CN109490482B - 一种模拟煤矿深部开采复合型动力灾害的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟煤矿深部开采复合型动力灾害的装置及方法，动力加载模块向耐高压密封腔体模块提供动力；耐高压密封腔体模块包括耐高压密封腔体和承压底座；耐高压密封腔体上设有引线输出端、输入端及输出端；输入端为抽真空端、充气端及传感器连接端；输出端通过防爆型高速气动阀连接透明管道，透明管道上部平面开设气体压力传感器接口、温度传感器接口和气体浓度传感器接口；透明管道旁架设有红外热像仪和分体式高速摄像机。利用本发明对煤矿深部开采复合型动力灾害开展试验研究，对于进一步分析其发生机理，采取针对性的复合动力灾害预测、预警及治理技术，解决深部煤矿开采面临的安全问题具有重要的科学意义和实用价值。

Description

一种模拟煤矿深部开采复合型动力灾害的装置及方法

技术领域

本发明涉及室内试验设备技术领域，具体涉及一种模拟煤矿深部开采复合型动力灾害的装置及方法。

背景技术

我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，煤炭在我国能源结构中占有重要地位。然而，煤炭资源作为一种非可再生能源，其在我国地域分布不均以及地区需求不均使得我国的煤炭资源面临的形式也极为严峻，为满足对煤炭资源高强度需求，部分矿井不得不转向深部开采且开采深度逐年增加，近年来这种趋势愈加明显。然而，深部开采面临高地应力，高温、高瓦斯等问题使得煤与瓦斯突出危险性增加，煤岩冲击性增强，进一步导致一些高瓦斯矿井、煤与瓦斯突出矿井发生复合型煤岩动力灾害的概率显著增大，此类灾害既表现出煤与瓦斯突出的部分特征，又有冲击地压的部分特征，两种动力灾害互为共存、互相影响、相互复合。

同时，深部复合煤岩动力灾害是受“高应力(地应力)+动力扰动(开采卸压)”双重作用的复杂力学过程，灾害发生过程中多种因素的相互交织，导致在事故孕育、发生、发展过程中可能互为诱因，互为强化，或产生“共振”效应，进而使得复合动力灾害的发生机理更为复杂，理论研究更为困难。基于此，为进一步弄清复合动力灾害发生机理及其能量转换机制，开展相关的试验研究成为一种可能，考虑到现场复合动力灾害具有巨大的破坏性和危害性，在煤矿现场人为诱发冲击-突出复合动力灾害不具可行性。因此，研发能够满足相应孕灾、致灾条件的试验装置并基于此开展系列室内试验不失为一种有效手段和合理方法。

发明内容

为实现上述目的，本发明提供一种模拟煤矿深部开采复合型动力灾害的装置及方法，采用如下技术方案：

一种模拟煤矿深部开采复合型动力灾害的装置，包括动力加载模块，所述动力加载模块向耐高压密封腔体模块提供动力；所述耐高压密封腔体模块包括固定在一起的耐高压密封腔体和底部的承压底座；

所述耐高压密封腔体外表面开设有用于固定声发射探头的凹槽；

所述耐高压密封腔体上设有引线输出端、输入端及输出端；

所述引线输出端通过玻璃烧结连接器与外界连接；

所述输入端一分为三且单独控制，分别为抽真空端、充气端及传感器连接端；

所述输出端通过防爆型高速气动阀连接透明管道，所述透明管道上部平面开设有气体压力传感器接口、温度传感器接口和气体浓度传感器接口；

所述透明管道旁架设有红外热像仪和多个分体式高速摄像机。

所述动力加载模块包括刚性试验机及承压垫块；

所述承压垫块包括叠加在一起的第一承压垫块和至少一块第二承压垫块，所述第一承压垫块的顶部和底部都开设有限位凹槽，顶部的限位凹槽与耐高压密封腔体模块底部的承压底座相吻合，底部的限位凹槽与第二承压垫块顶部的限位凸起相吻合；

