CN109991108B - 动静荷载作用下金属骨架加固煤与瓦斯突出模拟试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动静荷载作用下金属骨架加固煤与瓦斯突出模拟试验方法：(1)试验相似材料的制备；(2)含断层煤系岩层相似模型制备；(3)试件箱的安装；(4)将压头与试件箱接触，检查传感器连线是否正常，准备进行试验；(5)进行二维动静组合加载相似模拟试验并采集数据。利用二维组合应力诱导突出模拟试验装置，先进行静载加载，再进行动荷载加载及数据采集。能实现煤岩体多种应力波的加载，相比传统的落锤与霍普金森杆两种动荷载施加方式，施加冲击载荷试验方法更加灵活，应力条件更加多样，结合含断层煤系岩层相似模型制备，以更好地模拟复杂应力条件下的含断层煤系岩层体力学特性。

Description

动静荷载作用下金属骨架加固煤与瓦斯突出模拟试验方法

技术领域

本发明涉及一种用于研究动静荷载作用下金属骨架加固煤体的煤与瓦斯突出控制相似模拟试验方法。

背景技术

相似模型试验指的是实体试验，通过在比例缩小或等比模型上进行相应的试验，获取相关数据及检查设计缺陷。在采用适当比例和相似材料制成的与原型相似的试验结构(或构件)上施加比例荷载，使模型受力后再演原型结构实际工作的结构试验。试验对象为仿照原型(实际结构)并按照一定比例尺复制而成的试验代表物，它具有实际结构的全部或部分特征。用与原型相似的模型进行试验研究，并将研究结果应用于原型的一种重要的试验研究方法，广泛应用于各学科领域。其主要的优点是：可以控制主要试验参数而不受环境条件的限制与影响；便于改变试验参数进行对比试验；经济性好。

随着矿井开采深度和强度的不断提高，与煤岩体失稳破坏相关的矿井动力灾害事故日趋严重，冲击地压和煤与瓦斯突出发生的频度、强度以及破坏程度随着采深的增加、瓦斯压力的升高具有明显的上升趋势，且相当一部分深井灾害表现出冲击地压、煤与瓦斯突出两种动力灾害同时存在、相互耦合的现象，即深井复合动力灾害。因此，对复杂应力作用下的含瓦斯煤突出发生机理研究就很有必要。

金属骨架加固煤体作为一种揭煤过程中常用的防突技术措施，具有适用性强，可与多种防突技术措施配合使用的优点。随着矿井开采深度和强度的不断提高，煤矿安全生产的受重视程度日益加深，但现有煤与瓦斯突出模拟试验装置及配套试验方法，对于常规的煤系岩层复合动力灾害有着较好的模拟，但是缺乏对金属骨架加固煤体的煤与瓦斯突出模拟。

发明内容

本发明旨在提供一种可以模拟二维动静组合加载诱导煤与瓦斯突出的试验装置，可以更好地模拟复杂应力条件下的煤岩体力学特性。

为此，本发明所采用的技术方案为：一种二维组合应力诱导突出模拟试验装置，包括反力框架和试件箱，所述反力框架是由左立柱、右立柱、上横梁、下横梁围成的封闭固定框架结构，反力框架的左右两侧各配备有一个支撑架，反力框架能在减速电机的驱动下绕自身的安装轴线翻转90°，上横梁上安装有压头向下的伺服液压油缸，左立柱上安装有压头向右的伺服液压油缸，右立柱、下横梁上分别安装有支撑块，伺服液压油缸和支撑块共同将反力框架内的试件箱夹持住；每个压头配备有一个穿过试件箱的活塞，用于与试件箱内的压板相连；

所述试件箱包括箱体和箱盖，箱体底部下方内置气体充填管路，并通过铺设在箱体底部的泡沫金属层向箱体内均匀充气，所述箱体的侧壁上还开设有突出口和传感器接线孔，所述突出口外安装有泄压装置，所述传感器接线孔内安装有传感器转换接头。

