CN108871905B

CN108871905B - 层理面粗糙度影响开采煤层变形与渗透性试验方法

Info

Publication number: CN108871905B
Application number: CN201810948240.2A
Authority: CN
Inventors: 刘义鑫; 程卫民; 江成浩; 韩耀中
Original assignee: Shandong University of Science and Technology
Current assignee: Shandong University of Science and Technology
Priority date: 2018-08-20
Filing date: 2018-08-20
Publication date: 2020-08-04
Anticipated expiration: 2038-08-20
Also published as: CN108871905A

Abstract

本发明公开了一种层理面粗糙度影响开采煤层变形与渗透性试验方法，步骤为：制作试验装置，包括“凹”字形的密封腔体和透明盒，密封腔体的凹口部构成试件放置腔，前压板配备有前压杆，试件放置腔左、右、后侧配备有侧压板，侧压板的首端开有透气孔，侧压板配备有侧压杆，上垫板上方前后紧挨地设置有上压板，上压板均配备有上压杆，上压杆的端头采用两块夹板之间安装球形滚珠的结构；准备煤粉；型煤试件制备；型煤试件安装；施加三轴应力；施加瓦斯压力；进行试验；同组其他试验，更换不同表面粗糙度的上垫板，并重新压制上表面与上垫板下表面粗糙度吻合的型煤试件；整理试验数据。从而进行煤体层理面粗糙度与煤层变形与渗透率的三轴真实模拟试验。

Description

层理面粗糙度影响开采煤层变形与渗透性试验方法

技术领域

本发明属于煤矿安全技术领域，具体地讲，涉及一种层理面粗糙度影响开采煤层变形与渗透性试验方法。

背景技术

岩体中广泛存在的各种不连续结构面，如褶皱、断层、层理、节理、劈理等，是不同时期地质构造作用孕育的产物。层理作为一种重要的地质结构面，其力学性质明显影响岩体各类力学性质(如抗压强度、弹性模量等)，并常常成为控制大坝、边坡、地下硐室等各类岩体工程稳定性的关键因素之一。

地下开采破坏了围岩的平衡，导致应力重分布，从而使岩体中存在的破坏点接近破坏点。这种破坏可以以稳定或不稳定的方式发生，这取决于特征不连续剪切应力-剪切位移行为、应力场和周围矿山环境的刚度。在煤矿开采过程中，由于煤层工作面掘进形成局部采空区，诱使顶板下沉或垮落，而顶板下沉过程中，其与煤层之间的层理面发生剪切错动，导致煤层发生明显变形或损伤破坏，从而诱发煤矿灾害。因此，层理面粗糙度影响开采煤层变形与渗透性试验，可为深入揭示煤与瓦斯突出机理与风险识别提供理论支撑和工程指导。

目前，国内外学者在层理面粗糙度影响开采煤层变形与渗透性方面的研究较少，仅有的室内研究亦集中于二维相似模拟，未考虑瓦斯压力影响，且往往忽略了层理面粗糙度这一影响因素，仍缺乏一种有效的试验装置及方法来模拟真三轴应力状态下层理面粗糙度影响开采煤层变形与渗透性演化，从而研究真三轴应力状态下层理面粗糙度对煤体变形与渗透性的影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种层理面粗糙度影响开采煤层变形与渗透性试验方法，用于研究真三轴应力状态下层理面粗糙度对煤与瓦斯突出的影响。

为此，本发明所采用的技术方案为：一种层理面粗糙度影响开采煤层变形与渗透性试验方法，包括以下步骤：

步骤一、制作试验装置；

所述试验装置包括“凹”字形的密封腔体，所述密封腔体的凹口朝向前方，在密封腔体的前方设置有与凹口部等高、等宽的透明盒，所述透明盒的后部、顶部均敞开并正好与凹口部相连接，所述透明盒与密封腔体共用同一底板，且密封腔体的凹口部与透明盒之间左右紧挨地设置有若干透明材质的前压板，从而使密封腔体的凹口部构成试件放置腔；

每个所述前压板均配备有前压杆，前压杆由前向后穿过透明盒与各自对应的前压板相连，每个前压板对应的前压杆各自独立控制，并通过依次卸载模拟工作面的掘进速度；所述试件放置腔的左侧、右侧、后侧分别配备有一块侧压板，侧压板的首端插入到密封腔体的对应侧壁上，并在首端开有透气孔用于连通试件放置腔与密封腔体，每块侧压板分别配备有一根侧压杆，侧压杆由外向内穿过密封腔体与侧压板的末端相连；所述试件放置腔及透明盒的内壁上缘共用同一上垫板，所述上垫板上方前后紧挨地设置有若干上压板，每个上压板均配备有上压杆，上压杆的端头采用两块夹板之间安装球形滚珠的结构，每个上压板对应的上压杆各自独立控制，并通过施加不同的载荷，以反映煤层顶板在非均布载荷下的不均匀变形；