所述第二承压垫块的底部也都设有限位凹槽。

所述动力加载模块通过T型刚性压头向耐高压密封腔体施加动力，所述T型刚性压头底部开设有密封凹槽并套有密封圈加以密封。

所述透明管道通过可调支撑架支撑。

所述输入端与输出端中心线连线过该连线所在的耐高压密封腔体截面的中心。

所述凹槽中心线与输入端和输出端中心线在同一水平面且垂直于输入端和输出端中心线。

所述气体压力传感器接口、温度传感器接口及气体浓度传感器接口为一组分布于透明管道上同一截面上且沿透明管道等间距分布若干组。

采用所述一种模拟煤矿深部开采复合型动力灾害的装置的试验方法，包括：

第一步、试件制备，

基于顶板、底板及煤层厚度比制备煤岩组合体试件并分别在煤、岩表面粘贴应变片；

第二步、试件安装及各监测设备安装调试，

将制备好的煤岩组合体试件装入耐高压密封腔体经引线输出端连接玻璃烧结连接器进而与外接应变仪连接；在耐高压密封腔体外表面凹槽处安设声发射探头并调试；

第三步、试验过程，

启动动力加载模块，向耐高压密封腔体内煤岩组合体试件施加轴向预紧力，保持试件稳定；通过抽真空端对耐高压密封腔体进行抽真空；向耐高压密封腔体注入吸附性气体并保持设定的吸附时间；

待达到规定的吸附时间，通过动力加载模块按照位移加载方式加载，同步监测声发射信号及耐高压密封腔体内气压变化；

逐步加载直至试件破坏，在试件破坏瞬间打开防爆型高速气动阀，耐高压密封腔体瞬间卸压，同步记录透明管道不同位置处的气体压力、气体浓度及温度，通过红外热像仪和分体式高速摄像机记录破碎并抛出的块状煤体的红外成像及运动特征；统计破碎并被抛出的块状煤的总量、几何特征、沿管道分布特征；

第四步、结束一次试验，

对监测的各项数据收集、整理，结束一次试验；

第五步、同组其他试验，

分别改变煤岩组合体厚度比、气体压力，重复试验；

第六步、试验结果分析，

对监测的各项数据系统分析并归纳总结。

所述向耐高压密封腔体内煤岩组合体试件施加的轴向预紧力为0.3～0.5kN；向耐高压密封腔体注入的吸附性气体的气压为0.1～2MPa，保持吸附时间不低于24h。

通过所述传感器连接端连接的气体压力传感器监测耐高压密封腔体的压力；通过气体压力传感器接口连接的气体压力传感器监测透明管道内的气体压力；

通过动力加载模块获得煤岩试件总应力-应变，通过引线输出端获得煤岩试件中煤、岩各自的应变；

所述几何特征包括粒径及比表面积，沿管道分布特征包括抛出距离及抛出速度。

本发明的有益效果：

1.本发明根据现场实际情况提出了基于试验研究煤矿深部开采复合型动力灾害的装置及方法，是对复合型动力灾害在试验方面的有益补充，同时在理论方面也为进一步弄清复合型动力灾害孕灾致灾机理提供数据支撑。

2.本发明可对复合型灾害的动力效应及致灾效应进行系统监测，可以通过监测参量系统对比灾变前后能量变化并进行量化表征，进一步分析顶板弹性能对灾变的贡献，同时可为顶板参与下的突出强度预测提供数据支撑，而且对于深部开采诱发的冲击地压-煤与瓦斯突出等矿井复合动力灾害的防治具有重要的理论意义和工程实际价值。

3.本发明装置结构简单紧凑、成本低、可操作性强，同时本发明对于原煤-原岩、型煤-相似材料、等组合均可进行试验，应用面广。

4.本发明针对灾变过程的动力特征及灾后效应提供了系统的监测装置和方法，可为进一步分析复合动力灾害致灾程度提供充分数据支撑，具有广泛而积极的意义，具备较广泛的实用性。

附图说明

图1是本发明一种模拟煤矿深部开采复合型动力灾害的装置整体结构示意图。

图2是本发明动力加载模块-刚性试验机第一承压垫块。

图3是本发明动力加载模块-刚性试验机第二承压垫块。

图4是本发明透明管道示意图。

图5是本发明实施例中的煤岩组合体试件。

1-第二承压垫块、2-第一承压垫块、3-限位凹槽、3-1-承压底座、4-耐高压密封腔体、5-T型刚性压头、6-密封凹槽、7-密封圈、8-引线输出端、9-输入端、10-输出端、11-玻璃烧结连接器、12-抽真空端、13-充气端、14-传感器连接端、15-防爆型高速气动阀、16-透明管道、17-可调支撑架支撑、18-气体压力传感器接口、19-温度传感器接口、20-气体浓度传感器接口、21-红外热像仪、22-分体式高速摄像机、23-煤岩组合体试件。

