撑的反力模块；

所述腔体一侧设置有向腔体内注入与排出高压气体/液体的充填机构，另一端设置有能够实现腔体与外界保持封闭与连通的巷道开挖与瞬间打开模块，通过控制其开闭，使测试岩样在腔体内完成深部高地应力含气/液环境下的多场耦合反应；

所述腔体外部设置有能够推动所述腔体在水平与垂直两个方位之间运动的翻转模块。

2.如权利要求1所述的一种深部高地应力煤岩体动力灾害与驱替模拟试验系统，其特征是：所述反力模块，包括设置在所述腔体顶端的前盖和设置在所述腔体底端的后盖，所述前盖和后盖之间通过多个纵向拉杆连接，所述纵向拉杆的两端设置有紧固件，以保持前盖和后盖紧固包裹所述腔体。

3.如权利要求1所述的一种深部高地应力煤岩体动力灾害与驱替模拟试验系统，其特征是：所述应力加载模块，包括设置在所述腔体内壁四周的围压加载板和腔体后部紧贴面式充填板的轴向加载油缸，以及紧贴所述围压加载板以起到反力作用力的传力垫板。

4.如权利要求2所述的一种深部高地应力煤岩体动力灾害与驱替模拟试验系统，其特征是：所述腔体的前盖上设置有围压进出油口和底部进出油口。

5.如权利要求1所述的一种深部高地应力煤岩体动力灾害与驱替模拟试验系统，其特征是：所述充填机构，包括设置于所述腔体一端且沿其轴向运动的加载充填板，所述加载充填板上设置有多个细孔，通过细孔向腔体内充填气体或液体。

6.如权利要求1所述的一种深部高地应力煤岩体动力灾害与驱替模拟试验系统，其特征是：所述巷道开挖与瞬间打开模块，包括气缸、开挖通道和通道开关，开挖通道通过通道开关与外界封闭，启动气缸使通道开关打开从而完成模型材料后续的多场耦合反应。

7.如权利要求1所述的一种深部高地应力煤岩体动力灾害与驱替模拟试验系统，其特征是：所述翻转模块，包括翻转轴、翻转油缸和翻转油缸底座，所述翻转轴固定在反力前盖底部并与地面固定，所述翻转油缸顶部与翻转轴铰接，所述翻转油缸底部与翻转油缸底座铰接。

8.如权利要求1所述的一种深部高地应力煤岩体动力灾害与驱替模拟试验系统，其特征是：在模拟试验系统与外界连接处设置有密封槽，密封槽内设置有密封圈。

9.基于如权利要求1-8中任一项所述的系统的工作方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)通过气体/液体充填口对试验系统注气检查装置气密性；

(2)通过调节翻转油缸使模型反力模块调整到竖直位置，即开挖通道方向与地面垂直，打开前盖，埋设模型材料和检测物理场的传感器，关闭前盖；

(3)通过调节翻转油缸使模型反力模块调整到水平位置，即开挖通道方向与地面平行，对模型进行加载，气体/液体面式充填并监测和采集试验数据。