CN111208272A - 一种深井突出模拟实验方法及刚度调控装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种深井突出模拟实验方法及刚度调控装置，属于煤与瓦斯突出模拟实验技术领域，确定突出模拟实验理论加载系统的刚度，然后根据理论加载系统的刚度和实际加载系统的刚度设计刚度调控装置；通过刚度调控装置调控实际加载系统的刚度使其与理论加载系统的刚度一致；通过刚度调控装置调控实际加载系统加载在煤体上的力的分布与深井煤层顶板的采动应力分布一致。本申请通过设置刚度调控装置使模拟试验加载边界与实际工程边界一致，提高了实验结果的准确性。
Description
技术领域
本发明属于煤与瓦斯突出模拟实验技术领域，涉及一种深井突出模拟实验方法及刚度调控装置。
背景技术
实验室物理模拟实验是研究煤岩瓦斯动力灾害发生机理的重要研究方法。各国学者通过研制具有不同特点的煤与瓦斯突出模拟试验装置开展了一系列的突出模拟试验研究，获得了应力、瓦斯压力、吸附性等对突出灾害及其强度的影响。近年来，为了进一步对突出机理开展研究，获得量化的研究成果，大尺寸的三维相似模拟试验装置得到发展。
现有相似模拟试验装置为开展突出模拟实验研究提供支撑，但未针对深井环境特点对系统指标进行分析，尤其是未考虑模型试验加载装置的刚度对试验结果的影响，这将导致模型试验加载边界与实际工程边界存在差异，从而导致结果的不确定性。
发明内容
有鉴于此，本申请的目的在于提供一种深井突出模拟实验方法及刚度调控装置，通过设置刚度调控装置使模拟试验加载边界与实际工程边界一致，提高了实验结果的准确性。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种深井突出模拟实验方法，确定突出模拟实验理论加载系统的刚度，然后根据理论加载系统的刚度和实际加载系统的刚度设计刚度调控装置；所述刚度调控装置用于调控实际加载系统的刚度使其与理论加载系统的刚度一致。
可选地，理论加载系统的刚度确定包括以下步骤：
A.确定理论加载系统与煤层的弹性比β：通过测定深井顶底板的弹性能P1和煤层的弹性能P2，确定β＝P1/P2；
B.确定理论加载系统的刚度km：根据
确定理论加载系统的刚度km；
其中，Um＝Uc·β；
E为煤体弹性模量，单位为MPa；
σx、σy为水平应力，σz为垂直应力；
μ为煤体泊松比；
VS煤体体积。
可选地，根据深井煤与瓦斯突出事故现场参与突出做功的顶底板弹性能和煤层弹性能确定β。
可选地，β的范围为17％～42％。
可选地，所述刚度调控装置设置在实际加载系统的压板和煤体之间。
可选地，所述刚度调控装置使实际加载系统加载在煤体上的力的分布与深井煤层顶板的采动应力分布一致。
本发明还提供了一种加载系统的刚度调控装置，设置在加载系统的压板和煤体之间，包括支架和若干设置在支架上的缓冲组件，所述缓冲组件在支架上的分布与深井煤层顶板的采动应力分布相匹配。
可选地，所述缓冲组件固定在支架的一侧，所述缓冲组件与煤体接触。
可选地，所述缓冲组件包括连接器和弹性件，所述连接器的一端固定在支架上，另一端与弹性件连接。
可选地，所述弹性件为碟簧组。
本发明的有益效果在于：
1.本发明通过设置刚度调控装置调控实际加载系统的刚度，使实际加载系统的刚度与理论加载系统的刚度一致，提高了模拟试验加载边界与实际工程边界的一致性，进而提高了实验结果的准确性。
2.本发明中的刚度调控装置的缓冲组件在支架上的分布与深井煤层顶板的采动应力分布相匹配，使得加载系统能够更为真实地模拟深井煤层的应力，提高了试验结果的可靠性。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为加载系统刚度调控装置的安装示意图；
图2为加载系统刚度调控装置的结构示意图一；
图3为加载系统刚度调控装置的结构示意图二。
附图标记：加载系统的压头1、加载系统的压板2、刚度调控装置3、煤体4、支架301、连接器302、弹性件303。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图1～图3，一种深井突出模拟实验方法，确定突出模拟实验理论加载系统的刚度，然后根据理论加载系统的刚度和实际加载系统的刚度设计刚度调控装置3；刚度调控装置3用于调控实际加载系统的刚度使其与理论加载系统的刚度一致。
进一步，理论加载系统的刚度确定包括以下步骤：
A.确定理论加载系统与煤层的弹性比β：通过测定深井顶底板的弹性能P1和煤层的弹性能P2，确定β＝P1/P2；
B.确定理论加载系统的刚度km：根据
确定理论加载系统的刚度km；
其中，Um＝Uc·β；
E为煤体弹性模量，单位为MPa；
σx、σy为水平应力，σz为垂直应力；
μ为煤体泊松比；
VS煤体体积。
进一步，根据深井煤与瓦斯突出事故现场参与突出做功的顶底板弹性能和煤层弹性能确定β。
进一步，β的范围为17％～42％。
进一步，刚度调控装置3设置在实际加载系统的压板2和煤体4之间。