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-图5所示，一种模拟煤矿深部开采复合型动力灾害的装置，包括动力加载模块，所述动力加载模块向耐高压密封腔体模块提供动力；所述耐高压密封腔体模块包括固定在一起的耐高压密封腔体4和底部的承压底座3-1；所述耐高压密封腔体4外表面开设有用于固定声发射探头的凹槽(未示出)；

所述耐高压密封腔体4上设有引线输出端8、输入端9及输出端10；

所述引线输出端8通过玻璃烧结连接器11与外界连接；

所述输入端9一分为三且单独控制，分别为抽真空端12、充气端13及传感器连接端14；

所述输出端10通过防爆型高速气动阀15连接透明管道16，所述透明管道16上部平面开设有气体压力传感器接口18、温度传感器接口19和气体浓度传感器接口20；

所述透明管道16旁架设有红外热像仪21和多个分体式高速摄像机22。

所述动力加载模块包括刚性试验机(未示出)及承压垫块；

所述承压垫块包括叠加在一起的第一承压垫块2和至少一块第二承压垫块1，所述第一承压垫块2的顶部和底部都开设有限位凹槽，顶部的限位凹槽3与耐高压密封腔体模块底部的承压底座3-1相吻合，底部的限位凹槽与第二承压垫块顶部的限位凸起相吻合；

所述第二承压垫块1的底部也都设有限位凹槽。

所述动力加载模块通过T型刚性压头5向耐高压密封腔体4施加动力，所述T型刚性压头5底部开设有密封凹槽6并套有密封圈7加以密封。

所述透明管道16通过可调支撑架17支撑。

所述输入端9与输出端10中心线连线过该连线所在的耐高压密封腔体4截面的中心。

所述凹槽中心线与输入端9和输出端10中心线在同一水平面且垂直于输入端9和输出端10中心线。

所述气体压力传感器接口18、温度传感器接口19及气体浓度传感器接口20为一组分布于透明管道16上同一截面上且沿透明管道16等间距分布若干组。

采用所述一种模拟煤矿深部开采复合型动力灾害的装置的试验方法，包括：

第一步、试件制备，

基于顶板、底板及煤层厚度比制备煤岩组合体试件23并分别在煤、岩表面粘贴应变片；图1和图5中R₁为细砂岩，R₂为粗砂岩，C₁为原煤，F₁为粉砂岩；

第二步、试件安装及各监测设备安装调试，

将制备好的煤岩组合体试件23装入耐高压密封腔体4经引线输出端8连接玻璃烧结连接器11进而与外接应变仪连接；在耐高压密封腔体4外表面凹槽处安设声发射探头并调试；

第三步、试验过程，

启动动力加载模块，向耐高压密封腔体4内煤岩组合体试件23施加轴向预紧力，保持试件稳定；通过抽真空端12对耐高压密封腔体4进行抽真空；向耐高压密封腔体4注入吸附性气体并保持设定的吸附时间；

待达到规定的吸附时间，通过动力加载模块按照位移加载方式加载，同步监测声发射信号及耐高压密封腔体4内气压变化；

逐步加载直至试件破坏，在试件破坏瞬间打开防爆型高速气动阀15，耐高压密封腔体4瞬间卸压，同步记录透明管道16不同位置处的气体压力、气体浓度及温度，通过红外热像仪21和分体式高速摄像机22记录破碎并抛出的块状煤体的红外成像及运动特征；统计破碎并被抛出的块状煤的总量、粒径及比表面积、抛出距离及抛出速度；

第四步、结束一次试验，

对监测的各项数据收集、整理，结束一次试验；

第五步、同组其他试验，

分别改变煤岩组合体厚度比、气体压力，重复试验；

第六步、试验结果分析，

对监测的各项数据系统分析并归纳总结。

所述向耐高压密封腔体4内煤岩组合体试件23施加的轴向预紧力为0.3～0.5kN；向耐高压密封腔体4注入的吸附性气体的气压为0.1～2MPa，保持吸附时间不低于24h。

通过所述传感器连接端14连接的气体压力传感器监测耐高压密封腔体4的压力；通过气体压力传感器接口18连接的气体压力传感器监测透明管道16内的气体压力；

通过动力加载模块获得煤岩试件总应力-应变，通过引线输出端获得煤岩试件中煤、岩各自的应变；

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 (7)