所述密封腔体的侧壁上开有流体入孔，透明盒的侧壁上开有流体出孔；

步骤二、准备煤粉，将原煤破碎研磨至要求粒径范围，通过震动筛将研磨后煤粉筛分并烘干备用；

步骤三、型煤试件制备，将煤粉按照粒径配比要求进行混合，并按比例添加煤粉粘结剂后搅拌均匀，将煤粉装入模具压制成方形块的型煤试件；

步骤四、型煤试件安装，将压制好的型煤试件放入试验装置的试件放置腔内；

步骤五、施加三轴应力，对试验装置的左、右、后方的侧压杆以及前压杆、上压杆施加应力，使型煤试件受到三轴约束；

步骤六、施加瓦斯压力，通过流体入孔向试验装置内注入瓦斯气体，瓦斯气体通过左、右、后方侧压板上的透气孔进入型煤试件内部，使型煤试件内部形成一定的瓦斯压力并保持注气压力不变后进入下一步；

步骤七、进行试验，将前压板由左至右或由右至左按照设置的位移变化速率或应力向远离型煤试件的方向依次后撤，通过记录左、右、后方侧压板和上压板不同位置处位移量，获得煤层变形数据，同时记录流体出孔瓦斯流量变化；

步骤八、同组其他试验，更换不同表面粗糙度的上垫板，并重新压制上表面与上垫板下表面粗糙度吻合的型煤试件，重复步骤四至步骤七；

步骤九、整理试验数据。

作为上述方案的优选，步骤三中，所述型煤试件为600mm×600mm×100mm的方形块，相应地，步骤一中，所述试件放置腔也为600mm×600mm×100mm的方形腔。

进一步优选为，步骤二中,原煤破碎研磨后在105～110℃烘干22～26小时。

进一步优选为，步骤三中，型煤试件压制时采用的压板表面粗糙度及形貌特征与上垫板下表面粗糙粗糙度及形貌特征一致。

本发明的有益效果：对各压板施加的应力可真实模拟煤层三轴原岩应力状态，施加瓦斯气源可模拟瓦斯压力，前压板的逐次卸载模拟工作面掘进过程，其卸载速度可模拟工作面掘进速度，通过获取各压杆的位移变化量获得型煤试件变形量，并通过透明材料可实现煤与瓦斯突出的实时可视化，通过更换不同表面粗糙度的上垫板，并重新压制上表面与上垫板下表面粗糙度吻合的型煤试件，从而提供了一种层理面粗糙度影响开采煤层变形与渗透性试验方法，为煤矿的安全生产提供理论支撑和工程指导。

附图说明

图1本试验装置的俯视状态图。

图2图1的A-A剖视图。

图3图1的B-B剖视图。

图4上压板的端头局部放大图。

图中标记如下：密封腔体1、透明盒2、前压板3、前压杆4、底板5、试件放置腔6、侧压板7、侧压杆8、上垫板9、上压板10、上压杆11、流体入孔12、流体出孔13、第一密封圈14a、第二密封圈14b、第三密封圈14c、第四密封垫14d、盖板15、螺栓16、型煤试件17。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图，对本发明作进一步说明：

一种层理面粗糙度影响开采煤层变形与渗透性试验方法，包括以下步骤：

步骤一、制作试验装置。

结合图1—图3所示，试验装置主要由密封腔体1、透明盒2、前压板3、前压杆4、侧压板7、侧压杆8、上垫板9、上压板10、上压杆11组成。

密封腔体1整体呈“凹”字形，密封腔体1的凹口朝向前方。

在密封腔体1的前方设置有与凹口部等高、等宽的透明盒2。透明盒2的后部、顶部均敞开并正好与凹口部相连接。透明盒2与密封腔体1共用同一底板5，即透明盒2仅带有左、右、前侧壁。密封腔体1的凹口部与透明盒2之间左右紧挨地设置有若干透明材质的前压板3，从而使密封腔体1的凹口部构成试件放置腔6，试件放置腔6用于放置型煤试件17。

每个前压板3均配备有前压杆4，前压杆4由前向后穿过透明盒2与各自对应的前压板3相连，每个前压板3对应的前压杆4各自独立控制，并通过依次卸载模拟工作面的掘进速度。前压板3与透明盒2均采用透明材质制成，试验者能在试验过程中观察试件表面的裂纹扩展情况。透明材质中尤以超高强韧度透明材料帕姆聚碳酸酯板为佳，其性能更优越。

