CN108226441B - 可实现石门巷道掘进诱导煤与瓦斯突出的定量模拟试验系统及方法 - Google Patents

可实现石门巷道掘进诱导煤与瓦斯突出的定量模拟试验系统及方法 Download PDF

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CN108226441B CN201711463818.7A CN201711463818A CN108226441B CN 108226441 B CN108226441 B CN 108226441B CN 201711463818 A CN201711463818 A CN 201711463818A CN 108226441 B CN108226441 B CN 108226441B
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Abstract

本发明公开了一种可实现石门巷道掘进诱导煤与瓦斯突出的定量模拟试验系统及方法，主要由模型反力与空间密封单元、大流量高压瓦斯气体充填加载单元、高地应力梯度加载智能控制单元、巷道微型掘进与高速记录单元、多物理场信息获取单元五大关键单元模块组成，共同实现了试验模型加载反力支撑与气体密封、真三维高地应力柔性梯度加载及精确控制、大流量瓦斯源连续保压充填、模型巷道定量控制掘进与突出过程捕捉、试验过程中关键物理参量信息的高频率高精度实时采集，本发明实现了对石门巷道掘进诱导煤与瓦斯突出的定量化模拟试验。

Description

可实现石门巷道掘进诱导煤与瓦斯突出的定量模拟试验系统 及方法
技术领域
本发明涉及一种可实现石门巷道掘进诱导煤与瓦斯突出的定量模拟试验系统及方法。
背景技术
煤与瓦斯突出机理和预警防治成为高瓦斯突出矿井安全生产亟待突破的关键科学问题，煤与瓦斯突出是一个高度非线性的气固耦合的动力破坏问题，其发生机理十分复杂，国内外尚没有定量研究煤与瓦斯突出的试验仪器，导致突出机理难以突破。地质力学模型试验作为研究地下工程的重要方式，可以严格控制试验对象的主要参数，有利于在复杂的试验过程中突出主要矛盾，具有试验条件可控、试验过程可重复、试验数据易采集等优点，已成为国内外学者研究煤与瓦斯突出的重要科学手段。
组建三维模拟试验台进行模型试验，显著改善和提高了模拟试验条件与现场相似度，是未来研究煤与瓦斯突出机理的发展方向，通过煤与瓦斯模型试验使我们基本认清了煤与瓦斯突出的影响因素、发展过程、作用机制和发生条件，然而由于存在系统硬件、模型尺寸不统一等客观条件，所得试验规律与试验结论在细节上却存在较大差异，特别是考虑掘进扰动条件下含瓦斯煤体的破碎致突机理与突出激发条件仍需深入研究，由表及里，层层深入，揭示煤与瓦斯突出发生的本质。为此，迫切需要研制一种可实现巷道掘进的大型真三维煤与瓦斯突出定量模拟试验系统。
目前，针对含瓦斯煤体的吸附解吸、损伤扩容影响研究，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，并配合以高吨位压力机等型煤压制仪器。但该装置不能进行地应力加载和巷道掘进。
(2)申请号为201410748509.4的中国专利公开了一种分体式煤与瓦斯吸附解吸与突出试验装置，包括一圆筒形煤样室，煤样室上设有若干能够检测型煤温度和气体压力的压力温度传感器，其煤样室的一端固定安装有能够沿轴向伸入其中且能施加轴向地应力的液压加载设备，另一端设有工作时与煤样室连通的煤与瓦斯喷出口，在煤与瓦斯喷出口处设置有用于控制喷出口导通的快速释放机构；液压加载设备通过万向节与活塞杆相连，活塞杆末端与试验时放置于煤样室中的煤样接触的面式充气加载盘连接，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。但该装置尺度较小、地应力加载为轴向加载，只能模拟石门揭煤无法模拟掘进过程突出，智能化程度略低。
