CN111271051B - 一种三向加载矿井钻孔封孔效果模拟试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三向加载矿井钻孔封孔效果模拟试验装置及方法，包括：模型台；模型转动驱动装置，通过传动梁与模型台的一端连接，用于带动所述模型台旋转；三向加载装置，固定在所述模型台内部，用于对模拟钻孔施加三向加载力，以模拟钻孔围岩受力；钻孔相似材料模拟试验箱，放置于所述三向加载装置内，用于进行钻孔抽漏气、瓦斯抽采钻孔漏气位置和钻孔间串漏气通道检测试验。本发明对矿井瓦斯抽采钻孔进行模拟，可模拟钻孔受力变形、封孔效果，钻孔间串漏气等，可为研究煤层钻孔瓦斯抽采失效机制提供实验室试验手段。本发明具有可视化，可三向加压，钻孔倾角可调节，可模拟开采对钻孔的扰动影响，直观清楚地呈现了实验中钻孔变化的全过程。
Description
技术领域
本发明属于煤矿实验装置的技术领域，尤其涉及一种三向加载矿井钻孔封孔效果模拟试验装置及方法。
背景技术
煤矿瓦斯抽采是降低矿井瓦斯涌出量，防止瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出灾害的重要措施，同时，瓦斯也是一种宝贵的清洁能源，我国煤矿瓦斯抽采量不均衡，浓度波动大，造成瓦斯难以充分利用。煤层瓦斯抽采中，钻孔密封质量直接影响着瓦斯的抽采效果和钻孔的有效抽采半径，因此，封孔质量的好坏直接影响了瓦斯的抽采质量。另外，封孔质量的好坏又影响着煤层瓦斯压力测定的准确性，封孔段若存在极少量的漏气，都将使得到的压力值偏低，导致对瓦斯赋存和突出情况较大误差的评判，乃至做出不当的防治方案和措施。进入深井开采，煤层处于高温高压环境下，密封不良也会导致新风漏入钻孔，使得顺煤层孔壁接触氧气引起孔内煤自燃，烧毁抽采管，破坏封孔器，造成进一步漏气，最终导致整个钻孔失效。同时除了钻孔封孔质量不佳导致漏气外，由于现在多采用密集钻孔进行煤层抽采，钻孔间漏串气的情况也会严重影响抽采效果。
现有技术中，已经出现钻孔相似模拟实验装置，授权公告号为CN207278295U的专利公开了一种煤矿瓦斯抽采钻孔封孔效果模拟实验装置，该技术方案包括钻孔孔壁模拟管、泵料装置和附加测试装置。钻孔孔壁模拟管内插入封孔管，封孔管的两端装有橡胶塞形成密封腔体，在任一橡胶塞上制作有注浆孔泵料装置，包括拌料桶和将拌料桶内的封孔浆液泵入密封腔体内的气动泵，注浆管穿过注浆孔进入密封腔体内，密封腔体的外壁上有附加测试装置，附加测试装置包括上压板和下底板，上压板和下底板之间装有压力调节装置，下底板上部垂直装有煤粉柱。该方案可进行不同封孔材料和封孔压力条件下封孔效果的物理模拟。但该技术方案中的钻孔壁采用模拟管进行模拟，与实际钻孔差异较大，不能很好的反映钻孔实际情况；不能模拟钻孔受力、破坏等情况；不能模拟钻孔间串漏气情况；不能模拟巷道通风情况对钻孔封孔及漏气的影响。
