CN111272545A - 一种考虑顶板影响的矿井复合型灾害模拟试验系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种考虑顶板影响的矿井复合型灾害模拟试验系统及方法，由动力加载模块，耐高压密封腔体模块及相应监测设备构成。试验方法如下：将制备好的粘贴有应变片的煤岩组合体试件装入耐高压密封腔体；完成其他设备的安装及调试并启动；抽真空，充气，加载并实时监测腔体气压、煤岩体各自应变及声发射特征；在试件破坏瞬间通过防爆型高速气动阀卸压，观测灾变过程中的动力显现特征并分析。本发明可对矿井复合型灾害灾变各阶段进行系统监测同时为灾变各阶段的精确分析提供数据支撑，具有重要的理论意义和工程价值，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预测预防具有积极意义。

Description

一种考虑顶板影响的矿井复合型灾害模拟试验系统及方法
技术领域
本发明涉及室内试验设备技术领域，尤其涉及一种考虑顶板影响的矿井复合型灾害模拟试验系统及方法。
背景技术
深部煤矿开采受高地应力、高温、高岩溶水等威胁日趋严重，高强度开采(扰动)使得一些高瓦斯矿井发生复合型煤岩动力灾害的概率显著增大，此类动力灾害兼具突出和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一个复杂的力学过程，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。
以往针对煤岩瓦斯动力灾害的研究往往仅考虑受采动影响的煤岩体及瓦斯作用，虽然一定程度考虑了顶板影响，但鉴于受力分析复杂、能量转换不清晰、研究手段有限等一直未开展有效的研究，通常将顶板影响忽略，但实际上顶板在煤-岩-瓦斯动力灾害的孕育、发展、直至激发阶段一直有能量参与，但参与能量的具体来源及量化目前尚不清晰。
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不失为一种有效手段。考虑到复合动力灾害具有巨大的破坏性和危害性，现场人为诱发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，尝试从能量角度进行量化研究，可进一步明确灾变过程中顶板影响范围(能量来源)及顶板能量积聚、传递及释放机制，对于矿井复合型灾害的预测及防治同样具有重要现实意义。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种考虑顶板影响的矿井复合型灾害模拟试验系统及方法，开展顶板影响下的灾害模拟试验并对灾变各阶段参量进行系统监测。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种考虑顶板影响的矿井复合型灾害模拟试验系统，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耐高压密封腔体和底部的承压底座；所述耐高压密封腔体由三段可拼接的腔体组成，即上段部分、中段可替换部分和底段部分；
所述上段部分、中段可替换部分和底段部分顺次连接且在连接处注有密封胶；
所述中段可替换部分外表面前后对称开设有用于固定声发射探头的凹槽；
所述中段可替换部分左右开设有输入端和输出端；
所述输入端与输出端中心线连线过该连线所在的中段可替换部分的截面的中心；
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；
所述输出端直径d与耐高压密封腔体直径D比例范围为[1/4,1/6]；
所述底段部分设有引线输出端；
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均设有限位凹槽。
所述耐高压密封腔体模块顶部通过T型刚性压头施加动力，所述T型刚性压头下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。
采用所述一种考虑顶板影响的矿井复合型灾害模拟试验系统的试验方法，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；将输出端各部件依次连接并调试；在耐高压密封腔体中段可替换部分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的煤岩组合体试件施加轴向压预紧力，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；
待达到设定的吸附时间，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，在煤岩组合体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，同步记录腔体内煤岩组合体试件的声发射特征、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、几何特征及沿透明管道分布特征；
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中煤岩厚度比和/或气体压力，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的煤岩组合体试件施加轴向压预紧力为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组合体试件总应力-应变，通过引线输出端获得煤岩组合体试件中煤、岩各自的应变；
所述几何特征包括粒径及比表面积，沿透明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.本发提出了考虑顶板影响的矿井复合型灾害模拟试验系统，将耐高压密封腔体设计为多段可拼接结构，其中中段可替换部分可根据设计相似比调整替换，此外，可对煤岩组合体、纯煤(原煤、型煤)等进行试验，具备较强的实用性。
2.本发明提出的考虑顶板影响的矿井复合型灾害模拟试验方法，是对矿井复合型动力致灾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动力致灾的机理提供支持。
3.本发明装置结构精巧，试验操作简便易行，试验成本低，同时可为大尺度的三维相似模拟试验提供有益借鉴。
4.本发明可模拟灾变的整个阶段(孕育→发展→激发→终止)，可以系统监测各个发展阶段煤岩体应力、应变及瓦斯压力、浓度等参量，为灾变各阶段的精确分析提供数据支撑，具有重要的理论意义和工程实际价值，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预测预防具有积极意义。
附图说明
图1是本发明一种考虑顶板影响的矿井复合型灾害模拟试验系统整体结构示意图。
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是本发明耐高压密封腔体上段部分。
图5是本发明耐高压密封腔体中段可替换部分。
图6是本发明耐高压密封腔体底段部分。
图7是本发明透明管道俯视图。
图8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、4-1-上段部分、4-2-中段可替换部分、4-3-凹槽、4-4-底段部分、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8所示，一种考虑顶板影响的矿井复合型灾害模拟试验系统，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由三段可拼接的腔体组成，即上段部分4-1、中段可替换部分4-2和底段部分4-4；
所述上段部分4-1、中段可替换部分4-2和底段部分4-4顺次连接且在连接处注有密封胶；
所述中段可替换部分4-2外表面前后对称开设有用于固定声发射探头的凹槽4-3；
所述中段可替换部分4-2左右开设有输入端9和输出端10；
所述输入端9与输出端10中心线连线过该连线所在的中段可替换部分4-2的截面的中心；
所述凹槽4-3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；
所述输出端10直径d与耐高压密封腔体4直径D比例范围为[1/4,1/6]；
所述底段部分4-4设有引线输出端8；
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的底部均设有限位凹槽。
所述耐高压密封腔体模块顶部通过T型刚性压头5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。
所述透明管道通16过可调支撑架17支撑。
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。
采用所述一种考虑顶板影响的矿井复合型灾害模拟试验系统的试验方法，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；
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(未示出)连接；将输出端10各部件依次连接并调试；在耐高压密封腔体中段可替换部分4-2外表面凹槽4-3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内的煤岩组合体试件23施加轴向压预紧力，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；
待达到设定的吸附时间，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，在煤岩组合体试件23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，同步记录腔体4内煤岩组合体试件23的声发射特征、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、几何特征、沿透明管道16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中煤岩厚度比和/或气体压力，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内的煤岩组合体试件23施加轴向压预紧力为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组合体试件23总应力-应变，通过引线输出端8获得煤岩组合体试件23中煤、岩各自的应变；
所述几何特征包括粒径及比表面积，沿透明管道16分布特征包括抛出距离及抛出速度。
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 (8)