试件放置腔6的左侧、右侧、后侧分别配备有一块侧压板7，侧压板7的首端插入到密封腔体1的对应侧壁上，在侧压板7首端开有透气孔7a用于连通试件放置腔6与密封腔体1。每块侧压板7分别配备有一根侧压杆8，侧压杆8由外向内穿过密封腔体1与侧压板7的末端相连。最好是，侧压板7采用矩形外框内设竖直隔条的结构，且竖直隔条正好错开透气孔7a，从而使密封腔体1内的流体能通过透气孔7a进入试件放置腔6。

试件放置腔6及透明盒2的内壁上缘共用同一上垫板9，上垫板9上方前后紧挨地设置有若干上压板10。每个上压板10均配备有上压杆11，上压杆11的端头采用两块夹板11a之间安装球形滚珠11b的结构(如图4所示)，每个上压板10对应的上压杆11各自独立控制，并通过施加不同的载荷，以反映煤层顶板在非均布载荷下的不均匀变形。由于上压板10为多块紧挨布置，因此增设上垫板9，确保试件放置腔6的密封性，并模拟煤层顶板及采空区。

在密封腔体1的侧壁上开有流体入孔12，通过流体入孔12向密封腔体1内通入流体；透明盒2的侧壁上开有流体出孔13，试验过程中流体经流体出孔13排出。最好是，流体入孔12共两个，左右对称设置在密封腔体1的后侧壁上；流体出孔13共一个，设置在透明盒2的左侧壁或右侧壁上皆可。

另外，试件放置腔6最好为长与宽相等的方形腔。

底板5、盖板15通过螺栓16与密封腔体1的侧壁固定。为确保试验装置的密封性，可以采用底板5与密封腔体1、试件放置腔6之间设置有第一密封圈14a；密封腔体1与侧压杆8之间、密封腔体1与侧压板7之间均设置有第二密封圈14b；密封腔体1与自带的盖板15之间设置有第三密封圈14c；密封腔体1与上垫板9之间设置有第四密封垫14d。

最好是，前压杆4与前压板3采用螺纹连接，侧压杆8与侧压板7采用螺纹连接，也可以采用其它固定连接方式。

最好是，上压板10共七个，每个上压板10对应的上压杆11分别由各自独立的控制部分控制，以反映煤层顶板不均匀变形；前压板3共六个，每个前压板3对应的前压杆4分别由各自独立的控制部分控制，并通过依次卸载模拟工作面的掘进速度。

该试验装置的特点：

1、能从前后、左右及上方施加真三轴应力，且上压板的端头采用两块夹板之间安装球形滚珠的结构，通过可施加非均布荷载，从而真实地模拟顶板的非均匀变形。

2、前压板采用多块组合的结构，通过逐步卸载来模拟工作面掘进过程；上压板采用多块组合并优化上压杆的端头结构，上压板各自独立控制以模拟煤层顶板非均匀载荷的加载，上垫板模拟煤层顶板及采空区；相比人为手动掘进的方式，更真实地模拟了实际工况，从而提高了试验精度。

3、试件后侧及左、右两侧的压板均设有透气孔，可由流体入孔对试件进行充气达到一定得气体压力，试件底部、前部及上部均无气源供给孔，从而能更真实的反映实际工况，提高试验精度。

4、试验装置采用密封结构，能施加相关瓦斯压力，从而反映真实工况。

步骤二、准备煤粉，将原煤破碎研磨至要求粒径范围，通过震动筛将研磨后煤粉筛分并烘干备用。最好是，原煤破碎研磨后在105～110℃烘干22～26小时。

步骤三、型煤试件制备，将煤粉按照粒径配比要求进行混合，并按比例添加煤粉粘结剂后搅拌均匀，将煤粉装入模具压制成方形块的型煤试件。

最好是，型煤试件为600mm×600mm×100mm的方形块，相应地，步骤一中，试件放置腔6也为600mm×600mm×100mm的方形腔。

步骤四、型煤试件安装，将压制好的型煤试件放入试验装置的试件放置腔6内。

步骤五、施加三轴应力，对试验装置的左、右、后方的侧压杆8以及前压杆4、上压杆11施加应力，使型煤试件受到三轴约束。

步骤六、施加瓦斯压力，通过流体入孔12向试验装置内注入瓦斯气体，瓦斯气体通过左、右、后方侧压板7上的透气孔7a进入型煤试件内部，使型煤试件内部形成一定的瓦斯压力并保持注气压力不变后进入下一步。当流体入孔12共两个时，通过两个流体入孔12同时向试验装置内注入瓦斯气体。

