CN110346216A - 一种模拟掘进扰动情况下煤岩体三轴加载试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟掘进扰动情况下煤岩体三轴加载试验装置及方法，属于煤岩体渗流损伤破坏特性研究的技术领域。本发明提供了一种能够更加真实模拟掘进扰动作用，煤岩体损伤破坏过程可视的三轴加载试验装置，同时该装置能够实现不同水压、不同加载方式以及不同扰动作用对煤岩体的破坏及渗流特性的影响的研究。该发明可实现掘进扰动作用下，煤岩体裂隙扩展的全过程监测，及煤岩体中应力变化，渗流压力变化的实时动态监测，进而定量化研究掘进扰动煤岩体渗流损伤破坏特性，对掘进工作面突水做出科学预判，减少掘进工作面突水灾害的发生。

Description

一种模拟掘进扰动情况下煤岩体三轴加载试验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种模拟掘进扰动情况下煤岩体三轴加载试验装置及方法，属于煤岩体受掘进扰动影响下渗流损伤破坏特性研究的技术领域。

背景技术

在煤矿重大事故中，突水已成为煤矿生产过程中最具威胁的灾害之一。而突水事故多发生在掘进工作面。目前针对井下突水灾害，主要通过超前布设探水钻孔进行积水疏排和注浆堵水措施，进行井下水害防治。现有防治措施多依据防治水规程制定，对突水机理研究不足，缺少相应的科学预警指标，遇到水文地质极其复杂的采区，防治水工作面临严峻的挑战。

现有研究手段中，把煤层巷道掘进、岩层断裂等的动力源扰动简化为应力波，具有一定的合理性，但与真实的扰动环境仍有较大区别。通过检索发现，目前还没有模拟研究掘进扰动下岩体裂隙扩展的试验装置。针对现有不足，有必要设计考虑掘进扰动载荷影响的三轴加载试验装置，深入研究掘进扰动条件下，围岩应力、强度、裂隙发育等特征，揭示掘进扰动影响下，在水压地压联合作用下的围岩裂隙发育，为治理掘进工作面突水灾害提供科学指导。

发明内容

本发明旨在提供一种模拟掘进扰动情况下煤岩体三轴加载试验装置及方法。本发明结构简单、操作方便，实现了掘进扰动影响下对煤岩体稳定性的研究；本发明还提供了掘进扰动作用下煤岩体稳定性的试验方法。

本发明提供了一种模拟掘进扰动情况下煤岩体三轴加载试验装置，包括试件加载腔体；试件加载腔体为长方体结构，在试件加载腔体的顶部设有轴向加载装置，在左侧和后侧分别设有侧向加载装置，在右侧设有侧向扰动装置；侧向加载装置和侧向扰动装置，通过两侧承载柱固定；

轴向加载装置包括轴向加压板、轴向加载推杆和轴向加载油缸；轴向加载油缸通过轴向加载活塞与轴向加载推杆连接，轴向加载推杆内设有折形进水管路，进水管路下端与轴向加压板进水孔紧密对接，轴向加压板为长方体板，内部设有空腔，该空腔上部与进水孔相连，下部与漏水孔相连；

侧向加载装置包括左侧加压板、左侧加载推杆和左侧加载油缸、后侧加压板、后侧推杆和后侧加载油缸；左侧加载油缸通过左侧加载活塞与左侧加载推杆连接，左侧加载推杆连接左侧加圧板，左侧加压板位于试件加载腔体的内部侧壁上；后侧加载油缸通过后侧加载活塞与后侧加载推杆连接，后侧加载推杆连接后侧加圧板，后侧加压板位于试件加载腔体的内部侧壁上；

试件加载腔体的上盖、左侧壁、后侧壁的中心位置均设有推杆孔；轴向加载油缸、左侧加载油缸、后侧加载油缸通过计算机系统进行电液伺服控制，实现加载端位移及压力的精准控制及相应的数据记录功能；