1.一种模拟煤矿深部开采复合型动力灾害的装置，其特征是，包括动力加载模块，所述动力加载模块向耐高压密封腔体模块提供动力；所述耐高压密封腔体模块包括固定在一起的耐高压密封腔体和底部的承压底座；

所述耐高压密封腔体外表面开设有用于固定声发射探头的凹槽；

所述耐高压密封腔体上设有引线输出端、输入端及输出端；

所述引线输出端通过玻璃烧结连接器与外界连接；

所述输入端一分为三且单独控制，分别为抽真空端、充气端及传感器连接端；

所述输出端通过防爆型高速气动阀连接透明管道，所述透明管道上部平面开设有气体压力传感器接口、温度传感器接口和气体浓度传感器接口；

所述透明管道旁架设有红外热像仪和多个分体式高速摄像机；

所述动力加载模块包括刚性试验机及承压垫块；

所述承压垫块包括叠加在一起的第一承压垫块和至少一块第二承压垫块，所述第一承压垫块的顶部和底部都开设有限位凹槽，顶部的限位凹槽与耐高压密封腔体模块底部的承压底座相吻合，底部的限位凹槽与第二承压垫块顶部的限位凸起相吻合；

所述第二承压垫块的底部也都设有限位凹槽；

所述输入端与输出端中心线连线过该连线所在的耐高压密封腔体截面的中心；

所述凹槽中心线与输入端和输出端中心线在同一水平面且垂直于输入端和输出端中心线。

2.如权利要求1所述一种模拟煤矿深部开采复合型动力灾害的装置，其特征是，所述动力加载模块通过T型刚性压头向耐高压密封腔体施加动力，所述T型刚性压头底部开设有密封凹槽并套有密封圈加以密封。

3.如权利要求1所述一种模拟煤矿深部开采复合型动力灾害的装置，其特征是，所述透明管道通过可调支撑架支撑。

4.如权利要求1所述一种模拟煤矿深部开采复合型动力灾害的装置，其特征是，所述气体压力传感器接口、温度传感器接口及气体浓度传感器接口为一组分布于透明管道上同一截面上且沿透明管道等间距分布若干组。

5.采用权利要求1-4任意一项所述的一种模拟煤矿深部开采复合型动力灾害的装置的试验方法，其特征是，包括：

第一步、试件制备，

基于顶板、底板及煤层厚度比制备煤岩组合体试件并分别在煤、岩表面粘贴应变片；

第二步、试件安装及各监测设备安装调试，

将制备好的煤岩组合体试件装入耐高压密封腔体经引线输出端连接玻璃烧结连接器进而与外接应变仪连接；在耐高压密封腔体外表面凹槽处安设声发射探头并调试；

第三步、试验过程，

启动动力加载模块，向耐高压密封腔体内煤岩组合体试件施加轴向预紧力，保持试件稳定；通过抽真空端对耐高压密封腔体进行抽真空；向耐高压密封腔体注入吸附性气体并保持设定的吸附时间；

待达到规定的吸附时间，通过动力加载模块按照位移加载方式加载，同步监测声发射信号及耐高压密封腔体内气压变化；

逐步加载直至试件破坏，在试件破坏瞬间打开防爆型高速气动阀，耐高压密封腔体瞬间卸压，同步记录透明管道不同位置处的气体压力、气体浓度及温度，通过红外热像仪和分体式高速摄像机记录破碎并抛出的块状煤体的红外成像及运动特征；统计破碎并被抛出的块状煤的总量、几何特征、沿管道分布特征；

第四步、结束一次试验，

对监测的各项数据收集、整理，结束一次试验；

第五步、同组其他试验，

分别改变煤岩组合体厚度比、气体压力，重复试验；

第六步、试验结果分析，

对监测的各项数据系统分析并归纳总结。

6.如权利要求5所述的试验方法，其特征是，向耐高压密封腔体内煤岩组合体试件施加的轴向预紧力为0.3～0.5kN；向耐高压密封腔体注入的吸附性气体的气压为0.1～2MPa，保持吸附时间不低于24h。

7.如权利要求5所述的试验方法，其特征是，通过所述传感器连接端连接的气体压力传感器监测耐高压密封腔体的压力；通过气体压力传感器接口连接的气体压力传感器监测透明管道内的气体压力；

通过动力加载模块获得煤岩试件总应力-应变，通过引线输出端获得煤岩试件中煤、岩各自的应变；

所述几何特征包括粒径及比表面积，沿管道分布特征包括抛出距离及抛出速度。