1.一种考虑顶板影响的矿井复合型灾害模拟试验系统，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耐高压密封腔体和底部的承压底座；所述耐高压密封腔体由三段可拼接的腔体组成，即上段部分、中段可替换部分和底段部分；
所述上段部分、中段可替换部分和底段部分顺次连接且在连接处注有密封胶；
所述中段可替换部分外表面前后对称开设有用于固定声发射探头的凹槽；
所述中段可替换部分左右开设有输入端和输出端；
所述输入端与输出端中心线连线过该连线所在的中段可替换部分的截面的中心；
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；
所述输出端直径d与耐高压密封腔体直径D比例范围为[1/4,1/6]；
所述底段部分设有引线输出端；
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。
2.如权利要求1所述一种考虑顶板影响的矿井复合型灾害模拟试验系统，其特征是，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均设有限位凹槽。
3.如权利要求1所述一种考虑顶板影响的矿井复合型灾害模拟试验系统，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模块顶部施加动力，所述T型刚性压头下部开设有密封凹槽并套有密封圈加以密封。
4.如权利要求1所述一种考虑顶板影响的矿井复合型灾害模拟试验系统，其特征是，所述透明管道通过可调支撑架支撑。
5.如权利要求1所述一种考虑顶板影响的矿井复合型灾害模拟试验系统，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同一截面上且沿透明管道等间距分布若干组。
6.采用权利要求1-5任一所述一种考虑顶板影响的矿井复合型灾害模拟试验系统的试验方法，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；将输出端各部件依次连接并调试；在耐高压密封腔体中段可替换部分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的煤岩组合体试件施加轴向压预紧力，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；
待达到设定的吸附时间，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，在煤岩组合体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，同步记录腔体内煤岩组合体试件的声发射特征、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、几何特征及沿透明管道分布特征；
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中煤岩厚度比和/或气体压力，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。
7.如权利要求6所述的试验方法，其特征是，所述向耐高压密封腔体内的煤岩组合体试件施加轴向压预紧力为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。
8.如权利要求6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组合体试件总应力-应变，通过引线输出端获得煤岩组合体试件中煤、岩各自的应变；
所述几何特征包括粒径及比表面积，沿透明管道分布特征包括抛出距离及抛出速度。
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