进一步，刚度调控装置3使加载在煤体4上的力的分布与深井煤层顶板的采动应力分布一致。
本发明还提供了一种加载系统的刚度调控装置，设置在加载系统的压板2和煤体4之间，包括支架301和若干设置在支架301上的缓冲组件，缓冲组件在支架301上的分布与深井煤层顶板的采动应力分布相匹配。
进一步，缓冲组件固定在支架301的一侧，缓冲组件与煤体4接触。
进一步，缓冲组件包括连接器302和弹性件303，连接器302的一端固定在支架301上，另一端与弹性件303连接。
进一步，弹性件303为碟簧组。
本发明提供了一种深井突出模拟实验力学方法及加载系统刚度调控装置。该方法通过突出模拟原型案例中参与突出做功的顶底板弹性能与煤层弹性能之比，计算获得模拟实验力学加载系统的理论弹性能，进而得到其总体设计的理论刚度，利用刚度调控装置调节加载系统的实际刚度，再进行煤与瓦斯突出模拟实验，以保障实验的真实性及有效性。
深井突出模拟实验力学方法的具体步骤为：
S1深井煤层与瓦斯突出模拟实验力学加载系统的刚度确定方法
S1.1根据深井事故现场数据获得参与突出做功的顶底板弹性能与深井煤层弹性能之比β，β为30％。
S1.2将突出模拟实验力学加载系统在力学加载过程中自身储存的弹性能作Um为参与突出做功的顶底板弹性能，力学加载系统弹性能与煤层弹性能之比应为β，则加载系统弹性能为：Um＝Uc·β，
式中，E为煤体弹性模量，单位为MPa；σx、σy为水平应力，σz为垂直应力；μ为煤体泊松比；VS煤体体积。对于千米深井条件，煤层垂直应力σz＝25MPa，E＝5GPa，ν＝0.3时，单轴加载时加载系统的应变能密度为46.43kJ/m3。
S1.3根据刚度计算公式，加载系统的理论刚度km应为：
因此，力学加载系统在最大垂直单轴加载25MPa时，释放的能量应小于16.58KJ，刚度km≥2.71×1010N/m。
S1.4实际加载系统的刚度k由刚度调控装置3进行调控，为保障实验的有效性，选用的突出模拟实验力学加载系统的实际刚度k应大于等于理论加载系统的刚度km。当选k＝km时，可以不需要使用刚度调控装置3，直接进行突出模拟实验；也可以选用刚度调控装置3，以使加载在煤体4上的力的分布与深井煤层顶板的采动应力分布一致；当选用的力学实验机自身刚度k>km时，需根据实际情况设置刚度调控装置3结构。
例如，当采用煤与瓦斯突出模拟实验装置开展实验，其加载系统的刚度k＝3×1010N/m，k>km，在进行千米深井突出模拟时，需安装刚度调控装置3后进行突出模拟实验。
刚度调控装置3设置好以后，安装在煤体4与加载系统的压板2之间，再进行突出模拟实验，其中，压板2位于加载系统的压头1的下部；弹性件303为碟形弹簧组，碟形弹簧组由3～7个碟形弹簧串联而成，用以实现不同的刚度组合。不同的缓冲组件可采用相同的碟形弹簧组成结构；也可以采用不同的碟形弹簧组成结构，用以模拟突出煤层顶板采动应力分布。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种深井突出模拟实验方法，其特征在于：确定突出模拟实验理论加载系统的刚度，然后根据理论加载系统的刚度和实际加载系统的刚度设计刚度调控装置；所述刚度调控装置用于调控实际加载系统的刚度使其与理论加载系统的刚度一致。
2.根据权利要求1所述的一种深井突出模拟实验方法，其特征在于，理论加载系统的刚度确定包括以下步骤：
A.确定理论加载系统与煤层的弹性比β：通过测定深井顶底板的弹性能P1和煤层的弹性能P2，确定β＝P1/P2；
B.确定理论加载系统的刚度km：根据
确定理论加载系统的刚度km；
其中，Um＝Uc·β；
E为煤体弹性模量，单位为MPa；
σx、σy为水平应力，σz为垂直应力；
μ为煤体泊松比；
VS为煤体体积。
3.根据权利要求2所述的一种深井突出模拟实验方法，其特征在于：根据深井煤与瓦斯突出事故现场参与突出做功的顶底板弹性能和煤层弹性能确定β。
4.根据权利要求2所述的一种深井突出模拟实验方法，其特征在于：β的范围为17％～42％。
5.根据权利要求1所述的一种深井突出模拟实验方法，其特征在于：所述刚度调控装置设置在实际加载系统的压板和煤体之间。
6.根据权利要求5所述的一种深井突出模拟实验方法，其特征在于：所述刚度调控装置使实际加载系统加载在煤体上的力的分布与深井煤层顶板的采动应力分布一致。
7.一种加载系统的刚度调控装置，设置在加载系统的压板和煤体之间，其特征在于：包括支架和若干设置在支架上的缓冲组件，所述缓冲组件在支架上的分布与深井煤层顶板的采动应力分布相匹配。
8.根据权利要求7所述的一种加载系统的刚度调控装置，其特征在于：所述缓冲组件固定在支架的一侧，所述缓冲组件与煤体接触。
9.根据权利要求7所述的一种加载系统的刚度调控装置，其特征在于：所述缓冲组件包括连接器和弹性件，所述连接器的一端固定在支架上，另一端与弹性件连接。
10.根据权利要求9所述的一种加载系统的刚度调控装置，其特征在于：所述弹性件为碟簧组。
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