步骤七、进行试验，将前压板3由左至右或由右至左按照设置的位移变化速率或应力向远离型煤试件的方向依次后撤，通过记录左、右、后方侧压板7和上压板10不同位置处位移量，获得煤层变形数据，同时记录流体出孔13瓦斯流量变化。

步骤八、同组其他试验，更换不同表面粗糙度的上垫板9，并重新压制上表面与上垫板9下表面粗糙度吻合的型煤试件，重复步骤四至步骤七。

例如，将不同粒径的煤粉按照小于40目：40～60目：60～80目：80～100目：大于100目＝1:1:1:1:1的质量比混合，并添加质量比为5％的乳白胶作为粘接剂压制成型煤试件，按照下表进行重复试验：

按照上表所示重复试验，即可研究煤体层理面粗糙度与煤层变形与渗透率的关系。

Claims

1.一种层理面粗糙度影响开采煤层变形与渗透性试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、制作试验装置；

所述试验装置包括“凹”字形的密封腔体（1），所述密封腔体（1）的凹口朝向前方，在密封腔体（1）的前方设置有与凹口部等高、等宽的透明盒（2），所述透明盒（2）的后部、顶部均敞开并正好与凹口部相连接，所述透明盒（2）与密封腔体（1）共用同一底板（5），且密封腔体（1）的凹口部与透明盒（2）之间左右紧挨地设置有若干透明材质的前压板（3），从而使密封腔体（1）的凹口部构成试件放置腔（6）；

每个所述前压板（3）均配备有前压杆（4），前压杆（4）由前向后穿过透明盒（2）与各自对应的前压板（3）相连，每个前压板（3）对应的前压杆（4）各自独立控制，并通过依次卸载模拟工作面的掘进速度；所述试件放置腔（6）的左侧、右侧、后侧分别配备有一块侧压板（7），侧压板（7）的首端插入到密封腔体（1）的对应侧壁上，并在首端开有透气孔（7a）用于连通试件放置腔（6）与密封腔体（1），每块侧压板（7）分别配备有一根侧压杆（8），侧压杆（8）由外向内穿过密封腔体（1）与侧压板（7）的末端相连；所述试件放置腔（6）及透明盒（2）的内壁上缘共用同一上垫板（9），所述上垫板（9）上方前后紧挨地设置有若干上压板（10），每个上压板（10）均配备有上压杆（11），上压杆（11）的端头采用两块夹板（11a）之间安装球形滚珠（11b）的结构，每个上压板（10）对应的上压杆（11）各自独立控制，并通过施加不同的载荷，以反映煤层顶板在非均布载荷下的不均匀变形；

所述密封腔体（1）的侧壁上开有流体入孔（12），透明盒（2）的侧壁上开有流体出孔（13）；

步骤四、型煤试件安装，将压制好的型煤试件放入试验装置的试件放置腔（6）内；

步骤五、施加三轴应力，对试验装置的左、右、后方的侧压杆（8）以及前压杆（4）、上压杆（11）施加应力，使型煤试件受到三轴约束；

步骤六、施加瓦斯压力，通过流体入孔（12）向试验装置内注入瓦斯气体，瓦斯气体通过左、右、后方侧压板（7）上的透气孔（7a）进入型煤试件内部，使型煤试件内部形成一定的瓦斯压力并保持注气压力不变后进入下一步；

步骤七、进行试验，将前压板（3）由左至右或由右至左按照设置的位移变化速率或应力向远离型煤试件的方向依次后撤，通过记录左、右、后方侧压板（7）和上压板（10）不同位置处位移量，获得煤层变形数据，同时记录流体出孔（13）瓦斯流量变化；

步骤八、同组其他试验，更换不同表面粗糙度的上垫板（9），并重新压制上表面与上垫板（9）下表面粗糙度吻合的型煤试件，重复步骤四至步骤七；

步骤九、整理试验数据。

2.根据权利要求1所述的层理面粗糙度影响开采煤层变形与渗透性试验方法，其特征在于：步骤三中，所述型煤试件为600mm×600mm×100mm的方形块，相应地，步骤一中，所述试件放置腔（6）也为600mm×600mm×100mm的方形腔。

3.根据权利要求1所述的层理面粗糙度影响开采煤层变形与渗透性试验方法，其特征在于：步骤二中,原煤破碎研磨后在105～110℃烘干22～26小时。

4.根据权利要求1所述的层理面粗糙度影响开采煤层变形与渗透性试验方法，其特征在于：步骤三中，型煤试件压制时采用的压板表面粗糙度及形貌特征与上垫板（9）下表面粗糙粗糙度及形貌特征一致。