侧向扰动装置包括扰动钻杆和扰动加载电机，在试件加载腔体的右侧面中心位置设有腔体扰动钻头孔，扰动钻杆穿过右侧腔体扰动钻头孔与扰动加载电机相连，加载电机施加钻动和冲击两种扰动载荷，分别模拟实际煤层掘进中综掘机掘进巷道和爆破掘进两种掘巷方式对煤层产生的扰动；

所述轴向加载推杆内设有与腔体内部相通的进水口，腔体进水口与轴向加压板中心进水孔通过铜管相通；腔体底部中心处设有与腔体内部相通的出水口。

上述装置中，所述试件加载腔体的内部尺寸为：长300mm、宽100mm、高300mm，用于放置加载试块；试件加载腔体的前侧壁采用10mm厚的透明有机玻璃材料，能承受130MPa的压强，其余方向壁面采用10mm厚的钢板或金属板。

所述试件加载腔体的上盖可拆卸，通过螺栓将腔体上盖与腔体相连，腔体上盖与腔体连接处设置密封垫片，保证上盖与腔体的密封；腔体内的加压板通过推杆与加载油缸相连。

左侧加载油缸和后侧加载油缸横向垂直固定在承载柱上；承载柱包括四根立柱，相对的两对立柱之间分别设有横梁，加载油缸固定在横梁的中部。

腔体右侧壁中心处的腔体扰动钻头孔周围设置密封圈，防止液体从腔体扰动钻头孔与扰动钻杆的缝隙中溢出。

在试件加载腔体右侧壁距离腔体扰动钻头孔正下方10mm处设置数据线传输孔，以便将与试块相连的应变花导线穿出接入应力应变监测仪, 且数据线传输孔采用密封圈密封，防止水从侧壁数据线传输孔流出。

所述轴向加压板内部设有三层结构，上层中心设有进水孔，中间层为空腔，空腔下部连接漏水孔；在轴向加压板的下层均匀设有若干漏水孔。进一步地，漏水孔呈等间距平行排列。

腔体的进水口与出水口处均设置水压和流量传感器，传感器通过连接导线与电脑相连，实现水压、流量变化的实时记录。

本发明提供了上述模拟掘进扰动情况下煤岩体三轴加载装置的试验方法，包括以下步骤：

（1）根据矿区的岩层柱状图，对重点研究区域的巷道围岩钻孔取芯，并测定煤岩样抗压强度及渗透率，得到巷道围岩的组合情况、抗压强度、渗透率；

（2）依据步骤（1）得到的巷道围岩组合情况及抗压强度、渗透特性，通过正交试验设计不同组合的相似材料，得到能够反映不同岩性强度及渗透特性的相似材料配比方案，按煤层底板、煤层、煤层顶板的顺序分层铺设，形成和加载试验腔体大小相等的试块（300mm×100mm×300mm）；

（3）在铺设试块过程中，在煤层右侧预埋设一段30mm×10mm×10mm（长×宽×高）巷道模具，在巷道的周边位置顶板、底板、左侧、右侧及前方埋设应变花，应变花均与数据线相连，用于监测巷道掘进过程中的围岩应变变化；

（4）试块铺设完成，进行养护达到预设强度后，拆除巷道模具在试块中煤层的右侧留下30mm×10mm×10mm（长×宽×高）巷道空间，以便放置扰动加载模块中的掘进钻头；打开腔体上盖，将浇筑好的试块放入试件加载腔体内，应变花数据线通过腔体右侧数据线传输孔穿出，与应变监测系统相连；试块安装完成后，安装腔体上盖，并在数据线穿出孔处安装密封垫圈；

（5）通过现场实测数据并结合数值模拟分析得到原岩应力场的分布特征，根据应力分布设置轴向及侧向加载参数，模拟原岩应力场对试块进行加压并达到初始平衡状态；

（6）通过腔体上平面的进水口向加载试件注入一定压力的水溶液，模拟开掘煤层中上方积水的影响；

（7）将掘进钻头杆体末端装入扰动载荷加载电机，钻头前部穿过腔体右侧扰动施加孔与试块煤层巷道左侧面接触；设定试验中加载钻机的钻速及推力，开启扰动加载电机，通过电机驱动钻头对煤层施加扰动载荷，分别进行多组不同钻速及推力参数下扰动加载试验；