授权公告号为CN107542486A的专利公开了一种钻孔瓦斯抽采实验室模拟系统及方法，包括钻孔模拟管、封孔注浆系统、瓦斯压力模拟加载系统、瓦斯检测仪、声发射系统和计算机，钻孔模拟管内两头设有堵头模拟结构，钻孔模拟管的管壁上设有多个裂隙模拟孔，裂隙模拟孔上连接有裂隙模拟管，裂隙模拟管上连接有漏气检测开关，封孔注浆系统包括注浆管、返浆管、注浆泵、注浆手柄和注浆压力表，瓦斯压力模拟加载系统包括真空泵、瓦斯气体罐、真空压力表、抽真空开关、瓦斯气体罐开关、瓦斯压力表和瓦斯抽采开关。该方案能够真实模拟现场情况，实验耗费的人力物力少，实验效果好，实验结果精确性高，实用性强。但该技术方案中的钻孔壁采用模拟管进行模拟，与实际钻孔差异较大，不能很好的反映钻孔实际情况；不能模拟钻孔受力、破坏等情况；不能模拟钻孔间串漏气情况；不能找到漏气位置，不能模拟巷道通风情况对钻孔封孔及漏气的影响。
授权公告号为CN106057061A的专利公开了一种煤矿瓦斯抽采钻孔漏气位置检测实验室模拟系统及方法，包括瓦斯抽采实验室模拟装置、瓦斯抽采钻孔漏气位置检测实验室模拟装置和数据采集传输系统，瓦斯抽采实验室模拟装置包括有机玻璃管、进气系统和抽气系统，有机玻璃管上设有进气孔、出气孔和多个漏气测量孔，漏气测量孔上连接有漏气测量管；瓦斯抽采钻孔漏气位置检测实验室模拟装置包括第二真空泵、三通管、第一四通管和第二四通管；数据采集传输系统包括计算机、微控制器模块和通信电路模块。该方案设计新颖合理，实现方便，为研制瓦斯抽采钻孔漏气位置检测装置提供了可靠的依据，实用性强。但该技术方案中的钻孔壁采用有机玻璃管进行模拟，与实际钻孔差异较大，不能很好的反映钻孔实际情况；不能模拟钻孔围岩受力、破坏产生裂隙等情况；不能模拟钻孔间串漏气情况；不能模拟巷道通风情况对钻孔封孔及漏气的影响。
授权公告号为CN107942030A的专利公开了一种双向加载瓦斯抽采漏气模拟实验装置及方法，包括底座，所述底座的上部四周设置有侧板，侧板的上部盖设有上盖板，所述侧板包括设置在底座左右两侧的左侧板和右侧板、设置在底座后侧的后板以及设置在底座前侧且开有若干透气孔的前板，所述上盖板上设置有至少一个垂直应力加载油缸，所述左侧板和右侧板上分别设置有至少一个水平应力加载油缸，所述前板的中部还设置有圆形钻孔开口，其结构简单，便于安装操作，在荷载状态下完成能够对排出钻孔的钻屑进行收集实验、煤层封孔、裂隙封堵实验，同时可以进行抽漏气实验。但该技术方案不能模拟钻孔围岩三向受力、破坏产生裂隙等情况；不能模拟钻孔间串漏气情况；不能模拟巷道通风情况对钻孔封孔及漏气的影响；不能模拟不同倾角钻孔封孔效果情况；不能模拟开采对钻孔扰动情况等。
综合上述现有类似装置，钻孔模拟实验装置均不能模拟钻孔围岩三向受力情况；无法实现钻孔间串漏气情况模拟；不能模拟巷道通风情况对钻孔封孔及漏气的影响；不能模拟不同倾角钻孔封孔效果情况；不能模拟开采对钻孔扰动情况等。
发明内容
基于上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题在于提供一种三向加载矿井钻孔封孔效果模拟试验装置及方法，实现煤层开挖对钻孔扰动试验，进行抽漏气试验，瓦斯抽采钻孔漏气位置检测试验，钻孔间串漏气通道检测试验。
为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案来实现：本发明提供一种三向加载矿井钻孔封孔效果模拟试验装置，包括模型台，由两个圆弧钢轨组成，用于方便的进行岩层各种角度赋存状态下的物理相似模型试验；模型转动驱动装置，通过传动梁与所述模型台的一端连接，用于带动模型台旋转；三向加载装置，固定在所述模型台内部，用于对模拟钻孔施加三向加载力，以模拟钻孔围岩受力；钻孔相似材料模拟试验箱，放置于所述三向加载装置内，用于进行钻孔抽漏气、瓦斯抽采钻孔漏气位置和钻孔间串漏气通道检测试验。
