CN112461669A - 一种巷道掘进冲击地压动力灾害实验方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种巷道掘进冲击地压动力灾害实验方法及装置，其特征在于所述的实验方法包括模拟正常地质条件下巷道掘进的实验和模拟异常地质条件下巷道掘进的实验；它们均包括（1）配制试样；（2）对试样施加静态载荷，模拟煤矿井下掘进工作面周边岩体实际受力环境；（3）通过计算机程序控制刀具运动轨迹模拟掘进，采集试样掘进过程中反馈出的声电和力学信号；（4）将刀具撤出试样，采集试样停掘过程中反馈出的声电和力学信号；（5）分别在步骤2和步骤3中，施加动载荷，由计算机控制动态加载波形特征、施加时间参数；（6）改变动载波形形式和强度，直至试样发生冲击破坏，得到巷道冲击破坏的条件准则等步骤。本发明能为煤矿巷道掘进冲击地压的预警与防治提供理论参考与科学对策。

Description

一种巷道掘进冲击地压动力灾害实验方法和装置
技术领域
本发明涉及一种矿山巷道技术，尤其是一种矿山巷道掘进试验技术，具体地说是一种巷道掘进冲击地压动力灾害实验方法及装置。
背景技术
冲击地压是煤矿巷道围岩由于弹性变形能的瞬时释放而产生的突然、剧烈破坏的动力现象。
目前，巷道掘进时冲击地压发生的机理还不清楚，缺乏针对性危险性监测、预警与防治基础理论。试验研究是揭示煤巷掘进冲击地压机理的重要研究手段。然而，配置不同地质条件下的煤岩层结构试样，并对试样分别施加单向、双向、三向静载荷，模拟井下工程岩体受力环境，同时实验室模拟掘进作业，并施加动载扰动，系统研究掘进过程中煤岩体动态调整的应力在复合矿震、顶板破断等动载时，煤岩体应力、能量演变及冲击破坏的规律，揭示掘进巷道冲击地压灾害发生机理及其内在孕育机制等内容的试验研究还不多见，其原因是缺乏相应的试验方法和设备。
利用巷道掘进冲击地压动力灾害实验方法和装置，可以获得冲击地压灾害演化过程与动力学机制、响应信号和前兆特征，确定地质赋存环境对冲击地压发生的影响规律，揭示巷道掘进冲击地压机理，为巷道掘进冲击地压的监测和防范解危提供理论依据。
发明内容
本发明的目的是针对现有的实验装置不能有效模拟巷道掘进过程中的真实受力情况，尤其是无法模拟掘进过程对安全性的影响的问题，发明一种巷道掘进冲击地压动力灾害实验方法，同时提供一种相应的实验装置。
本发明的技术方案之一是：
一种巷道掘进冲击地压动力灾害实验方法，其特征在于：包括正常地质条件下巷道掘进和异常地质条件下巷道掘进冲击地压动力灾害实验方法，所述的正常地质条件下巷道掘进冲击地压动力灾害实验方法包括以下步骤：
（1）配制试样；根据煤矿井下掘进工作面煤岩层结构及其物理力学性质、实际和实验室模拟掘进的巷道尺寸，利用相似准则完成正常层状结构煤岩试样的配制；
（2）对试样施加静态载荷，模拟煤矿井下掘进工作面周边岩体实际受力环境；
（3）通过计算机程序控制刀具空间运动轨迹，在试样内部模拟煤矿井下生产班时巷道的掘进作业，巷道形状为拱形、正方形、梯形之一；在掘进过程中利用声发射传感器、电磁辐射传感器和力学传感器采集掘进过程中的声电和力学信号；
（4）模拟掘进完成一定距离后，将刀具撤出试样，利用声发射传感器、电磁辐射传感器和力学传感器采集试样停掘过程中试验应力调整而反馈出的声电和力学信号，利用微型摄像机观测巷道表面变形及破裂情况；
（5）分别在步骤2和步骤3中，施加动载荷，由计算机控制动态加载波形特征、施加时间参数，加载波形包括：正弦波、半正弦波、三角波、半三角波、方波、半方波、斜波之一；或读取矿井采集的矿震波形文件加载；
（6）改变动载波形形式和强度，直至试样发生冲击破坏，得到巷道冲击破坏的条件准则；
（7）重复步骤（2），改变载荷加载形式为单向、双向和三向、改变静态载荷强度，重复步骤（3）、（4）、（5）、（6），研究不同应力条件对掘进冲击地压发生的影响规律；
（8）重复步骤（3），改变步骤（3）中的开挖速度，重复步骤（4）、（5）、（6），获得不同开挖速度对掘进冲击地压发生的影响规律；
所述的异常地质条件下巷道掘进冲击地压动力灾害实验方法包括以下步骤；