（8）同步于扰动载荷施加，开启架设在加载试验装置前方的高速摄像机，通过高速摄像机透过腔体前侧的可视窗口，对掘进过程中煤岩体的裂隙发育情况进行记录；

（9）在扰动载荷开始后，同步记录进水口及出水口的水压、水量的变化；

（10）综合分析掘进扰动加载过程中，压力机压力、位移变化，巷道围岩应力变化、裂隙扩展、进出水口水量、水压变化数据；通过试验手段揭示进扰动作用下，不同水压条件下的应力-应变、裂隙扩展数据，进而研究得到围岩应力场、裂隙场的时空演化规律。

本发明的有益效果：

（1）本发明提供的模拟掘进扰动情况下三轴加载试验装置，结构新颖，便于操作，可以模拟在不同水压条件下，掘进扰动对煤岩体稳定性的影响；

（2）从而通过物理试验手段，获取掘进扰动作用下，不同水压条件下的应力-应变、裂隙扩展数据，进而研究得到围岩应力场、裂隙场的时空演化规律，推导掘进扰动多物理场耦合作用围岩时空演化动力学公式，为掘进工作面针对性制定科学防治水措施提供了理论基础。

附图说明

图1是本发明模拟掘进扰动情况下三轴加载试验装置立体结构图；

图2是本发明模拟掘进扰动情况下三轴加载试验装置A-A剖面图；

图3是轴向加压板立体结构示意图；

图4为轴向加压板主视图；

图5为轴向加压板俯视图；

图6为加载试块示意图。

图中：1、轴向加载油缸， 2、轴向加载活塞， 3、轴向加载推杆， 4、轴向加载推杆进水管路，5、轴向加压板，5a、轴向加压板进水孔， 5b、轴向加压板中部空腔， 5c、轴向加压板漏水孔， 6、紧固螺栓，7、试件加载腔体， 8、左侧加载油缸，9、左侧加载活塞， 10、左侧加载推杆，11、左侧加压板， 12、扰动钻杆， 13、扰动加载电机， 14、腔体扰动钻头孔， 15、腔体数据线传输孔， 16、加载腔体底座， 17、出水口， 18、承载柱。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例1：

如图1~6所示，一种模拟掘进扰动情况下煤岩体三轴加载试验装置，包括试件加载腔体；试件加载腔体为长方体结构，在试件加载腔体的顶部设有轴向加载装置，在左侧和后侧分别设有侧向加载装置，在右侧设有侧向扰动装置；侧向加载装置和侧向扰动装置，通过两侧承载柱固定；

轴向加载装置包括轴向加压板5、轴向加载推杆3和轴向加载油缸1；轴向加载油缸1通过轴向加载活塞2与轴向加载推杆3连接，轴向加载推杆3内设有折形进水管路4，进水管路4下端与轴向加压板5进水孔紧密对接，轴向加压板5为长方体板，内部设有空腔5b，该空腔上部与进水孔5a相连，下部与漏水孔5c相连；

侧向加载装置包括左侧加压板11、左侧加载推杆10和左侧加载油缸8、后侧加压板、后侧推杆和后侧加载油缸（后侧图中未示出）；左侧加载油缸8通过左侧加载活塞9与左侧加载推杆10连接，左侧加载推杆10连接左侧加圧板11，左侧加压板11位于试件加载腔体的内部侧壁上；后侧加载油缸通过后侧加载活塞与后侧加载推杆连接，后侧加载推杆连接后侧加圧板，后侧加压板位于试件加载腔体的内部侧壁上；

试件加载腔体7的上盖、左侧壁、后侧壁的中心位置均设有推杆孔；轴向加载油缸1、左侧加载油缸8、后侧加载油缸通过计算机系统进行电液伺服控制，实现加载端位移及压力的精准控制及相应的数据记录功能；