可选的，所述三向加载装置包括由门式前挡板、后挡板、左挡板和右挡板围成的长方体空间，该长方体空间底部的钢梁上设有传送圆滚；所述长方体空间内的竖直方向、水平X方向和水平Y方向均设有电液伺服加载千斤顶。
进一步的，所述钻孔相似材料模拟试验箱内设有用于模拟开挖的伺服千斤顶矩阵组。
可选的，所述钻孔相似材料模拟试验箱内填装有相似材料，在相似材料中打钻有至少两个钻孔，并进行封孔；所述钻孔相似材料模拟试验箱的竖直方向、水平X方向和水平Y方向均设有与所述三向加载装置的电液伺服加载千斤顶相对应的加载柱和加载板，通过电液伺服加载千斤顶施压加载柱，与所述加载柱连着的加载板直接使钻孔相似材料模拟试验箱内的相似材料受力。
可选的，所述钻孔相似材料模拟试验箱的中间位置插有形成网格状布置的检测束管，所述检测束管为多个并沿钻孔的长度方向依次排列，呈直线排列的检测束管位于相邻的两个钻孔之间。
进一步的，所述门式前挡板上通过门轴连接有可开启档门，所述可开启档门上形成有风流出入预留口和钻孔预留口。
可选的，所述钻孔相似材料模拟试验箱的端部还设有用于接瓦斯抽采系统的钻孔预留管口和用于接瓦斯及标志性气体存罐的预留管口。
可选的，所述模型台的下方和侧方设有转动支承装置，用于支撑所述模型台的旋转；所述转动支承装置包括定位轮支架和位于所述定位轮支架上的定位支撑轮，所述定位轮支架通过螺钩与基坑底固定在一起。
进一步的，所述模型转动驱动装置包括电动机、与所述电动机连接的减速机、与所述减速机连接的链轮联轴器、与所述链轮联轴器连接的动分度盘、通过支撑架固定的定分度盘，所述传动梁与所述动分度盘连接；旋转角度确定后的动分度盘和定分度盘之间用定位锁紧螺栓固定。
本发明还提供一种上述的三向加载矿井钻孔封孔效果模拟试验装置的试验方法，包括以下步骤：
S10：将每层所需的相似材料按配比称量好，按从下到上进行逐层配料搅拌；
S20：将配好的相似材料由下到上分层均匀水平填装在钻孔相似材料模拟试验箱内，并进行抹平、压实；在填料过程中埋设测量应力应变、位移的传感器、检测束管以测量相关参数；
S30：待填料达到设计高度后，放好加载板及加载柱，盖好上端盖，并拧紧封装螺栓，使试验箱内部成为一个密闭的立方体；
S40：将钻孔相似材料模拟试验箱整体吊装至三向加载装置的门式前挡板处，放置在传送圆滚上，水平推进三向加载装置的预留空间，关闭门式前挡板，拧紧螺栓；三向加载装置的电液伺服加载千斤顶加载一定预应力，使试验箱稳定在三向加载装置中的空间内；
S50：通过钻机对相似材料进行打钻，在荷载状态下完成能够对排出钻孔的钻屑进行收集，完成不同应力状态下钻屑量试验，两个钻孔都施工完成后选择拟进行实验的封孔工艺进行封孔；
S60：根据拟定的岩层倾角，通过模型转动驱动装置将模型台旋转该角度，旋转到位后，锁紧定位锁紧螺栓；
S70：将瓦斯储罐通过管路与钻孔相似材料模拟试验箱连接，保持一定压力，封孔端连接瓦斯抽采系统，同时利用空压机形成负压连接试验箱的前加载板的通风风流出口，形成负压通风工况；
S80：利用电液伺服加载千斤顶对试验箱内的相似材料实体施加三向压力，压力大小可根据矿井现场实际测量数据设置；