首先配制试样；根据煤矿井下掘进工作面煤岩层结构及其物理力学性质、异常地质构造、实际和实验室模拟掘进的巷道尺寸，利用相似准则配制煤岩层厚度变化的试样、有断层的煤岩结构试样、有岩浆侵入的煤岩结构试样、有褶曲的煤岩结构试样；
其次，重复步骤（2）至步骤（8）；
第三，将步骤（2）至步骤（8）所得到的声电和应力信号与正常地质条件下得到的信号进行对比分析，得到不同地质赋存环境对冲击地压发生的影响规律。
本发明的技术方案之二是：
一种巷道掘进冲击地压动力灾害实验装置，其特征是包括三向加载反力架模块11、动载荷施加模块13、数控掘进机14和静态液压缸15；试样17位于反力架模块11的中心，数控掘进机14和静态液压缸15对称设置在试样的两侧（X向），动载荷施加模块13与另一静态液压缸15对称设置在试样17的另外两侧（Y向），在试样17的上方、反力架模块11上安装有动态液压缸13-1（Z向），动态液压缸13-1可同时作为静态液压缸使用，它与试样17下部的底座对称设置；所述的反力架模块11以试样为中心，在X、Y、Z三向的每个方向上各配置有一个静态液压缸15和一个反力加载板16、一个动态液压缸13-1和一个中空液压缸13-2、一反力架19和一个动态液压缸13-1，液压缸受控于液压伺服控制系统12。
所述的动载荷施加模块13包括低应变率加载模块和中高应变率加载模块；所述低应变率加载模块是由动态液压缸13-1加以实现；所述中高应变率加载模块是由中空液压缸13-2加以实现，中空液压缸13-2的中间放置冲击杆13-3，外部利用霍普金森冲击机13-4或摆锤冲击机13-5击打冲击杆13-3，冲击杆13-3将动载荷传递给试样17。
所述的所述数控掘进机14前部有刀具，刀具连接有进给装置14-3，进给装置14-3安装在水平移动装置14-2上，水平移动装置14-2安装在升降装置14-1上，数控掘进机14由计算机程序控制运动轨迹，利用刀具切割试样，模拟矿山掘进作业。
本发明的有益效果是：
本发明的掘进动力灾害突发机理物理模拟实验系统可用于试验研究“静态加载-掘进开挖”、“静态加载-掘进开挖-动载”等应力路径等煤岩变形破裂机制、能量演化规律分析与结构失稳模式辨识、冲击孕育前兆信息识别等内容，揭示巷道掘进冲击破坏机理，为我国煤矿巷道掘进冲击地压的预警与防治提供一定的理论参考与科学对策。
本发明属于动态加载试验系统，试验系统由四部分组成：主机、液压源、测控装置、加载单元；加载系统三向独立，可实现三向异步加、卸载，又可三向或其中任意两向同步加、卸载；具有多波形信号，包括斜坡波、正弦波、三角波、锯齿波等，也可读取现场监测波形文件，主要试验波形：正弦波、三角波、方波、半正弦波、半三角波、半方波、斜波等，以及读取波形文件方式加载；由计算机控制动态加载波形特征、施加时间等参数。加载控制模式：位移、力、速度等。模拟现场顶板垮落、断层滑动等产生的扰动波。
附图说明
图1是本发明的逐层配置试样示意图。
图2 是对普通煤岩层结构试样施加三向载荷，通过计算机程序控制刀具运动轨迹，模拟巷道掘进作业示意图。
图3是将刀具撤出试样，利用声发射传感器、电磁辐射传感器和力学传感器采集试样停掘过程中反馈出的声电和力学信号示意图。
图4是将刀具撤出试样利用微型摄像机观测巷道表面变形及破裂情况示意图。
图5是分别在掘进和停掘过程中，施加动载荷示意图。
图6是利用煤岩层厚度变化的试样，进行巷道掘进实验示意图。
图7是利用有断层的煤岩结构试样，进行巷道掘进实验示意图。
图8是本发明的巷道掘进冲击地压动力灾害实验装置正视图。
图9是本发明的巷道掘进冲击地压动力灾害实验装置俯视图之一。
图10是本发明的巷道掘进冲击地压动力灾害实验装置俯视图之二。
图中：1、试样；2、应力传感器；3、施加载荷；4、声发射传感器；5、电磁辐射传感器；6、机器手；7、微型摄像头；8、施加动载荷；9、煤岩层厚度变化的试样；10、有断层的煤岩结构试样；11、三向加载反力架模块；12、液压伺服控制系统；13、动载荷施加模块；13-1动态液压缸；13-2中空液压缸，13-3冲击杆；13-4霍普金森冲击；13-5摆锤冲击机；14、数控掘进机；14-1、升降装置；14-2、水平移动装置；14-3、进给装置；15、液压缸；16、反力加载板。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
实施例一。