作为上述模拟试验装置的优选，还包括控制台、液压站和单轨电动葫芦；在试件箱内安装有压力传感器、温度传感器、孔隙压力传感器用于测定突出过程中的煤岩应力、煤样的温度以及瓦斯压力的传播规律及衰减特征；所述控制台通过计算机控制伺服控制机实现多种应力波的加载及调控，并收集记录试验过程中试件箱内部安装的传感器的数据；所述液压站为反力框架上的液压油缸提供动力；所述单轨电动葫芦安装在反力框架的上方用于吊装重物；在所述突出口前端安装有高速摄像机用于实现突出全过程的可视化，并配合声发射装置用于研究煤与瓦斯突出过程中的声发射现象发展规律。

进一步优选为，所述减速电机安装在反力框架的右侧的支撑架上，反力框架的左右两侧分别通过轴承安装；两个所述支撑架的下方焊接在同一底座上，构成“U”型架。

进一步优选为，所述伺服液压油缸包括液压油缸、伺服控制机，液压油缸均通过长螺栓与加持板固定在反力框架上，在液压油缸的压头上还安装有位移传感器和应力传感器，所述上横梁上安装有三个伺服液压油缸，左立柱上安装有一个伺服液压油缸，其中两个伺服液压油缸用于静载荷加载，两个伺服液压油缸用于动荷载荷加载，且每一个伺服控制机均能与任一液压油缸匹配。

进一步优选为，所述反力框架的前、后两侧装有侧挡板，以保证试验过程中的反力框架整体稳定性，同时限制试件箱沿二维应力作用面法向的变形。

进一步优选为，所述箱体内的左上角设置有预留空间，当箱体内装有试件时，试件的左上角位置处铺设有垫块，所述竖直压板的上端，最左侧的水平压板的左端共同压在垫块上，防止压板运动时将试件上的碎屑压入预留空间。

进一步优选为，所述箱体的侧壁、箱盖的顶部分别设置有吊环，箱盖上还开设有排气孔，且气体充填管路的入口、排气孔分别通过堵头密封。通过吊环吊装箱体和箱盖，专用于模型尺寸较大的试件箱。

进一步优选为，所述气体充填管路由开设在箱体内的“L”形孔和安装在泡沫金属层下方并与“L”形孔相通的纵横交错的格栅网管组成，且格栅网管的顶部开有缺口。采用全新的气体充填管路结构，通过顶部带缺口的纵横交错的格栅网管，将通过“L”形孔充入的气体均匀分散后，经缺口送出，再经泡沫金属层送入箱体内，进一步确保了向箱体内的试件均匀稳定充气。

同时，本发明还提供了一种动静荷载作用下金属骨架加固煤与瓦斯突出模拟试验方法，可以模拟金属骨架加固煤体在二维动静组合加载诱导下的煤与瓦斯突出过程及金属骨架干涉煤与瓦斯突出过程，可以更好地模拟复杂应力条件下的金属骨架加固煤体力学特性，以重现井下金属骨架加固煤体的煤与瓦斯突出前后的应力特征及演化过程，为金属骨架防突机理研究及金属骨架布置方案设计提供依据。

一种动静荷载作用下金属骨架加固煤与瓦斯突出模拟试验方法，包括以下步骤：

(1)试验相似材料的制备；

(a)确定研究对象的煤层、顶板、底板划分情况，进行各煤、岩层的物理力学性质测量；进一步根据试验方案确定相似模型实验的相似比；

(b)选择河沙、水泥及石膏作为相似模型材料，按照几何相似比、应力相似比、质量相似比计算出各层相似材料所需质量；将河沙、水泥及石膏按一定比例混合均匀，加入适量水进一步搅拌均匀后制成各煤、岩层的相似模型材料；