S90：在进气系统中释放一定量标志性气体SF6，用SF6便携监测仪器对封堵钻孔的开口处、抽采管与阀门的连接处进行检测，从而研究封孔工艺的密实性；将两个钻孔其中一个设为检测孔，另一个设为控制孔，在控制孔内注入一定量SF6气体，用SF6便携监测仪器对封堵钻孔的开口处进行检测，从而研究两个钻孔之间的串漏气现象，同时对检测束管标志性气体进行检测，可标定漏气通道位置。
S100：加载完成并测量上述数据后，可对钻孔相似材料模拟试验箱内的伺服千斤顶矩阵组进行卸载，从而模拟煤层开挖对钻孔的扰动影响规律试验；将相似材料立方体取出，沿钻孔位置进行剖切，进而对煤层封孔、裂隙封堵情况，封孔浆液封堵状态，钻孔破坏、裂隙发育状态进行观测；改变通风状态，进一步研究不同通风工况对钻孔漏气的影响。
由上，本发明的三向加载矿井钻孔封孔效果模拟试验装置及方法对矿井瓦斯抽采钻孔进行模拟，可模拟钻孔受力变形、封孔效果，钻孔间串漏气等，可为研究煤层钻孔瓦斯抽采失效机制提供实验室试验手段。本发明的相似模拟实验装置，具有可视化，可三向加压，钻孔倾角可调节，可模拟开采对钻孔的扰动影响，可检测漏气通道等特点，直观清楚地呈现了实验中钻孔围岩受力、变形、裂隙产生、破坏、封孔工艺失效等的全过程，至少具有如下有益效果：
1、模型台可实现0～90°回旋，本体旋转速度0.2-1r/min，定位精度±0.3°，可以方便的进行岩层各种角度赋存状态下的物理相似模型试验，且模拟的倾角更加准确，可根据实验情况自由设置岩层倾角，进而模拟不同倾角钻孔封孔工艺下封孔效果、漏气通道等；
2、封板设计了透气孔，有利于模型内水分蒸发是模型进款干燥达到试验开挖条件；
3、可进行三向加载，更符合矿井钻孔围岩实际受力状态；
4、可施工两个钻孔(也可模块化，增加试件箱宽度进而实现三个及以上钻孔的模拟)之间串漏气现象的研究，以及对漏气通道进行定位；
5、加入了通风状态对钻孔密实效果的影响规律研究功能；
6、可对内置的伺服千斤顶矩阵组进行卸载，从而模拟煤层开挖对钻孔的扰动影响规律试验；
7、可将相似材料立方体取出，沿钻孔位置进行剖切，进而对煤层封孔、裂隙封堵情况，封孔浆液封堵状态，钻孔破坏、裂隙发育状态进行观测。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。
图1为本发明优选实施例的三向加载矿井钻孔封孔效果模拟试验装置的结构示意图；
图2为本发明的三向加载矿井钻孔封孔效果模拟试验装置的俯视图(不包括钻孔相似材料模拟试验箱)；
图3为本发明的三向加载矿井钻孔封孔效果模拟试验装置的侧视图(不包括钻孔相似材料模拟试验箱)；
图4为本发明的三向加载矿井钻孔封孔效果模拟试验装置的钻孔相似材料模拟试验箱的俯视图；
图5为图4中A-A处的剖面图；
图6为图4中B-B处的剖面图；
图7为图4中C-C处的剖面图；
图8为本发明的三向加载矿井钻孔封孔效果模拟试验装置的钻孔相似材料模拟试验箱的侧视图；
图9为图8中D处的放大示意图；
图10为图8中E-E处的剖面图；
图11为图8中F-F处的剖面图；
图12为本发明的三向加载矿井钻孔封孔效果模拟试验装置的进气系统的结构示意图；
图13为本发明的三向加载矿井钻孔封孔效果模拟试验装置的检测束管的结构示意图；