侧向扰动装置包括扰动钻杆12和扰动加载电机13，在试件加载腔体7的右侧面中心位置设有腔体扰动钻头孔14，扰动钻杆12穿过右侧腔体扰动钻头孔14与扰动加载电机13相连，加载电机施加钻动和冲击两种扰动载荷，分别模拟实际煤层掘进中综掘机掘进巷道和爆破掘进两种掘巷方式对煤层产生的扰动；

所述轴向加载推杆3内设有与腔体内部相通的进水口，腔体进水口与轴向加压板5中心进水孔通过铜管相通；腔体底部中心处设有与腔体内部相通的出水口。

上述装置中，所述试件加载腔体7的内部尺寸为：长300mm、宽100mm、高300mm，用于放置加载试块；试件加载腔体的前侧壁采用10mm厚的透明有机玻璃材料，能承受130MPa的压强，其余方向壁面采用10mm厚的钢板或金属板。

所述试件加载腔体7的上盖可拆卸，通过紧固螺栓6将腔体上盖与腔体相连，腔体上盖与腔体连接处设置密封垫片，保证上盖与腔体的密封；腔体内的加压板通过推杆与加载油缸相连。

左侧加载油缸和后侧加载油缸横向垂直固定在承载柱18上；承载柱包括四根立柱，相对的两对立柱之间分别设有横梁，加载油缸固定在横梁的中部。

腔体右侧壁中心处的腔体扰动钻头孔周围设置密封圈，防止液体从腔体扰动钻头孔与扰动钻杆的缝隙中溢出。

在试件加载腔体右侧壁距离腔体扰动钻头孔正下方10mm处设置腔体数据线传输孔15，以便将与试块相连的应变花导线穿出接入应力应变监测仪, 且数据线传输孔采用密封圈密封，防止水从侧壁数据线传输孔流出。

所述轴向加压板5内部设有三层结构，上层中心设有进水孔5a，中间层为空腔5b，空腔下部连接漏水孔5c；在轴向加压板5的下层均匀设有若干漏水孔5c。进一步地，漏水孔呈等间距平行排列。

腔体的进水口与出水口处均设置水压和流量传感器，传感器通过连接导线与电脑相连，实现水压、流量变化的实时记录。

如图1所示：试件加载腔体6为立方体，规格尺寸为300mm×100mm×300mm,前侧板体为10mm厚的高强度透明有机玻璃材料，便于观测试件加载过程中的变形破坏特征。其余腔体板材选用高刚度金属板，以保证在试件受压过程中，加载力能够均匀的传递到加载试块上。

腔体左侧、右侧、后侧及底座的金属板采用无缝焊接，前侧有机玻璃板通过螺母与其余腔体侧壁紧密连接，并在有机玻璃板与腔体侧壁贴合处设置密封垫圈，保证腔体良好的密封性能。

依据开掘煤层具体的围岩组合情况及力学、渗透性能，结合相似材料试验得到的配比方案，按照煤层底板、煤层、煤层顶板的顺序铺设试验试块，几何相似比为1:50，且煤层位于试块的中间层位，铺设过程中，埋设一段30mm×10mm×10mm（长×宽×高）巷道模具，在距离巷道模具周围1mm的顶板、底板、左侧、右侧、前方位置预埋应变花。应变花的埋设方式如图5所示。所有的应变花及导线表面均采用聚氨酯均匀涂抹，进行防水处理。

制备好相似材料试块后，进行养护达到预设强度。打开加载腔体上盖，将试块放入加载腔体内，并将与应变花相连的数据线通过腔体右侧数据线传输孔15穿出，所有数据线接入应变监测系统。

闭合加载腔体上盖，拧紧上盖螺母，保证腔体的良好密封。通过电液伺服系统控制轴向加载油缸1、侧向加载油缸8，模拟真实的围岩应力环境对腔体内试块进行加压。同时模拟煤系地层中水压的作用，通过进水口4向腔体通入0.2mpa的水溶液。