(3)申请号为201610224363.2的中国专利公开了一种有补给气源的煤与瓦斯突出试验装置，试验装置主要包括煤样罐、补气气包、击发装置、钢化玻璃管道和压力采集装置，试验时补气气包可持续向煤样罐内补给气体，可更真实模拟煤与瓦斯突出灾害发生过程，压力传感器可以测定突出管道内瓦斯压力，反映出突出瓦斯在管道内的运移状态，光电传感器和光源可测得突出煤流的运移位置。但该装置无法进行应力加载和模拟掘进过程，模拟工况单一，试验过程复杂。
(4)申请号为201610903360.1的中国专利本发明公开了一种逼真型煤与瓦斯突出模拟试验装置，由支架、腔体、盖板、应力加载系统、充瓦斯系统、参数记录系统和封口组成，通过油缸分区加载模拟三带应力，不同厚度与刚度的盖板模拟顶板，通过盖板与腔体间密封条密封瓦斯，使瓦斯可保持分区分布，通过筛网封口模拟暴露煤壁延期突出，密闭封口突出打开模拟石门揭煤突出，石蜡熔化或钻孔模拟掘进突出，能够更真实地模拟煤与瓦斯突出环境、影响因素、边界条件和演化发生过程，也可以模拟巷旁应力与瓦斯耦合作用及演化过程。但该装置应力加载只有竖向为主动加载，其余方向均为被动加载，且采用石蜡熔化或钻孔模拟掘进突出精度低，无法实现定量模拟。
综合分析上述单位的煤与瓦斯模型试验装置系统，存在以下不足之处：
1.试验所用模型材料整体多用粉碎原煤直接压制或添加煤焦油制作，未考虑突出煤层的真实地质构造，无法做到定量控制；
2.仪器均为瞬间揭煤突出，未考虑突出过程是一个与时间密切相关的施工过程因素；
3.在力学加载系统的稳定性、可调性、模型整体密封性、测试元件的精度等方面仍需改进；
4.仪器规模较小，采用的比例尺和试验模型尺寸也较小，相似条件不严谨，边界条件考虑不充分，试验精度低。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种可实现石门巷道掘进诱导煤与瓦斯突出的定量模拟试验系统及方法，本发明在突出过程中持续补充瓦斯气源，更加真实模拟现场工况，满足煤层高压瓦斯赋存真实条件定量模拟。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种可实现石门巷道掘进诱导煤与瓦斯突出的定量模拟试验系统及方法，包括模型反力与空间密封单元、高地应力梯度加载智能控制单元、大流量高压瓦斯气体充填加载单元、巷道微型掘进与高速记录单元和多物理场信息获取单元，其中：
所述模型反力与空间密封单元为模型加载提供反力支撑和气体密封；
所述高地应力梯度加载智能控制单元，被配置为对模型材料的真三维高地应力柔性梯度加载及精确控制；
所述大流量高压瓦斯气体充填加载单元，被配置为采用面式充填技术与智能伺服气体保压技术，对试验煤层进行大流量瓦斯源连续保压充填，以实现煤层高压瓦斯赋存定量模拟；
所述巷道微型掘进与高速记录单元，包括耦合的高速摄像机与模型巷道微型掘进机，被配置为进行模型巷道定量控制掘进与突出过程捕捉，满足巷道可视化掘进模拟和突出瞬态过程记录；
所述多物理场信息获取单元宝库频率可调的光纤类采集仪、传感器和采集单元，采集煤与瓦斯的变化过程中应力场、瓦斯压力场和温度场的实时采集，实现煤与瓦斯突出定量模拟。