图14为本发明的三向加载矿井钻孔封孔效果模拟试验装置的门式前挡板的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。在所参照的附图中，不同的图中相同或相似的部件使用相同的附图标号来表示。
如图1至图14所示，本发明的三向加载矿井钻孔封孔效果模拟试验装置主要用于在三向荷载状态下完成对多种倾角钻孔，不同通风工况下排出钻孔的钻屑进行收集实验、煤层封孔、裂隙封堵试验，煤层开挖对钻孔扰动试验，同时可以进行抽漏气试验，瓦斯抽采钻孔漏气位置检测试验，钻孔间串漏气通道检测试验，包括由两个圆弧钢轨组成的模型台10、模型转动驱动装置20、三向加载装置30和钻孔相似材料模拟试验箱40，两个圆弧钢轨之间可通过横梁11连接，圆弧钢轨可用工字钢弯曲形成，其内部用竖梁12连接，以增加整体的结构刚度。模型台10在模型转动驱动装置20的作用下可实现0～90°回旋，旋转速度0.2-1r/min，定位精度±0.3°。通过模型台10可以方便的进行岩层各种角度赋存状态下的物理相似模型试验，且模拟的倾角更加准确，可根据实验情况自由设置岩层倾角，进而模拟不同倾角钻孔封孔工艺下封孔效果、漏气通道等。
模型转动驱动装置20通过传动梁21与所述模型台10的一端连接，用于带动模型台10旋转，模型转动驱动装置20包括电动机22、与所述电动机22连接的减速机23、与所述减速机23连接的链轮联轴器24、与所述链轮联轴器24连接的动分度盘25、通过支撑架26固定的定分度盘27，所述传动梁21与所述动分度盘25连接。旋转角度确定后的动分度盘25和定分度盘27之间用定位锁紧螺栓28固定。模型转动驱动装置20的固定架29通过螺钩固定在基坑上，减速机23的底座通过螺栓固定在固定架29上。
本发明的三向加载装置30通过模型台基体13固定在所述模型台10内部，用于对模拟钻孔施加三向加载力，以模拟钻孔围岩受力。其中，三向加载装置30包括由门式前挡板31、后挡板、左挡板和右挡板围成的长方体空间，该长方体空间底部的钢梁上设有传送圆滚32，所述长方体空间内的竖直方向、水平X方向和水平Y方向均设有电液伺服加载千斤33。电液伺服加载千斤顶33与微机伺服控制系统相连接，可实现加载的计算机精确控制。门式前挡板31上通过门轴311连接有可开启档门312，所述可开启档门312上形成有风流出入预留口313和钻孔预留口314。为模拟通风状态对钻孔封孔效果及漏气情况的影响，把门式前挡板31设计为中空结构，门式前挡板31靠近相似材料一侧开有密集矩阵式透气孔以增强透气性便于相似材料的风干，同时可模拟通风状态下风流对钻孔密封性的影响。
本发明的钻孔相似材料模拟试验箱40放置于所述三向加载装置30内，用于进行钻孔抽漏气、瓦斯抽采钻孔漏气位置和钻孔间串漏气通道检测试验。钻孔相似材料模拟试验箱40内设有用于模拟开挖的伺服千斤顶矩阵组41。所述钻孔相似材料模拟试验箱40内填装有相似材料，在相似材料中打钻有至少两个钻孔45，并进行封孔。所述钻孔相似材料模拟试验箱40的竖直方向、水平X方向和水平Y方向均设有与所述三向加载装置30的电液伺服加载千斤顶33相对应的加载柱42和加载板43，通过电液伺服加载千斤顶33施压加载柱42，与所述加载柱42连着的加载板43直接使钻孔相似材料模拟试验箱40内的相似材料受力。