通过扰动加载电机13驱动扰动钻杆12，从腔体右侧的扰动钻头孔14钻入，根据现场综掘机掘进对试块中的煤层进行旋转掘进，模拟掘进机开挖对煤层的扰动影响。

通过高速摄像机透过加载腔体7前侧的透明有机玻璃，对掘进扰动作用影响下的煤岩体试件的裂隙发育情况进行实时记录，同时对加载油缸的压力及位移信息通过微机系统进行全过程记录。

对高速摄像机采集到的裂隙产生、扩展及贯通、围岩移动变形直至失稳破断形成突水通道的全过程图片信息进行数值化处理，并对应试件加载过程中液压油缸的压力及位移信息、应变监测系统数据、及水质变化情况进行综合分析。得到在掘进扰动作用下的不同水质、水压情况围岩破坏定量变化过程，从而揭示掘进扰动作用下煤岩体的破坏失稳规律。

Claims (9)

1.一种模拟掘进扰动情况下煤岩体三轴加载试验装置，其特征在于：包括试件加载腔体；试件加载腔体为长方体结构，在试件加载腔体的顶部设有轴向加载装置，在左侧和后侧分别设有侧向加载装置，在右侧设有侧向扰动装置；侧向加载装置、侧向扰动装置分别通过各自两侧的承载立柱固定；

轴向加载装置包括轴向加压板、轴向加载推杆和轴向加载油缸；轴向加载油缸通过轴向加载活塞与轴向加载推杆连接，轴向加载推杆内设有折形进水管路，进水管路下端与轴向加压板进水孔紧密对接，轴向加压板为长方体板，内部设有空腔，该空腔上部与进水孔相连，下部与漏水孔相连；

侧向加载装置包括左侧加压板、左侧加载推杆和左侧加载油缸、后侧加压板、后侧推杆和后侧加载油缸；左侧加载油缸通过左侧加载活塞与左侧加载推杆连接，左侧加载推杆连接左侧加压板，左侧加压板位于试件加载腔体的内部侧壁上；后侧加载油缸通过后侧加载活塞与后侧加载推杆连接，后侧加载推杆连接后侧加圧板，后侧加压板位于试件加载腔体的内部侧壁上；

试件加载腔体的上盖、左侧壁、后侧壁的中心位置均设有推杆孔；轴向加载油缸、左侧加载油缸、后侧加载油缸通过计算机系统进行电液伺服控制，实现加载端位移及压力的精准控制及相应的数据记录功能；

侧向扰动装置包括扰动钻杆和扰动加载电机，在试件加载腔体的右侧面中心位置设有腔体扰动钻头孔，扰动钻杆穿过右侧腔体扰动钻头孔与扰动加载电机相连，加载电机施加钻动和冲击两种扰动载荷，分别模拟实际煤层掘进中综掘机掘进巷道和爆破掘进两种掘巷方式对煤层产生的扰动；

所述轴向加载推杆内设有与轴向加压板进水孔相通的进水管路，腔体进水口与轴向加压板中心进水孔通过铜管相通；腔体底部中心处设有与腔体内部相通的出水口。

2.根据权利要求1所述的模拟掘进扰动情况下煤岩体三轴加载试验装置，其特征在于：所述试件加载腔体的内部尺寸为：长300mm、宽100mm、高300mm，用于放置加载试块；试件加载腔体的前侧壁采用10mm厚的透明有机玻璃材料，能承受130MPa的压强，其余方向壁面采用钢板。

3.根据权利要求1所述的模拟掘进扰动情况下煤岩体三轴加载试验装置，其特征在于：所述试件加载腔体的上盖可拆卸，通过螺栓将腔体上盖与腔体相连，腔体上盖与腔体连接处设置密封垫片，保证上盖与腔体的密封。

4.根据权利要求1所述的模拟掘进扰动情况下煤岩体三轴加载试验装置，其特征在于：左侧加载油缸、后侧加载油缸横向垂直固定在承载柱上；承载柱包括四根立柱，相对的两对立柱之间分别设有横梁，加载油缸固定在横梁的中部。

