CN112748016A - 一种大型三维立体可拆卸钻屑相似模拟实验装置 - Google Patents

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潘一山
郑文红
代连朋
吕祥峰
王爱文
张建卓
刘昆轮
付洪源
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Abstract

一种大型三维立体可拆卸钻屑相似模拟实验装置，包括可拆卸式反力框架、顶部液压加载油缸组、侧部液压加载油缸组及后部动载荷加载油缸；顶部及侧部液压加载油缸组内的液压加载油缸均可独立加载，用以实现破碎区、塑性区和弹性区的模拟；通过后部动载荷加载油缸单独施加水平动载荷，用以模拟矿震等动力灾害对煤岩体应力、应变的影响，提高了实验结果的可信性；通过多个液压加载油缸的独立加载，可开展带煤层倾角时的钻屑实验和钻孔卸压实验，加载垫块最外侧延伸至试样外部，加载时可有效避免边界效应，用以减小实验误差；实验装置整体构成三维立体结构，更准确模拟地应力，采用大尺寸试样，进一步提高钻屑和钻孔卸压相似模拟实验结果的准确性。

Description

一种大型三维立体可拆卸钻屑相似模拟实验装置
技术领域
本发明属于煤矿安全技术领域，特别是涉及一种大型三维立体可拆卸钻屑相似模拟实验装置。
背景技术
通过向煤体钻小直径钻孔，根据钻孔过程中单位孔深排粉量的变化规律和动力现象，了解煤体应力集中程度、峰值大小及位置，判定冲击地压危险等级，达到冲击地压预测的目的，上述方法就是钻屑法。由于钻屑法能同时检测多项与冲击地压有关的因素，而且简便易行，因此成为了煤矿监测动力灾害局部应力情况应用最广泛的一种方法，而煤体钻进过程排出的钻屑量和煤体应力之间的关系，则是钻屑法研究的基础。
通过在煤层中打钻孔、排煤粉，布置钻孔长度、钻孔间距，使钻孔周围形成的塑性破坏区连通起来，进而消除或降低冲击地压危险，上述这种局部性解危方法就是钻孔卸压。为达到最佳的卸压效果和缓解冲击地压危险，如何合理设置钻孔尺寸、深度以及钻孔间排距，对于研究钻孔卸压是十分必要的。
研究不同地质因素、开采条件以及受载环境中钻屑量变化规律和钻孔卸压效果，可以更准确地了解钻屑量和煤体应力之间的关系和钻孔后孔周的煤体受力状态、钻孔卸压范围，从而提高应用钻屑法预测以及防治冲击地压的准确性，实现深部煤炭的安全开采具有重要的科学意义和工程价值。
为在实验室内研究不同地质因素、开采条件以及受载环境钻屑法和钻孔卸压，合适的实验装置至关重要。目前，现有的钻屑实验装置大多停留通过轴压加载、侧面约束、计算等效应力的阶段，而且实验装置的尺寸往往较小，导致煤岩在实验装置内的受载情况现场实际情况差别较大，因此通过实验得出的结论和规律无法真实反映现场情况。
对于现有的钻屑实验装置，还存在以下不足之处：①、采用顶部千斤顶和加载钢板配合的加载方式，造成千斤顶压头处的受力大，而外缘受力小，因此加载不均匀，并且当加载面处的岩层出现弯曲下沉现象时，加载刚板不能随动，从而造成下沉位置处的力加再不上去，而下沉边缘则会产生应力集中；②、对于传统的大型实验装置来说，需要较大的加载面积，并且为了更好的提供加载的反力，实验装置的框架外壳普遍采用整体式浇注结构，且实验装置不可移动，也就无法进行异地实验；③、传统的实验装置通常采用平面的应变模型开展模拟巷道开挖和煤层开采，因此并不具备开展钻屑实验的条件，同时也不具备对钻孔卸压效果进行可视化观察的条件。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种大型三维立体可拆卸钻屑相似模拟实验装置，在实验装置的上方和侧方采用了多个可独立加载的液压加载油缸，用以实现破碎区、塑性区和弹性区的模拟；在实验装置的后方采用了单台动载荷加载油缸，用以模拟矿震等动力灾害对煤岩体应力、应变的影响，提高了实验结果的可信性；通过多个液压加载油缸的独立加载，可开展带煤层倾角时的钻屑实验和钻孔卸压实验，同时采用了全新的加载垫块设计方案，有效避免了边界效应，用以减小实验误差；实验装置整体构成三维立体结构，可以更加准确的模拟煤体的地应力，同时采用大尺寸试样，可以进一步提高钻屑和钻孔卸压相似模拟实验的实验结果的准确性。