另外，钻孔相似材料模拟试验箱40的端部还设有用于接瓦斯抽采系统的钻孔预留管口46和用于接瓦斯及标志性气体存罐的预留管口47，通过预留管口47连接进气系统，如图12所示，进气系统包括装有瓦斯的高压气瓶60、与高压气瓶60的开口连接的进气管道61，所示进气管道61上依次设有减压阀62、气压表63、阀门64，另外在进气管道61上连通有装有标志性气体(SF6)的气罐65。
钻孔相似材料模拟试验箱40的中间位置插有形成网格状布置的检测束管44，所述检测束管44为多个并沿钻孔的长度方向依次排列，呈直线排列的检测束管位于相邻的两个钻孔之间。在本实施例中，五根不同长度的硬管为一束检测束管，试验箱中总共设有19束，将每个检测束管进行标号，记录清楚其开口端所在位置，束管外接SF6监测仪器，进行试验时，在模型某一钻孔中释放标志性气体SF6，在另一钻孔孔口检测是否有SF6，若有，证明两钻孔间存在串漏气，进而对束管内各管进行SF6测定，记录测定结果，将测定结果标在图上，即可定位气体是从哪个位置串漏的。也可根据具体试验适当加密束管布置，使标定结果更精确。
如图8至11所示，钻孔相似材料模拟试验箱40的可通风式前加载板上设有钻孔预留口48，钻孔预留口48的两侧分别设有通风风流入口481和通风风流出口482。
本发明的模型台10的下方和侧方设有转动支承装置，用于支撑所述模型台10的旋转。转动支承装置包括定位轮支架51和位于所述定位轮支架51上的定位支撑轮52，所述定位轮支架51通过螺钩与基坑底固定在一起。
本发明还公开一种三向加载矿井钻孔封孔效果模拟试验方法，包括如下步骤：
步骤1，配料:进行相似材料配比，以确定材料相似强度，并通过相似配比确定所需材料的质量等。绘制材料配比用量表，将每层所需的相似材料按配比称量好，按从下到上进行逐层配料搅拌。
步骤2，填料:根据材料配比用量表，将钻孔相似材料模拟试验箱40的上端盖打开由下到上分层进行填料，每层厚度设置为10cm，将相似材料均匀水平填装在试件箱内，并进行抹平、压实。根据研究范围，可在填料过程中埋设测量应力应变、位移的传感器、检测束管44等以测量相关参数。
步骤3，封板封装:待填料达到设计高度后，放好加载板43及加载柱42，盖好上端盖，并拧紧封装螺栓，使试验箱内部成为一个密闭的立方体。
步骤4，吊装试件箱:待相似模拟材料晾干后，将试件箱整体吊装至三向加载装置30的门式前挡板31处，放置在传送圆滚32上，水平推进三向加载装置的预留空间，关闭门式前挡板31，拧紧螺栓。三向加载装置的电液伺服加载千斤顶33加载一定预应力，使试验箱稳定在三向加载装置中的空间内。
步骤5，钻孔和封孔:用小型室内钻机通过钻孔预留口，对相似材料进行打钻，在荷载状态下完成能够对排出钻孔的钻屑进行收集，完成不同应力状态下钻屑量试验，两个钻孔都施工完成后选择拟进行实验的封孔工艺进行封孔。钻屑法是测试煤层(围岩)应力分布的有效方法之一。现场应用时一般采用气动手持式钻机(或风锚头)垂直煤壁打一定孔径的钻孔，根据钻孔排除的钻屑量变化规律及其伴随的动力现象来分析煤体内的应力分布状态。利用本实验装置可以验证钻屑量与围岩应力情况的对应规律。
步骤6，模型台旋转:根据拟定的岩层倾角，通过模型转动驱动装置20将模型台10旋转该角度，具体步骤如下：
(1)打开限位行程开关，使定位锁紧螺栓28处于开启状态；