进一步的，所述模型反力与空间密封单元，包括模型反力结构与柔性密封箱体，模型反力结构为模型材料的三维应力加载提供反作用力，柔性密封箱体为弹性材质的矩形带盖箱体，实现密封环境下的煤与瓦斯气固耦合。
所述柔性密封箱体的底部和后部设有预留孔，用以模型材料内部传感器引线和充气管路引出。
所述模型反力结构包括反力框架、导力框和推力器，所述反力框架构成模型材料的反力闭合空间，反力框架内部嵌设有液压油缸，推力器穿过反力框架与液压油缸连接，并安装导力框对推力器的伸缩起到导向作用。
进一步的，所述反力框架包括多个拼接连接的单榀门式反力框架，按照位置不同分为顶梁、侧梁、底梁、三角梁及前后反力框架，顶梁、侧梁和底梁构成单榀门式反力框架并由三角梁加固，再通过高强螺栓拼接成多榀装配体，与前后反力框架共同构成模型材料的反力闭合空间。
进一步的，所述高地应力梯度加载智能控制单元包括液压加载系统和智能控制系统，分别控制液压站和分路控制单元，实时采集各分路的压力实现智能调压控制，同时控制水平方向和竖直方向上的各个分路，实现对试验模型体真三维高精度梯度加载。
所述大流量高压瓦斯气体充填加载单元，包括面式充气板、大流量高压储气瓶、增压装置、真空泵、气体加载控制台及气体加载控制系统，真空泵和大流量高压储气瓶通过高压软管分别与面式充气板联通，所述的增压装置有进气端口和出气端口，其进气端口与瓦斯气体联通，出气端口与气体加载控制台连接；所述的气体加载控制台内有压力传感器，将增压装置增压后的气体通过高压软管注入大流量高压储气瓶；所述的面式充气装置安装在模型反力与空间密封单元的柔性密封箱体内，由带有凹槽的钢板和千目钢丝网通过螺栓连接组合而成，防止与煤层直接接触，实现对煤层的均匀气体充填。
所述的面式充气板通过高压软管与外界高压储气瓶连接，其穿过柔性密封箱体位置由密封胶密封。
所述巷道微型掘进与高速记录单元包括主体为框架结构的模型巷道微型掘进系统，包括掘进杆、电机、支撑底座和刀盘，掘进杆一端与电机连接，另一端安装刀盘，支撑底座可人工调节高度实现不同高度和角度的开挖掘进。
所述巷道微型掘进与高速记录单元设置有控制器，以控制掘进速率与刀盘转数，实现模型巷道定量控制掘进，安装固定于在掘进杆上的高速摄像机与掘进机耦合集成，对突出过程进行全程捕捉，满足巷道可视化掘进模拟和突出瞬态过程记录。
所述多物理场信息获取单元包括光纤光栅传感解调仪、光纤光栅传感器和耦合器，所述光纤光栅传感器与解调仪连接，通过耦合器实现组网，解调仪将测得的光波长信号进行处理并发送至上位机，通过上位机对信号进行处理、显示和储存，实现煤与瓦斯突出灾害实时监测与预警。
所述光纤光栅传感器包括光纤光栅应变传感器、光纤光栅压力传感器、光纤光栅气压传感器和光纤光栅温度传感器，分别实时监测煤与瓦斯的应变、压力、气体压力和温度变化，所述的光纤光栅传感器通过光纤跳线与外界光纤光栅传感解调仪连接，跳线穿过柔性密封箱体的预留孔位置用密封胶密封。
基于上述模拟试验系统的试验方法，具体步骤包括：
1)根据试验原型，基于煤与瓦斯突出相似准则，选定相似比尺并配制含瓦斯煤相似材料及低渗透性顶底板相似材料，将现场应力条件和瓦斯压力进行换算，得到试验模型应力和瓦斯压力；
2)启动多物理场信息获取单元，对模型内部各点物理量进行实时监测与采集；
3)启动真空泵对模型材料抽真空后，启动高地应力梯度加载智能控制单元的液压加载系统，对模型施加地应力，到达加载目标值后稳压持续设定时间；
4)启动气体加载控制系统，通过气体加载控制台启动增压装置将瓦斯气体注入大流量高压储气瓶至目标压力；
5)打开大流量试验气体储气罐，通过高压气管将气体引入面式充气板对煤层注气，待煤层充分吸附，到达目标压力并压力值稳定后视为煤层处于吸附平衡态，并稳压；