如图1-5所示。
一种正常地质条件下巷道掘进冲击地压动力灾害实验方法，包括以下步骤：
（1）配制试样；根据煤矿井下掘进工作面煤岩层结构及其物理力学性质、实际和实验室模拟掘进的巷道尺寸，利用相似准则完成正常地质试样（图1）的配制；并在正常地质试样上放置应力传感器2（图1）。
（2）如图3所示，在试样上布置声发射传感器4和试样旁边放置电磁辐射传感器5。对试样施加三向静态载荷，模拟煤矿井下掘进工作面周边岩体不同受力环境；
（3）通过计算机程序控制刀具运动轨迹，在试样内部模拟煤矿井下生产班时巷道的掘进作业，如图3所示；在掘进过程中利用声发射传感器、电磁辐射传感器和力学传感器采集掘进过程中的声电和力学信号；利用小波分析过滤施工信号，得到试样被开挖时自身应力、能量和裂隙动态变化过程中反馈出的声电和力学信号；如图3所示；
（4）模拟掘进完成一定距离后，将刀具撤出试样，利用声发射传感器、电磁辐射传感器和力学传感器采集试样停掘过程中反馈出的声电和力学信号，再利用微型摄像机7观测巷道表面变形及破裂情况；如图4所示；
（5）再次进行掘进和停掘，并在此过程中同步施加静载荷和动载荷，动载荷由计算机控制动态加载波形特征、施加时间参数，以读取波形文件方式加载，加载波形包括：正弦波、半正弦波、三角波、半三角波、方波、半方波、斜波之一；如图5所示；
（6）改变动载波形形式和强度，直至试样发生冲击破坏，得到巷道冲击破坏的条件准则；
（7）重复步骤（2），改变载荷加载形式为单向或双向、改变载荷强度，分别重复步骤（3）、（4）、（5）、（6），研究不同应力条件对掘进冲击地压发生的影响规律；
（8）重复步骤（3），改变步骤（3）中的开挖速度，重复步骤（4）、（5）、（6）、（7），研究不同开挖速度对掘进冲击地压发生的影响规律。
实施例二。
如图6、7所示。
一种异常地质条件下巷道掘进冲击地压动力灾害实验方法，包括以下步骤：
（1）配制试样；根据煤矿井下掘进工作面煤岩层结构及其物理力学性质、异常地质构造、实际和实验室模拟掘进的巷道尺寸，利用相似准则配制异常地质条件试样，常见的民常地质条件试样包括图6所示的煤岩层厚度变化的试样、图7所示的有断层的煤岩结构试样、有岩浆侵入的煤岩结构试样或有褶曲的煤岩结构试样（图中未示出，可根据常识进行制作）。并在试样上放置应变块传感器2，
（2）分别对异常地质条件试样重复实施例一中的步骤（2）至（8），将所测得的信号与正常地质试样反馈的信号进行对比分析，得到不同地质赋存环境对冲击地压发生的影响规律。
实施例一、二中的试样比例一般为1:20。
实施例三。
如图8-10所示。
一种巷道掘进冲击地压动力灾害实验装置，包括三向加载反力架模块11、动载荷施加模块13、数控掘进机14（或机械手6）和静态液压缸15；试样17位于反力架模块11的中心，数控掘进机14和静态液压缸15对称设置在试样的两侧（X向），如图9所示，动载荷施加模块13与另一静态液压缸15对称设置在试样17的另外两侧（Y向），在试样17的上方、反力架模块11上安装有动态液压缸13-1（Z向），动态液压缸13-1可同时作为静态液压缸使用并安装在横梁18上，它与试样17下部的反力架19对称设置。
在反力架模块11，以试样为中心，在X、Y、Z三向的每个方向上各配置有一个静态液压缸15和一个反力加载板16（图9）、一个动态液压缸13-1（也可作为静态液压缸使用）和一个中空液压缸13-2、一反力架19和一个动态液压缸13-1，液压缸受控于液压伺服控制系统12（可采用现有技术加以实现）。
所述动载荷施加模块13包括低应变率加载模块、中高应变率加载模块；所述低应变率加载模块是由动态液压缸13-1加以实现；所述中高应变率加载模块是由中空液压缸13-2（图9）加以实现，中空液压缸13-2的中间放置冲击杆13-3，外部利用霍普金森冲击机13-4（图9）或摆锤冲击机13-5（图10）击打冲击杆13-3，冲击杆13-3将动载荷传递给试样17；所述数控掘进机14（也可采用机器手6代替）前部有刀具，刀具连接有进给装置14-3，进给装置14-3安装在水平移动装置14-2上，水平移动装置14-2安装在升降装置14-1上，如图8所示。数控掘进机14由计算机程序控制运动轨迹，利用刀具切割试样，模拟矿山掘进作业。