(c)将铝丝或其他金属丝切割成段，用于模拟向煤层打孔后放入的金属骨架；

(2)金属骨架加固煤与瓦斯的相似模型制备，在相似模型中埋设应力传感器、温度传感器、声发射传感器，并与数据采集系统连接；

(a)将制备的底板相似模型材料按研究对象的岩层划分情况放入试件箱中，并压实；

(b)将制备的煤层相似材料按研究对象的煤层划分情况放入试件箱中并压实，同时在铺设煤层相似材料的过程中，将金属丝横置在煤层相似材料中；

(c)将制备的顶板相似材料按研究对象的煤层划分情况放入试件箱中，并压实；

(3)试件箱的安装；

将伺服液压油缸收回，将反力框架翻转90°，使之呈水平布置，以方便后续将试件箱放入反力框架的预定位置；反力框架水平布置后，拆除反力框架的上横梁；将试件箱翻转90°，与安装在反力框架上的液压油缸位置对应；通过单轨电动葫芦吊装试件箱，将其安放在反力框架内的预定位置；安装好拆除的上横梁，将反力框架反方向翻转90°，使反力框架与试件箱一同恢复原位；

(4)将压头与试件箱接触，检查传感器连线是否正常，准备进行试验；

(5)进行二维动静组合加载相似模拟试验并采集数据。

作为上述方案的优选，所述步骤(5)中先进行静载加载，再进行动荷载加载及数据采集，以上下方向为Z向，左右方向为X向，前后方向为Y向；

静载加载：

(a)同时加载Z向和X向至a千牛，a为自然数；

(b)保持载荷t分钟，t为自然数；

(c)同时加载Z向竖直压力和X向水平压力至2a千牛；

(d)重复步骤(a)～(c)直到双向加载压力达到预定值，步骤(a)～(d)中，加载速率恒定；

动荷载加载及数据采集：

(a)X向施加水平动荷载，包括设置动荷载振幅；设置动荷载频率；设置动荷载循环次数；开始施加动荷载并观测记录数据；

(b)Z向施加垂直动荷载，包括设置动荷载振幅；设置动荷载频率；设置动荷载循环次数；开始施加动荷载并观测记录数据；

(c)X向施加水平动荷载，Z向施加垂直动荷载，包括设置动荷载振幅；设置动荷载频率；设置动荷载循环次数；开始施加动荷载并观测记录数据；

在(a)～(c)中，动荷载数据采集系统采集压头处的应力、位移数据，预先埋设在试件箱中的应力传感器、温度传感器采集煤岩体内部的应力数据，利用高速摄像机拍摄突出过程，并结合声发射装置研究煤与瓦斯突出过程中的声发射现象发展规律。

进一步优选为，所述静载加载之后，先进行脱气、充气后，再进行动荷载加载及数据采集；

脱气：保持液压油缸压力稳定在预定的压力程度，检查试件箱气密性，用真空泵进行脱气，脱气时间根据成型煤样强度而定，但至少脱气24h，以保证良好的脱气效果；

充气：脱气后，维持液压油缸轴向压力不变，将高压高纯甲烷钢瓶或二氧化碳钢瓶与试件箱的气体充填管路连接妥当，并保证绝对的气密性，再进行充气，充气时间36h～48h，使相似材料瓦斯充分吸附平衡。

本发明的有益效果：摒弃传统的落锤与霍普金森杆两种动荷载施加方式，采用伺服液压油缸结合活塞、压板构成的载荷加载机构，进行水平载荷和竖直载荷的加载，且每个压头既可以单独施加荷载，也可以同步施加荷载，施加冲击载荷试验方法更加灵活，应力条件更加多样，能实现煤岩体多种应力波的加载，可以研究更多工况下的煤岩体应力特性；带有90°翻转功能的反力框架，方便较大尺寸的试件安装；结合含断层煤系岩层相似模型制备，以更好地模拟复杂应力条件下的含断层煤系岩层体力学特性。