6)开启模型反力结构，使巷道微型掘进与高速记录单元的掘进刀盘对准掘进口，启动巷道微型掘进与高速记录单元，设定开挖速度，进行巷道掘进；
7)记录掘进过程中模型内部各物理量变化规律，直至煤与瓦斯突出，试验结束。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1.本发明依据煤与瓦斯突出相似准则，基于“模块化、智能化、便利化、定量化”的设计思想，严格满足几何相似、物理力学相似、运动相似和动力相似，各子单元各分工明确，操作简单，工作高效；
2.采用煤层预制，顶底板岩层现浇相结合方式制作模型，既保证了材料强度，便于传感器埋设，又可任意调节煤层倾角、厚度等参数模拟各类工况；
3.可实现巷道定量掘进，代替石门揭煤瞬间揭露，完成煤与瓦斯突出物理模拟，真正实现突出过程相似，仿真了施工过程保证了试验安全；
4.模型大比例尺，提升试验能力与精度，高速精准采集与记录，满足试验分析精度要求；
5.可在突出过程中持续补充瓦斯气源，更加真实模拟现场工况，满足煤层高压瓦斯赋存真实条件定量模拟。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本发明试验系统各模块整体配合示意图；
图2是本发明试验方法示意图；
其中,1模型反力与空间密封单元，1-1液压油缸，1-2推力板,1-3导力框，1-4反力框架，1-5开挖口，1-6传感器引线口，1-7柔性密封箱体；2大流量高压瓦斯气体充填加载单元，2-1增压装置，2-2气体充填控制柜，2-3高压气源，2-4高压气管,2-5试验气体储气罐，2-6压力表，2-7安全溢流阀，2-8面式充气装置；3高地应力梯度加载智能控制单元；4巷道微型掘进与高速记录单元；5多物理场信息获取单元；6试验模型。
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。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在未考虑突出煤层的真实地质构造，无法做到定量控制、未考虑突出过程是一个与时间密切相关的施工过程因素、相似条件不严谨，边界条件考虑不充分，试验精度低的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种可实现巷道掘进的大型真三维煤与瓦斯突出定量模拟试验系统和试验方法。
可实现巷道掘进的大型真三维煤与瓦斯突出定量模拟试验系统，采用模块化设计思路，严格依据煤与瓦斯突出相似准则，各模块独立工作，协同配合，由模型反力与空间密封单元、高地应力梯度加载智能控制单元、大流量高压瓦斯气体充填加载单元、巷道微型掘进与高速记录单元、多物理场信息获取单元五大关键单元构成，模型反力与空间密封单元为模型加载提供反力支撑和气体密封；高地应力梯度加载智能控制单元实现对模型材料的真三维高地应力柔性梯度加载及精确控制；大流量高压瓦斯气体充填加载单元采用面式充填技术与智能伺服气体保压技术，可进行大流量瓦斯源连续保压充填，满足煤层高压瓦斯赋存定量模拟；巷道微型掘进与高速记录单元由高速摄像机与模型巷道微型掘进机耦合集成，实现了模型巷道定量控制掘进与突出过程捕捉，满足巷道可视化掘进模拟和突出瞬态过程记录；多物理场信息获取单元由频率可调的光纤类采集仪、传感器和采集软件组成，可实现煤与瓦斯从“孕育阶段”到“突出瞬间”过程中应力场、瓦斯压力场、温度场等物理参量的高频率-高精度实时采集。
所述的模型反力与空间密封单元，由模型反力结构与柔性密封箱体构成；