本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (4)

1.一种巷道掘进冲击地压动力灾害实验方法，其特征在于：包括正常地质条件下巷道掘进和异常地质条件下巷道掘进冲击地压动力灾害实验方法，所述的正常地质条件下巷道掘进冲击地压动力灾害实验方法包括以下步骤：
（1）配制试样；根据煤矿井下掘进工作面煤岩层结构及其物理力学性质、实际和实验室模拟掘进的巷道尺寸，利用相似准则完成正常层状结构煤岩试样的配制；
（2）对试样施加静态载荷，模拟煤矿井下掘进工作面周边岩体实际受力环境；
（3）通过计算机程序控制刀具空间运动轨迹，在试样内部模拟煤矿井下生产班时巷道的掘进作业，巷道形状为拱形、正方形、梯形之一；在掘进过程中利用声发射传感器、电磁辐射传感器和力学传感器采集掘进过程中的声电和力学信号；
（4）模拟掘进完成一定距离后，将刀具撤出试样，利用声发射传感器、电磁辐射传感器和力学传感器采集试样停掘过程中试验应力调整而反馈出的声电和力学信号，利用微型摄像机观测巷道表面变形及破裂情况；
（5）分别在步骤2和步骤3中，施加动载荷，由计算机控制动态加载波形特征、施加时间参数，加载波形包括：正弦波、半正弦波、三角波、半三角波、方波、半方波、斜波之一；或读取矿井采集的矿震波形文件加载；
（6）改变动载波形形式和强度，直至试样发生冲击破坏，得到巷道冲击破坏的条件准则；
（7）重复步骤（2），改变载荷加载形式为单向、双向和三向、改变静态载荷强度，重复步骤（3）、（4）、（5）、（6），研究不同应力条件对掘进冲击地压发生的影响规律；
（8）重复步骤（3），改变步骤（3）中的开挖速度，重复步骤（4）、（5）、（6），获得不同开挖速度对掘进冲击地压发生的影响规律；
所述的异常地质条件下巷道掘进冲击地压动力灾害实验方法包括以下步骤；
首先配制试样；根据煤矿井下掘进工作面煤岩层结构及其物理力学性质、异常地质构造、实际和实验室模拟掘进的巷道尺寸，利用相似准则配制煤岩层厚度变化的试样、有断层的煤岩结构试样、有岩浆侵入的煤岩结构试样、有褶曲的煤岩结构试样；
其次，重复步骤（2）至步骤（8）；
第三，将步骤（2）至步骤（8）所得到的声电和应力信号与正常地质条件下得到的信号进行对比分析，得到不同地质赋存环境对冲击地压发生的影响规律。
2.一种巷道掘进冲击地压动力灾害实验装置，其特征是包括三向加载反力架模块（11）、动载荷施加模块（13）、数控掘进机（14）和静态液压缸（15）；试样（17）位于反力架模块（11）的中心，数控掘进机（14）和静态液压缸（15）对称设置在试样的两侧（X向），动载荷施加模块（13）与另一静态液压缸（15）对称设置在试样（17）的另外两侧（Y向），在试样（17）的上方、反力架模块（11）上安装有动态液压缸（13-1）（Z向），动态液压缸（13-1）可同时作为静态液压缸使用，它与试样（17）下部的底座对称设置；所述的反力架模块（11）以试样为中心，在X、Y、Z三向的每个方向上各配置有一个静态液压缸（15）和一个反力加载板（16）、一个动态液压缸（13-1）和一个中空液压缸（13-2）、一反力架（19）和一个动态液压缸（13-1），液压缸受控于液压伺服控制系统（12）。
3.根据权利要求2所述的巷道掘进冲击地压动力灾害实验装置，其特征是所述的动载荷施加模块（13）包括低应变率加载模块和中高应变率加载模块；所述低应变率加载模块是由动态液压缸（13-1）加以实现；所述中高应变率加载模块是由中空液压缸（13-2）加以实现，中空液压缸（13-2）的中间放置冲击杆（13-3），外部利用霍普金森冲击机（13-4）或摆锤冲击机（13-5）击打冲击杆（13-3），冲击杆（13-3）将动载荷传递给试样（17）。
4.根据权利要求2所述的巷道掘进冲击地压动力灾害实验装置，其特征是所述的所述数控掘进机（14）前部有刀具，刀具连接有进给装置（14-3），进给装置（14-3）安装在水平移动装置（14-2）上，水平移动装置（14-2）安装在升降装置（14-1）上，数控掘进机（14）由计算机程序控制运动轨迹，利用刀具切割试样，模拟矿山掘进作业。
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