(1)启动模型转动驱动装置20的电源，根据所要模拟的岩层角度，旋转到位后，锁紧定位锁紧螺栓28。
步骤7，连接进气系统和抽气系统:将瓦斯储罐通过管路与钻孔相似材料模拟试验箱40连接，保持一定压力，封孔端连接瓦斯抽采系统，同时利用空压机形成负压连接试验箱的前加载板的通风风流出口482，形成负压通风工况。
步骤8，施加压力:利用电液伺服加载千斤顶33对试验箱内的相似材料实体施加三向压力，压力大小可根据矿井现场实际测量数据设置。
步骤9，数据测量:在进气系统中释放一定量标志性气体(SF6)，用SF6便携监测仪器对封堵钻孔的开口处、抽采管与阀门的连接处进行检测，从而研究封孔工艺的密实性。将两个钻孔其中一个设为检测孔，另一个设为控制孔，在控制孔内注入一定量SF6气体，用SF6便携监测仪器对封堵钻孔的开口处进行检测，从而研究两个钻孔之间的串漏气现象，同时对检测束管标志性气体进行检测，可标定漏气通道位置。
步骤10，数据的进一步挖掘:加载完成并测量上述数据后，可对试验箱内置的伺服千斤顶矩阵组41进行卸载，从而模拟煤层开挖对钻孔的扰动影响规律试验；还可将相似材料立方体取出，沿钻孔位置进行剖切，进而对煤层封孔、裂隙封堵情况，封孔浆液封堵状态，钻孔破坏、裂隙发育状态进行观测。还可以改变通风状态，进一步研究不同通风工况对钻孔漏气的影响等。
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种三向加载矿井钻孔封孔效果模拟试验装置，其特征在于：包括：
模型台，由两个圆弧钢轨组成，用于方便的进行岩层各种角度赋存状态下的物理相似模型试验；
模型转动驱动装置，通过传动梁与所述模型台的一端连接，用于带动模型台旋转；
三向加载装置，固定在所述模型台内部，用于对模拟钻孔施加三向加载力，以模拟钻孔围岩受力；
钻孔相似材料模拟试验箱，放置于所述三向加载装置内，用于进行钻孔抽漏气、瓦斯抽采钻孔漏气位置和钻孔间串漏气通道检测试验；
三向加载矿井钻孔封孔效果模拟试验装置的试验方法，包括以下步骤：
S10：将每层所需的相似材料按配比称量好，按从下到上进行逐层配料搅拌；
S20：将配好的相似材料由下到上分层均匀水平填装在钻孔相似材料模拟试验箱内，并进行抹平、压实；在填料过程中埋设测量应力应变、位移的传感器、检测束管以测量相关参数；
S30：待填料达到设计高度后，放好加载板及加载柱，盖好上端盖，并拧紧封装螺栓，使试验箱内部成为一个密闭的立方体；
S40：将钻孔相似材料模拟试验箱整体吊装至三向加载装置的门式前挡板处，放置在传送圆滚上，水平推进三向加载装置的预留空间，关闭门式前挡板，拧紧螺栓；三向加载装置的电液伺服加载千斤顶加载一定预应力，使试验箱稳定在三向加载装置中的空间内；
S50：通过钻机对相似材料进行打钻，在荷载状态下完成能够对排出钻孔的钻屑进行收集，完成不同应力状态下钻屑量试验，两个钻孔都施工完成后选择拟进行实验的封孔工艺进行封孔；
S60：根据拟定的岩层倾角，通过模型转动驱动装置将模型台旋转该角度，旋转到位后，锁紧定位锁紧螺栓；
S70：将瓦斯储罐通过管路与钻孔相似材料模拟试验箱连接，保持一定压力，封孔端连接瓦斯抽采系统，同时利用空压机形成负压连接试验箱的前加载板的通风风流出口，形成负压通风工况；