所述的模型反力结构可为模型材料的三维应力加载提供反作用力；
所述的柔性密封箱体为橡胶材质的矩形带盖箱体，可实现密封环境下的煤与瓦斯气固耦合，所述箱体底部和后部设有预留孔，用以模型材料内部传感器引线和充气管路引出，；
所述的模型反力结构主要由反力框架、导力框和推力器构成，其中反力框架按照位置不同分为顶梁、侧梁、底梁、三角梁及前后反力框架，顶梁、侧梁和底梁构成单榀门式反力框架并由三角梁加固，再通过高强螺栓拼接成多榀装配体，与前后反力框架共同构成模型材料的反力闭合空间；所述的前部中间反力框架中心位置预留掘进口并安装开挖盖；所述模型反力结构厚度方向可以按单榀厚度尺寸的倍数可调(最小一榀，最大五榀)，液压油缸内嵌在各反力框架内部，推力器穿过反力框架与液压油缸连接，并安装导力框对推力器的伸缩起到导向作用。内嵌式结构节省了装置体积，采用单榀装配体组合形式不仅利于拆卸还可根据试验要求变换模型尺寸。此外，在模型材料底部设置模型移出装置，试验完成后可拆除前墙装配体，通过液压原理将模型材料推出，保护了突出后材料破坏形态，提高了试验效率；
所述的高地应力梯度加载智能控制单元由液压加载系统和软件操作智能控制系统构成。该单元工作时，通过软件控制液压站和分路控制单元，实时采集各分路的压力实现智能调压控制，可同时控制12个分路，其中水平方向10路(左右5路+后部5路)，实现对试验模型体真三维高精度梯度加载，竖向加载1路，备用1路；
所述的大流量高压瓦斯气体充填加载单元为煤层充气实现气固耦合并提供突出过程中瓦斯气体的持续补充，由面式充气板、大流量高压储气瓶、增压装置、真空泵、气体加载控制台及气体加载控制系统等组成。
所述的真空泵和大流量高压储气瓶通过高压软管分别与面式充气板联通，所述的增压装置有进气端口和出气端口，其进气端口与瓦斯气体联通，出气端口与气体加载控制台连接；所述的气体加载控制台内有压力传感器，将增压装置增压后的气体通过高压软管注入大流量高压储气瓶；所述的面式充气装置安装在模型反力与空间密封单元的柔性密封箱体内，由带有凹槽的钢板和千目钢丝网通过螺栓连接组合而成，可防止与煤层直接接触，实现对煤层的均匀气体充填；所述的面式充气板通过高压软管与外界高压储气瓶连接，其穿过柔性密封箱体位置由密封胶密封；
所述的巷道微型掘进与高速记录单元主要由模型巷道微型掘进系统和控制系统构成。所述的模型巷道微型掘进系统主体为框架结构，掘进杆一端与电机连接，另一端安装刀盘，支撑底座可人工调节高度实现不同高度和角度的开挖掘进。单元工作时，通过控制系统设定掘进速率与刀盘转数实现模型巷道定量控制掘进，安装固定于在掘进杆上的高速摄像机与掘进机耦合集成，对突出过程进行全程捕捉，满足巷道可视化掘进模拟和突出瞬态过程记录。掘进过程产生的废料通过配置大流量吸尘器实时排除。
所述的多物理场信息获取单元由光纤光栅传感解调仪、光纤光栅传感器、耦合器及采集软件构成；
所述的多物理场信息获取单元基于光纤Bragg光栅传感技术，采用光纤光栅传感器来实时监测煤与瓦斯的物理特征量，即应变、压力、气体压力、温度变化，将得到的信号通过转换和处理计算，获取煤与瓦斯突出过程关键参数的变化规律，最终实现煤与瓦斯突出灾害实时监测与预警；所述的光纤光栅传感器包括光纤光栅应变传感器、光纤光栅压力传感器、光纤光栅气压传感器和光纤光栅温度传感器，可实时采集模型试验中关键点的物理量，所述的光纤光栅传感器与解调仪连接，通过耦合器实现系统组网，解调仪将测得的光波长信号进行处理并发送至上位机，通过上位机软件对信号进行处理、显示、储存；所述的光纤光栅传感器通过光纤跳线与外界光纤光栅传感解调仪连接，跳线穿过柔性密封箱体的预留孔位置用密封胶密封；