附图说明

图1是二维组合应力诱导突出模拟试验装置的结构示意图。

图2是反力框架及试件箱的安装示意图。

图3是试件箱的结构示意图。

图4是图3的俯视图。

图5是图3的左视图。

图6是格栅网管的局部断面图。

图7是传感器转换接头的结构示意图。

图8是泄压装置的结构示意图。

图9是泄压装置的承压夹持器的结构示意图。

图10是金属骨架加固煤岩体相似模型示意图。

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：

结合图1—图6所示，一种二维组合应力诱导突出模拟试验装置，主要由反力框架A、试件箱B、单轨电动葫芦20、控制台21、液压站22组成。

反力框架A是由左立柱12、右立柱13、上横梁14、下横梁15围成的封闭固定框架结构。反力框架A的左右两侧各配备有一个支撑架16，最好是，两个支撑架16的下方焊接在同一底座19上，构成“U”型架，从而提高整体的强度，并方便安装。

反力框架A能在减速电机24的驱动下绕自身的安装轴线翻转90°，在试验前将反力框架A旋转90°至水平位置，进行装样，在试验开始时，再旋转到竖直位置，方便试验操作。减速电机24安装在反力框架A的右侧的支撑架16上，反力框架A的左右两侧分别通过轴承安装，实现灵活翻转。

上横梁14上安装有压头3向下的伺服液压油缸17，左立柱12上安装有压头3向右的伺服液压油缸17，右立柱13、下横梁15上分别安装有支撑块18，伺服液压油缸17和支撑块18共同将反力框架A内的试件箱B夹持住。

伺服液压油缸17主要由液压油缸17a和伺服控制机17b组成，伺服控制机17b最好安装在液压油缸17a的缸体的正上方。各个液压油缸17a分别通过长螺栓与加持板23固定在反力框架A上。在液压油缸17a的压头3上还安装有位移传感器和应力传感器(图中未示出)。通过伺服液压油缸17控制压头3，能传递静载、动荷载、动静组合加载三种加载形式。伺服控制机17b通过数据线与控制台21连接，实现对加载方式、大小、时间的精确控制.

最好是，上横梁14上安装有三个伺服液压油缸17，左立柱12上安装有一个伺服液压油缸17，其中两个伺服液压油缸17用于静载荷加载，两个伺服液压油缸17用于动荷载荷加载，且每一个伺服控制机17b均能与任一液压油缸17a匹配。

每个压头3配备有一个穿过试件箱B的活塞4，用于与试件箱B内的压板5相连。对于同一试件箱来说，压头3的尺寸最好一致，便于选型。上横梁14对应的三个压板5左右依次安装并紧密接触,保证竖直方向加压均匀。当试件箱的尺寸一定时，压头3的尺寸选取确定后，两个方向上的压头数量就确定了；但是可以根据所需压力的大小，另行选择压头数量。

在试件箱B内安装有压力传感器、温度传感器、孔隙压力传感器用于测定突出过程中的煤岩应力、煤样的温度以及瓦斯压力的传播规律及衰减特征。控制台21通过计算机控制伺服控制机17b实现多种应力波的加载及调控，并收集记录试验过程中试件箱A内部安装的传感器的数据。

液压油缸与液压站连接，液压站22为反力框架A上的液压油缸17a提供动力。由于煤样的重量达几吨重，而且其他部件的重量也较大，为了安装的方便，单轨电动葫芦20安装在反力框架A的上方进行试件箱的起吊与安装工作或用于吊装其它重物。高速摄像机安装在突出口前端，用于记录煤与瓦斯突出的动态过程，实现突出全过程的可视化，并配合声发射装置用于研究煤与瓦斯突出过程中的声发射现象发展规律。

在反力框架A的前、后两侧装有侧挡板(图中未示出)，以保证试验过程中的反力框架A整体稳定性，同时限制试件箱B沿二维应力作用面法向的变形。

试件箱B由箱体1和箱盖2组成。箱体1底部下方内置气体充填管路7，并通过铺设在箱体1底部的泡沫金属层6向箱体1内均匀充气。箱体1的侧壁上还开设有突出口1a和传感器接线孔1b，突出口1a外安装有泄压装置8，传感器接线孔1b内安装有传感器转换接头9。最好是，泄压装置8设置在箱体1的右侧壁上，传感器转换接头9设置在箱体1的前、后、右的任一侧壁上，从而与左侧壁上的液压油缸17a错开。