5.根据权利要求1所述的模拟掘进扰动情况下煤岩体三轴加载试验装置，其特征在于：腔体右侧壁中心处的腔体扰动钻头孔周围设置密封圈。

6.根据权利要求1所述的模拟掘进扰动情况下煤岩体三轴加载试验装置，其特征在于：在试件加载腔体右侧壁距离腔体扰动钻头孔正下方10mm处设置数据线传输孔，以便将与试块相连的应变花导线穿出接入应力应变监测器, 且数据线传输孔采用密封圈密封。

7.根据权利要求1所述的模拟掘进扰动情况下煤岩体三轴加载试验装置，其特征在于：所述轴向加压板内部设有三层结构，上层中心设有进水孔，中间层为空腔，空腔下部连接漏水孔；在轴向加压板的下层均匀设有若干漏水孔。

8.根据权利要求1所述的模拟掘进扰动情况下煤岩体三轴加载试验装置，其特征在于：腔体的进水口与出水口处均设置水压和流量传感器，传感器通过连接导线与电脑相连，实现水压、流量变化的实时记录。

9.一种模拟掘进扰动情况下煤岩体三轴加载的试验方法，采用权利要求1~8任一项所述的模拟掘进扰动情况下煤岩体三轴加载试验装置，其特征在于：包括以下步骤：

（1）调研矿区的岩层柱状图，对重点研究区域的巷道围岩钻孔取芯，并测定煤岩样抗压强度及渗透率，得到巷道围岩的组合情况、抗压强度、渗透率；

（2）依据步骤（1）得到的巷道围岩组合情况及抗压强度、渗透特性，通过正交试验设计不同组合的相似材料，得到能够反映不同岩性强度及渗透特性的相似材料配比方案，按煤层底板、煤层、煤层顶板的顺序分层铺设，形成和加载试验腔体大小相等的试块（300mm×100mm×300mm）；

（3）在铺设试块过程中，在煤层右侧预埋设一段30mm×10mm×10mm（长×宽×高）巷道模具，在巷道的周边位置顶板、底板、左侧、右侧及前方埋设应变花，应变花均与数据线相连，用于监测巷道掘进过程中的围岩应变变化；

（4）试块铺设完成，进行养护达到预设强度后，拆除巷道模具在试块中煤层的右侧留下30mm×10mm×10mm（长×宽×高）巷道空间，以便放置扰动加载模块中的掘进钻头；打开腔体上盖，将浇筑好的试块放入试件加载腔体内，应变花数据线通过腔体右侧数据线传输孔穿出，与应变监测系统相连；试块安装完成后，安装腔体上盖，并在数据线穿出孔处安装密封垫圈；

（5）通过现场实测数据并结合数值模拟分析得到原岩应力场的分布特征，根据应力分布设置轴向及侧向加载参数，模拟原岩应力场对试块进行加压并达到初始平衡状态；

（6）通过腔体上平面的进水口向加载试件注入一定压力的水溶液，模拟开掘煤层中上方积水的影响；

（7）将掘进钻头杆体末端装入扰动载荷加载电机，钻头前部穿过腔体右侧扰动施加孔与试块煤层巷道左侧面接触；设定试验中加载钻机的钻速及推力，开启扰动加载电机，通过电机驱动钻头对煤层施加扰动载荷，分别进行多组不同钻速及推力参数下扰动加载试验；

（8）同步于扰动载荷施加，开启架设在加载试验装置前方的高速摄像机，通过高速摄像机透过腔体前侧的可视窗口，对掘进过程中煤岩体的裂隙发育情况进行记录；

（9）在扰动载荷开始后，同步记录进水口及出水口的水压、水量的变化；

（10）综合分析掘进扰动加载过程中，压力机压力、位移变化，巷道围岩应力变化、裂隙扩展、进出水口水量、水压变化数据；通过试验手段揭示进扰动作用下，不同水压条件下的应力-应变、裂隙扩展数据，进而研究得到围岩应力场、裂隙场的时空演化规律。