所述的可实现巷道掘进的大型真三维煤与瓦斯突出定量模拟试验系统的试验方法，可满足多种试验目的和设计需求，具体试验方法和步骤如下：
1)根据试验原型，基于煤与瓦斯突出相似准则，选定相似比尺并配制含瓦斯煤相似材料及低渗透性的顶底板相似材料，将现场应力条件和瓦斯压力进行换算，得到试验模型应力和瓦斯压力；
2)启动多物理场信息获取单元，对模型内部各点应力、温度等物理量进行实时监测与采集；
3)启动真空泵对模型材料抽真空48小时；
4)关闭真空泵及相关阀门，启动高地应力梯度加载智能控制单元的液压加载系统，对模型施加地应力，到达加载目标值后稳压24小时；
5)启动气体加载控制系统，通过气体加载控制台启动增压装置将瓦斯气体注入大流量高压储气瓶至目标压力；
6)打开大流量试验气体储气罐，通过高压气管将气体引入面式充气板对煤层注气，待煤层充分吸附，到达目标压力并压力值稳定后视为煤层处于吸附平衡态，并稳压(压力值由煤层内压力传感器采集获取)；
7)打开模型反力结构前反力框架的开挖盖，并使巷道微型掘进与高速记录单元的掘进刀盘对准掘进口；
8)启动巷道微型掘进与高速记录单元，设定开挖速度，进行巷道掘进；
9)记录掘进过程中模型内部各物理量变化规律，直至煤与瓦斯突出，试验结束。
如图1所示：可实现巷道掘进的大型真三维煤与瓦斯突出定量模拟试验系统包括模型反力与空间密封单元1、大流量高压瓦斯气体充填加载单元2、高地应力梯度加载智能控制单元3、巷道微型掘进与高速记录单元4、多物理场信息获取单元5构成，系统工作时，各模块单元独立工作分工明确，共同实现对与试验模型6的地质构造模拟、应力加载、气体充填、定量掘进和试验过程中各物理量信息采集等功能指标，具体实现方法为：以模型反力与空间密封单元1为中心，大流量高压瓦斯气体充填加载单元2实现对煤层的均匀充气；高地应力梯度加载智能控制单元3的液压加载系统通过高压油管与各反力框架1-4内的液压油缸1-1对接实现对模型的应力加载；试验时，调整巷道微型掘进与高速记录单元4的掘进刀盘4-3高度，使之对准模型反力与空间密封单元1的开挖口1-5，实现对模型材料的微型掘进；将多物理场信息获取单元5的微型传感器预先埋设在试验模型6内关键位置，通过传感器引线口1-6引出，并与外接采集设备连接，实现试验过程中的各物理量的实时采集；
如图1和图2所示：可实现巷道掘进的大型真三维煤与瓦斯突出定量模拟试验系统的模型反力与空间密封单元1，主要由液压油缸1-1，推力板1-2,导力框1-3，反力框架1-4，开挖口1-5，传感器引线口1-6构成；为结合图纸详细说明，图1中模型反力与空间密封单元1的示意图为该单元正视图，左半部分为拆除前部反力框架1-4和右半部分拆除前部反力框架1-4和露出液压油缸1-1的拼合图，图2中该单元为侧视剖视图；反力框架1-4通过高强螺栓连接形成闭合的试验空间，且各反力框架与螺栓位置均涂抹密封胶为试验模型6的加载提供试验反力和气体密闭环境；其液压油缸1-1内嵌在反力框架1-4内，与推力板1-2连接并通过高压油管与高地应力梯度加载智能控制单元3连接实现对试验模型的地应力加载，其开挖口1-5试验时可拆除便于巷道微型掘进与高速记录单元4进行掘进开挖；传感器引线口1-6为预留穿孔，用于试验模型所埋设传感器导线引出，引出后使用密封胶对引线口密封，柔性密封箱体1-7为橡胶材质，由矩形箱体和箱盖构成，用于放置试验模型，并在箱体相应位置预留穿孔用于高压气管2-4和传感器导线的引出，柔性密封箱体1-7兼具柔性传力加载和密封特性，满足试验模型气固耦合和应力加载要求；