箱体1内的左上角设置有预留空间1c，以确保所有压板5顺利移动。试件的左上角位置处铺设有垫块10，当箱体1内装有试件时，竖直压板5的上端，最左侧的水平压板5的左端共同压在垫块10上，能防止压板5运动时将试件上的碎屑压入预留空间1c。

箱体1的侧壁、箱盖2的顶部分别设置有吊环11，箱盖2上还开设有排气孔2a，且气体充填管路7的入口、排气孔2a分别通过堵头密封。在试验完成后，打开排气孔2a排气后才能进行拆卸，以确保操作的安全性。

气体充填管路7由开设在箱体1内的“L”形孔7a和安装在泡沫金属层6下方并与“L”形孔7a相通的纵横交错的格栅网管7b组成，且格栅网管7b的顶部开有缺口7c。

箱体1和箱盖2通过螺栓连接，接口处有密封圈。箱体1和箱盖2围成的密封腔体用于铺设煤与瓦斯突出模拟试验的试件，如煤粉或相似材料。优选为，试件箱长100cm×宽40cm×高40cm。

结合图1、图2、图7所示，为获得多种应力条件下的煤与瓦斯突出过程中的相关数据，试件箱B内部埋设的各种传感器，通过箱体1的侧壁上的传感器接线孔1b与试件箱外的控制台21连接。为保证试验过程中的试件箱内部气体压力恒定，传感器接线孔1b最好传感器转换接头9进行封堵，在封堵保证气体压力的同时，引出传感器线，将传感器与控制台21连接。传感器转换接头9由“T”形圆台主体9-1、垫片9-2、密封圈9-3、导线9-4与绝缘引线管9-5组成。

“T”形圆台主体9-1与试件箱侧壁上开设的“T”形的传感器接线孔1b匹配，“T”形圆台主体9-1能由内向外插入“T”形的传感器接线孔1b内。“T”形圆台主体9-1包括小圆台和大圆台，小圆台上套装有垫片9-2和密封圈9-3。安装后，垫片9-2和密封圈9-3被“T”形圆台主体9-1的台阶面压紧在“T”形传感器接线孔1b内。

“T”形圆台主体9-1的中部开设有至少两个贯通的管孔。管孔最好为四个，但不限于四个，根据需要设置，所有管孔环绕“T”形圆台主体9-1的中心呈圆周均布。

每个管孔内插装有一根绝缘引线管9-5，绝缘引线管9-5与管孔采用粘胶固定且绝缘引线管9-5的两端均延伸到管孔外。每根绝缘引线管9-5内插装有一根导线9-4，导线9-4与绝缘引线管9-5采用粘胶固定且导线9-4的两端均延伸到绝缘引线管9-5外。导线9-4最好采用铜线。

导线9-4的内侧端用于与试件箱内的传感器的连接线相连，导线9-4的外侧端用于与试件箱外的控制台21相连。最好是，导线9-4的内侧端与试件箱内的传感器的连接线采用焊接相连。

通过“T”形圆台主体，垫片、密封圈共同对试件箱上的传感器接线孔进行有效密封，保证试件箱整体的气密性，安装方便，连接稳定；由于试件箱的传感器接线孔也为台阶状，在试验过程中，当试件箱内部压力大于外界气压时，内部压力对传感器转换接头施加一个向外的作用力，密封圈将进一步密实试件箱体，“T”形圆台主体与试件箱的传感器接线孔的贴合面增加，使整体承压能力提升，密封性增强，提升试件箱的保压性能。