S80：利用电液伺服加载千斤顶对试验箱内的相似材料实体施加三向压力，压力大小可根据矿井现场实际测量数据设置；
S90：在进气系统中释放一定量标志性气体SF6，用SF6便携监测仪器对封堵钻孔的开口处、抽采管与阀门的连接处进行检测，从而研究封孔工艺的密实性；将两个钻孔其中一个设为检测孔，另一个设为控制孔，在控制孔内注入一定量SF6气体，用SF6便携监测仪器对封堵钻孔的开口处进行检测，从而研究两个钻孔之间的串漏气现象，同时对检测束管标志性气体进行检测，可标定漏气通道位置；
S100：加载完成并测量上述数据后，可对钻孔相似材料模拟试验箱内的伺服千斤顶矩阵组进行卸载，从而模拟煤层开挖对钻孔的扰动影响规律试验；
将相似材料立方体取出，沿钻孔位置进行剖切，进而对煤层封孔、裂隙封堵情况，封孔浆液封堵状态，钻孔破坏、裂隙发育状态进行观测；
改变通风状态，进一步研究不同通风工况对钻孔漏气的影响。
2.如权利要求1所述的三向加载矿井钻孔封孔效果模拟试验装置，其特征在于，所述三向加载装置包括由门式前挡板、后挡板、左挡板和右挡板围成的长方体空间，该长方体空间底部的钢梁上设有传送圆滚；所述长方体空间内的竖直方向、水平X方向和水平Y方向均设有电液伺服加载千斤顶。
3.如权利要求1所述的三向加载矿井钻孔封孔效果模拟试验装置，其特征在于，所述钻孔相似材料模拟试验箱内设有用于模拟开挖的伺服千斤顶矩阵组。
4.如权利要求1所述的三向加载矿井钻孔封孔效果模拟试验装置，其特征在于，所述钻孔相似材料模拟试验箱内填装有相似材料，在相似材料中打钻有至少两个钻孔，并进行封孔；
所述钻孔相似材料模拟试验箱的竖直方向、水平X方向和水平Y方向均设有与所述三向加载装置的电液伺服加载千斤顶相对应的加载柱和加载板，通过电液伺服加载千斤顶施压加载柱，与所述加载柱连着的加载板直接使钻孔相似材料模拟试验箱内的相似材料受力。
5.如权利要求4所述的三向加载矿井钻孔封孔效果模拟试验装置，其特征在于，所述钻孔相似材料模拟试验箱的中间位置插有形成网格状布置的检测束管，所述检测束管为多个并沿钻孔的长度方向依次排列，呈直线排列的检测束管位于相邻的两个钻孔之间。
6.如权利要求2所述的三向加载矿井钻孔封孔效果模拟试验装置，其特征在于，所述门式前挡板上通过门轴连接有可开启档门，所述可开启档门上形成有风流出入预留口和钻孔预留口。
7.如权利要求1所述的三向加载矿井钻孔封孔效果模拟试验装置，其特征在于，所述钻孔相似材料模拟试验箱的端部还设有用于接瓦斯抽采系统的钻孔预留管口和用于接瓦斯及标志性气体存罐的预留管口。
8.如权利要求1所述的三向加载矿井钻孔封孔效果模拟试验装置，其特征在于，所述模型台的下方和侧方设有转动支承装置，用于支撑所述模型台的旋转；所述转动支承装置包括定位轮支架和位于所述定位轮支架上的定位支撑轮，所述定位轮支架通过螺钩与基坑底固定在一起。
9.如权利要求1所述的三向加载矿井钻孔封孔效果模拟试验装置，其特征在于，所述模型转动驱动装置包括电动机、与所述电动机连接的减速机、与所述减速机连接的链轮联轴器、与所述链轮联轴器连接的动分度盘、通过支撑架固定的定分度盘，所述传动梁与所述动分度盘连接；
旋转角度确定后的动分度盘和定分度盘之间用定位锁紧螺栓固定。
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