如图2所示：可实现巷道掘进的大型真三维煤与瓦斯突出定量模拟试验系统的大流量高压瓦斯气体充填加载单元2，主要由增压装置2-1，气体充填控制柜2-2，高压气源2-3，高压气管2-4,试验气体储气罐2-5，压力表2-6，安全溢流阀2-7，面式充气装置2-8，面式充气板2-9，千目钢丝网2-10构成；其面式充气装置2-8安装在密封箱体内，实现对煤层的均匀气体充填；因高压气源2-3需经减压和过滤再调整到试验压力值，为保证试验过程中瓦斯气体在高压条件下的持续供给，气体充填控制柜2-2实现对各部分的智能控制和压力监测，系统工作时，首先由增压装置2-1对高压气源2-3内导出的减压后的气体进行过滤和增压，并将加压后气体储存于试验气体储气罐2-5中，试验气体储气罐2-5与面式充气装置2-8连接，最终实现对煤体的高压充填和确保开挖突出后瓦斯气体的持续供给，从而实现了大流量瓦斯源连续保压充填，确保了试验安全，满足煤层高压瓦斯赋存定量模拟；其增压装置2-1和试验气体储气罐2-5均安装压力表2-6和安全溢流阀2-7，用于试验过程中气体压力监测和防止气压高于安全值后的安全卸压。可实现巷道掘进的大型真三维煤与瓦斯突出定量模拟试验系统还包含巷道微型掘进与高速记录单元4和多物理场信息获取单元5，前者可实现对巷道的定量掘进开挖，后者可实现试验模型内部应力、应变、温度、气压等多物理量信息的高速采集与分析。
可实现巷道掘进的大型真三维煤与瓦斯突出定量模拟试验系统的试验方法为：
根据工程原型，按照相似比尺，由相似准则配制含瓦斯煤相似材料及低渗透性的顶底板相似材料；在模型反力与空间密封单元1内制作模型，其步骤为打开反力框架1-4的顶梁，在柔性密封箱体1-7内放置煤层的位置预先安装面式充气装置2-8，然后制作试验模型6，并在试验模型6内部设定位置埋设传感器，传感器导线由传感器引线口1-6连接穿出；密封并盖上反力框架1-4的顶梁，将传感器导线连接多物理场信息获取单元5；开启高地应力梯度加载智能控制单元3，设定油路压力，通过液压油缸1-1给试验模型6加载模拟地应力；开启大流量高压瓦斯气体充填加载单元2，设定气压，通过面式充气装置2-8给试验模型的煤层充填瓦斯；巷道微型掘进与高速记录单元4安装在模型反力与空间密封单元1的前部，打开开挖口1-5，启动巷道微型掘进与高速记录单元4和多物理场信息获取单元5，设定开挖速度和进尺，开始试验。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
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 (8)

1.一种可实现石门巷道掘进诱导煤与瓦斯突出的定量模拟试验系统，其特征是：包括模型反力与空间密封单元、高地应力梯度加载智能控制单元、大流量高压瓦斯气体充填加载单元、巷道微型掘进与高速记录单元和多物理场信息获取单元，其中：
所述模型反力与空间密封单元为模型加载提供反力支撑和气体密封；
所述高地应力梯度加载智能控制单元，被配置为对模型材料的真三维高地应力柔性梯度加载及精确控制；
所述大流量高压瓦斯气体充填加载单元，被配置为采用面式充填技术与智能伺服气体保压技术，对试验煤层进行大流量瓦斯源连续保压充填，以实现煤层高压瓦斯赋存定量模拟；
所述巷道微型掘进与高速记录单元，包括耦合的高速摄像机与模型巷道微型掘进机，被配置为进行模型巷道定量控制掘进与突出过程捕捉，满足巷道可视化掘进模拟和突出瞬态过程记录；
所述多物理场信息获取单元包括频率可调的光纤类采集仪、传感器和采集单元，采集煤与瓦斯的变化过程中应力场、瓦斯压力场和温度场的实时采集，实现煤与瓦斯突出定量模拟；