结合图1、图2、图8、图9所示，泄压装置8由左支座8-1、右支座8-2、承压夹持器8-3、螺栓螺母组件8-4、密封圈8-5、第一爆破片8-6、第二爆破片8-7、压力传感器8-8组成。承压夹持器8-3位于左支座8-1与右支座8-2之间，并通过呈圆周均布的螺栓螺母组件8-4锁紧安装在试件箱的突出口1a外。承压夹持器8-3采用左中右三段式组装结构，左支座8-1、右支座8-2以及承压夹持器8-3的每段中部均开有正对突出口1a的气流过孔。承压夹持器8-3的左段与中段之间夹持安装有第一爆破片8-6，承压夹持器8-3的中段与右段之间夹持安装有第二爆破片8-7，第一爆破片8-6、第二爆破片8-7的内侧分别安装有一个压力传感器8-8，承压夹持器8-3的中段侧壁上开有充气孔8-3a，试件箱内的气流能经突出口1a进入左支座8-1、承压夹持器8-3的左段、第一爆破片8-6围成的密闭空间，充气孔8-3a的气体能进入承压夹持器8-3的中段、承压夹持器8-3的右段、第一爆破片8-6、第二爆破片8-7围成的密闭空间。

承压夹持器8-3还包括至少两块固定片8-3b，每块固定片8-3b的左右两端分别通过锁紧螺钉8-3c固定在承压夹持器8-3的左段和右段的外壁上，实现左中右三段的快速组装。左支座8-1与承压夹持器8-3的左段之间安装有密封圈8-5。

泄压装置为可控快速泄压装置，试验过程中，在试件箱加压的同时增压泵通过充气孔向承压夹持器内加压，压力保持低于试件箱压力，并低于第一、第二爆破片的爆破压力，与试件箱连接一端的第一爆破片所受的压力有一部分被承压夹持器内压力平衡，第一爆破片不会破坏；与空气接触端的第二爆破片因压力低于爆破压力也不会爆破；承压夹持器内的压力由压力传感器进行精确测量并显示；当压力传感器监测到压力达到预定值，准备进行煤与瓦斯突出试验时，由增压泵继续通过充气孔对承压夹持器加压，直至与空气接触端的第二爆破片首先爆破，随后由于试件箱内气压与承压夹持器内气压失衡，导致煤与瓦斯突出模拟过程。

其工作原理是：当承压夹持器内的压力大于爆破压力时，与试件箱连接一端的第一爆破片所受的压力还达不到爆破压力，第一爆破片不会破坏；与空气接触端的第二爆破片首先破坏，承压夹持器内的压力瞬时释放，此时试件箱连接一端的第一爆破片没有了平衡压力，试件箱内压力远远大于爆破压力，第一爆破片瞬时爆破，从而实现爆破时间的人为控制。

该泄压装置能实现突出口的快速自动泄压，避免了突出口打开过慢对突出能量的影响，更真实地模拟煤与瓦斯突出过程；爆破时间人为控制，不受试件箱内压力影响，可进行不同压力下的突出试验，能够对突出压力进行控制。

一种动静荷载作用下金属骨架加固煤与瓦斯突出模拟试验方法，包括以下步骤：

(1)试验相似材料的制备。

(a)确定研究对象的煤层、顶板、底板划分情况，进行各煤、岩层的物理力学性质测量；进一步根据试验方案确定相似模型实验的相似比；

(b)选择河沙、水泥及石膏作为相似模型材料，按照几何相似比、应力相似比、质量相似比计算出各层相似材料所需质量；将河沙、水泥及石膏按一定比例混合均匀，加入适量水进一步搅拌均匀后制成各煤、岩层的相似模型材料；

(c)将铝丝或其他金属丝切割成段，用于模拟向煤层打孔后放入的金属骨架；

(2)金属骨架加固煤与瓦斯的相似模型制备，在相似模型中埋设应力传感器、温度传感器、声发射传感器，并与数据采集系统连接。

(a)将制备的底板相似模型材料按研究对象的岩层划分情况放入试件箱中，并压实；

(b)将制备的煤层相似材料按研究对象的煤层划分情况放入试件箱中并压实，同时在铺设煤层相似材料的过程中，将金属丝横置在煤层相似材料中；

(c)将制备的顶板相似材料按研究对象的煤层划分情况放入试件箱中，并压实。

金属骨架加固煤岩体相似模型，如图10所示，包括顶板、底板相似材料25、煤层26、金属丝27。

(3)试件箱的安装。

将伺服液压油缸收回，将反力框架翻转90°，使之呈水平布置，以方便后续将试件箱放入反力框架的预定位置；反力框架水平布置后，拆除反力框架的上横梁；将试件箱翻转90°，与安装在反力框架上的液压油缸位置对应；通过单轨电动葫芦吊装试件箱，将其安放在反力框架内的预定位置；安装好拆除的上横梁，将反力框架反方向翻转90°，使反力框架与试件箱一同恢复原位。

(4)将压头与试件箱接触，检查传感器连线是否正常，准备进行试验。

(5)进行二维动静组合加载相似模拟试验并采集数据。

所述步骤(5)中先进行静载加载，再进行动荷载加载及数据采集，以上下方向为Z向，左右方向为X向，前后方向为Y向。

静载加载：

(a)同时加载Z向和X向至a千牛，a为自然数；

(b)保持载荷t分钟，t为自然数；

(c)同时加载Z向竖直压力和X向水平压力至2a千牛；

(d)重复步骤(a)～(c)直到双向加载压力达到预定值，步骤(a)～(d)中，加载速率恒定。

动荷载加载及数据采集：

(a)X向施加水平动荷载，包括设置动荷载振幅；设置动荷载频率；设置动荷载循环次数；开始施加动荷载并观测记录数据；

(b)Z向施加垂直动荷载，包括设置动荷载振幅；设置动荷载频率；设置动荷载循环次数；开始施加动荷载并观测记录数据；

(c)X向施加水平动荷载，Z向施加垂直动荷载，包括设置动荷载振幅；设置动荷载频率；设置动荷载循环次数；开始施加动荷载并观测记录数据。

在(a)～(c)中，动荷载数据采集系统采集压头处的应力、位移数据，预先埋设在试件箱中的应力传感器、温度传感器采集煤岩体内部的应力数据，利用高速摄像机拍摄突出过程，并结合声发射装置研究煤与瓦斯突出过程中的声发射现象发展规律。

静载加载之后，先进行脱气、充气后，再进行动荷载加载及数据采集。

脱气：保持液压油缸压力稳定在预定的压力程度，检查试件箱气密性，用真空泵进行脱气，脱气时间根据成型煤样强度而定，但至少脱气24h，以保证良好的脱气效果；

充气：脱气后，维持液压油缸轴向压力不变，将高压高纯甲烷钢瓶或二氧化碳钢瓶与试件箱的气体充填管路连接妥当，并保证绝对的气密性，再进行充气，充气时间36h～48h，使相似材料瓦斯充分吸附平衡。

静载加载的最大载荷为5～500kN，动荷载频率范围为0.01Hz～10Hz。

Claims (4)

1.一种动静荷载作用下金属骨架加固煤与瓦斯突出模拟试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)试验相似材料的制备；

(a)确定研究对象的煤层、顶板、底板划分情况，进行各煤、岩层的物理力学性质测量；进一步根据试验方案确定相似模型实验的相似比；

(b)选择河沙、水泥及石膏作为相似模型材料，按照几何相似比、应力相似比、质量相似比计算出各层相似材料所需质量；将河沙、水泥及石膏按一定比例混合均匀，加入适量水进一步搅拌均匀后制成各煤、岩层的相似模型材料；

(c)将铝丝或其他金属丝切割成段，用于模拟向煤层打孔后放入的金属骨架；

(2)金属骨架加固煤与瓦斯的相似模型制备，在相似模型中埋设应力传感器、温度传感器、声发射传感器，并与数据采集系统连接；

(a)将制备的底板相似模型材料按研究对象的岩层划分情况放入试件箱中，并压实；

(b)将制备的煤层相似材料按研究对象的煤层划分情况放入试件箱中并压实，同时在铺设煤层相似材料的过程中，将金属丝横置在煤层相似材料中；

(c)将制备的顶板相似材料按研究对象的煤层划分情况放入试件箱中，并压实；

(3)试件箱的安装；

将伺服液压油缸收回，将反力框架翻转90°，使之呈水平布置，以方便后续将试件箱放入反力框架的预定位置；反力框架水平布置后，拆除反力框架的上横梁；将试件箱翻转90°，与安装在反力框架上的液压油缸位置对应；通过单轨电动葫芦吊装试件箱，将其安放在反力框架内的预定位置；安装好拆除的上横梁，将反力框架反方向翻转90°，使反力框架与试件箱一同恢复原位；