所述大流量高压瓦斯气体充填加载单元，包括面式充气板、大流量高压储气瓶、增压装置、真空泵、气体加载控制台及气体加载控制系统，真空泵和大流量高压储气瓶通过高压软管分别与面式充气板联通，所述的增压装置有进气端口和出气端口，其进气端口与瓦斯气体联通，出气端口与气体加载控制台连接；所述的气体加载控制台内有压力传感器，将增压装置增压后的气体通过高压软管注入大流量高压储气瓶；所述的面式充气装置安装在模型反力与空间密封单元的柔性密封箱体内，由带有凹槽的钢板和千目钢丝网通过螺栓连接组合而成，防止与煤层直接接触，实现对煤层的均匀气体充填。
2.如权利要求1所述的一种可实现石门巷道掘进诱导煤与瓦斯突出的定量模拟试验系统，其特征是：所述模型反力与空间密封单元，包括模型反力结构与柔性密封箱体，模型反力结构为模型材料的三维应力加载提供反作用力，柔性密封箱体为弹性材质的矩形带盖箱体，实现密封环境下的煤与瓦斯气固耦合。
3.如权利要求1所述的一种可实现石门巷道掘进诱导煤与瓦斯突出的定量模拟试验系统，其特征是：
所述模型反力结构包括反力框架、导力框和推力器，所述反力框架构成模型材料的反力闭合空间，反力框架内部嵌设有液压油缸，推力器穿过反力框架与液压油缸连接，并安装导力框对推力器的伸缩起到导向作用；
或，所述反力框架包括多个拼接连接的单榀门式反力框架，按照位置不同分为顶梁、侧梁、底梁、三角梁及前后反力框架，顶梁、侧梁和底梁构成单榀门式反力框架并由三角梁加固，再通过高强螺栓拼接成多榀装配体，与前后反力框架共同构成模型材料的反力闭合空间。
4.如权利要求1所述的一种可实现石门巷道掘进诱导煤与瓦斯突出的定量模拟试验系统，其特征是：所述高地应力梯度加载智能控制单元包括液压加载系统和智能控制系统，分别控制液压站和分路控制单元，实时采集各分路的压力实现智能调压控制，同时控制水平方向和竖直方向上的各个分路，实现对试验模型体真三维高精度梯度加载。
5.如权利要求1所述的一种可实现石门巷道掘进诱导煤与瓦斯突出的定量模拟试验系统，其特征是：所述巷道微型掘进与高速记录单元包括主体为框架结构的模型巷道微型掘进系统，包括掘进杆、电机、支撑底座和刀盘，掘进杆一端与电机连接，另一端安装刀盘，支撑底座可人工调节高度实现不同高度和角度的开挖掘进。
6.如权利要求1所述的一种可实现石门巷道掘进诱导煤与瓦斯突出的定量模拟试验系统，其特征是：所述巷道微型掘进与高速记录单元设置有控制器，以控制掘进速率与刀盘转数，实现模型巷道定量控制掘进，安装固定于在掘进杆上的高速摄像机与掘进机耦合集成，对突出过程进行全程捕捉，满足巷道可视化掘进模拟和突出瞬态过程记录。
7.如权利要求1所述的一种可实现石门巷道掘进诱导煤与瓦斯突出的定量模拟试验系统，其特征是：所述多物理场信息获取单元包括光纤光栅传感解调仪、光纤光栅传感器和耦合器，所述光纤光栅传感器与解调仪连接，通过耦合器实现组网，解调仪将测得的光波长信号进行处理并发送至上位机，通过上位机对信号进行处理、显示和储存，实现煤与瓦斯突出发生瞬间及前后多物理量信息的实时监测与采集。
8.如权利要求1所述的一种可实现石门巷道掘进诱导煤与瓦斯突出的定量模拟试验系统，其特征是：所述光纤光栅传感器包括光纤光栅应变传感器、光纤光栅压力传感器、光纤光栅气压传感器和光纤光栅温度传感器，分别实时监测煤与瓦斯的应变、压力、气体压力和温度变化，所述的光纤光栅传感器通过光纤跳线与外界光纤光栅传感解调仪连接，跳线穿过柔性密封箱体的预留孔位置用密封胶密封。
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