(4)将压头与试件箱接触，检查传感器连线是否正常，准备进行试验；

(5)进行二维动静组合加载相似模拟试验并采集数据；

其中，所述反力框架是由左立柱、右立柱、上横梁、下横梁围成的封闭固定框架结构，反力框架的左右两侧各配备有一个支撑架，反力框架能在减速电机的驱动下绕自身的安装轴线翻转90°，上横梁上安装有压头向下的伺服液压油缸，左立柱上安装有压头向右的伺服液压油缸，右立柱、下横梁上分别安装有支撑块，伺服液压油缸和支撑块共同将反力框架内的试件箱夹持住；每个压头配备有一个穿过试件箱的活塞，用于与试件箱内的压板相连；

所述试件箱包括箱体和箱盖，箱体底部下方内置气体充填管路，并通过铺设在箱体底部的泡沫金属层向箱体内均匀充气，所述箱体的侧壁上还开设有突出口和传感器接线孔，所述突出口外安装有泄压装置，所述传感器接线孔内安装有传感器转换接头。

2.按照权利要求1所述的动静荷载作用下金属骨架加固煤与瓦斯突出模拟试验方法，其特征在于，所述步骤(5)中先进行静载加载，再进行动荷载加载及数据采集，以上下方向为Z向，左右方向为X向，前后方向为Y向；

静载加载：

(a)同时加载Z向和X向至a千牛，a为自然数；

(b)保持载荷t分钟，t为自然数；

(c)同时加载Z向竖直压力和X向水平压力至2a千牛；

(d)重复步骤(a)～(c)直到双向加载压力达到预定值，步骤(a)～(d)中，加载速率恒定；

动荷载加载及数据采集：

(a)X向施加水平动荷载，包括设置动荷载振幅；设置动荷载频率；设置动荷载循环次数；开始施加动荷载并观测记录数据；

(b)Z向施加垂直动荷载，包括设置动荷载振幅；设置动荷载频率；设置动荷载循环次数；开始施加动荷载并观测记录数据；

(c)X向施加水平动荷载，Z向施加垂直动荷载，包括设置动荷载振幅；设置动荷载频率；设置动荷载循环次数；开始施加动荷载并观测记录数据；

在(a)～(c)中，动荷载数据采集系统采集压头处的应力、位移数据，预先埋设在试件箱中的应力传感器、温度传感器采集煤岩体内部的应力数据，利用高速摄像机拍摄突出过程，并结合声发射装置研究煤与瓦斯突出过程中的声发射现象发展规律。

3.按照权利要求2所述的动静荷载作用下金属骨架加固煤与瓦斯突出模拟试验方法，其特征在于，所述静载加载之后，先进行脱气、充气后，再进行动荷载加载及数据采集；

脱气：保持液压油缸压力稳定在预定的压力程度，检查试件箱气密性，用真空泵进行脱气，脱气时间根据成型煤样强度而定，但至少脱气24h，以保证良好的脱气效果；

充气：脱气后，维持液压油缸轴向压力不变，将高压高纯甲烷钢瓶或二氧化碳钢瓶与试件箱的气体充填管路连接妥当，并保证绝对的气密性，再进行充气，充气时间36h～48h，使相似材料瓦斯充分吸附平衡。

4.按照权利要求2所述的动静荷载作用下金属骨架加固煤与瓦斯突出模拟试验方法，其特征在于，静载加载的最大载荷为5～500kN，动荷载频率范围为0.01Hz～10Hz。

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