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种大型三维立体可拆卸钻屑相似模拟实验装置，包括可拆卸式反力框架、顶部液压加载油缸组、侧部液压加载油缸组及后部动载荷加载油缸；所述顶部液压加载油缸组设置在可拆卸式反力框架的顶板下表面，顶部液压加载油缸组内共包含有九个顶部液压加载油缸，九个顶部液压加载油缸全部竖直设置且采用矩阵式均布方式；所述侧部液压加载油缸组设置在可拆卸式反力框架的左侧板或右侧板内表面，侧部液压加载油缸组内共包含有九个侧部液压加载油缸，九个侧部液压加载油缸全部水平设置且采用矩阵式均布方式；所述后部动载荷加载油缸位于可拆卸式反力框架的后侧板外部且独立存在，后部动载荷加载油缸水平设置且活塞杆朝向可拆卸式反力框架的后侧板，与后部动载荷加载油缸的活塞杆正对的可拆卸式反力框架的后侧板上开设有动载荷加载孔；在所述可拆卸式反力框架的底板上表面水平设置有底部支撑垫块，底部支撑垫块上表面用于放置试样；在所述可拆卸式反力框架的后侧板与试样之间设置有后部加载垫块，在可拆卸式反力框架的前侧板与试样之间设置有前部支撑垫块；在所述顶部液压加载油缸组与试样之间设置有顶部加载垫块组，顶部加载垫块组内共包含九个顶部加载垫块，九个顶部加载垫块与九个顶部液压加载油缸的位置一一对应；在所述侧部液压加载油缸组与试样之间设置有侧部加载垫块组，侧部加载垫块组内共包含九个侧部加载垫块，九个侧部加载垫块与九个侧部液压加载油缸的位置一一对应；在所述侧部液压加载油缸组对侧的可拆卸式反力框架的右侧板或左侧板与试样之间设置有侧部支撑垫块；在所述前部支撑垫块及可拆卸式反力框架的前侧板上同轴开设有钻孔。
所述可拆卸式反力框架的顶板与侧板之间、相邻侧板之间、底板与侧板之间均通过螺栓进行连接固定。
在所述可拆卸式反力框架的前侧板中部开设有试样装卸孔，在试样装卸孔内配装有试样装卸盖板，试样装卸盖板与可拆卸式反力框架的前侧板之间通过螺栓进行连接固定，在试样装卸盖板的外表面固定设置有把手；所述钻孔开设在试样装卸盖板上。
所述试样的最大适用尺寸为1000mm×1000mm×1000mm。
在所述底部支撑垫块、后部加载垫块、前部支撑垫块、顶部加载垫块组、侧部加载垫块组及侧部支撑垫块与试样表面之间均设置有减摩层。
在所述顶部加载垫块组内的相邻顶部加载垫块之间、在所述侧部加载垫块组内的相邻侧部加载垫块之间均设置有减摩层。
在所述顶部加载垫块组内，与后部加载垫块相邻的后排三个顶部加载垫块与试样的后部侧立面相平齐，与前部支撑垫块相邻的前排三个顶部加载垫块延伸出试样的前部侧立面。
在所述侧部加载垫块组内，与底部支撑垫块相邻的下排三个侧部加载垫块与试样的底部平面相平齐，与顶部加载垫块组相邻的上排三个侧部加载垫块延伸出试样的顶部平面。
本发明的有益效果：
本发明的大型三维立体可拆卸钻屑相似模拟实验装置，在实验装置的上方和侧方采用了多个可独立加载的液压加载油缸，用以实现破碎区、塑性区和弹性区的模拟；在实验装置的后方采用了单台动载荷加载油缸，用以模拟矿震等动力灾害对煤岩体应力、应变的影响，提高了实验结果的可信性；通过多个液压加载油缸的独立加载，可开展带煤层倾角时的钻屑实验和钻孔卸压实验，同时采用了全新的加载垫块设计方案，有效避免了边界效应，用以减小实验误差；实验装置整体构成三维立体结构，可以更加准确的模拟煤体的地应力，同时采用大尺寸试样，可以进一步提高钻屑和钻孔卸压相似模拟实验的实验结果的准确性。
附图说明
图1为本发明的一种大型三维立体可拆卸钻屑相似模拟实验装置的正向剖视图；
图2为本发明的一种大型三维立体可拆卸钻屑相似模拟实验装置的侧向剖视图；
图3为本发明的一种大型三维立体可拆卸钻屑相似模拟实验装置的俯向剖视图；
图中，1—可拆卸式反力框架，2—顶部液压加载油缸组，3—侧部液压加载油缸组，4—后部动载荷加载油缸，5—动载荷加载孔，6—底部支撑垫块，7—试样，8—后部加载垫块，9—前部支撑垫块，10—顶部加载垫块组，11—侧部加载垫块组，12—侧部支撑垫块，13—钻孔，14—试样装卸盖板，15—把手，16—减摩层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1～3所示，一种大型三维立体可拆卸钻屑相似模拟实验装置，包括可拆卸式反力框架1、顶部液压加载油缸组2、侧部液压加载油缸组3及后部动载荷加载油缸4；所述顶部液压加载油缸组2设置在可拆卸式反力框架1的顶板下表面，顶部液压加载油缸组2内共包含有九个顶部液压加载油缸，九个顶部液压加载油缸全部竖直设置且采用矩阵式均布方式；所述侧部液压加载油缸组3设置在可拆卸式反力框架1的左侧板或右侧板内表面，侧部液压加载油缸组3内共包含有九个侧部液压加载油缸，九个侧部液压加载油缸全部水平设置且采用矩阵式均布方式；所述后部动载荷加载油缸4位于可拆卸式反力框架1的后侧板外部且独立存在，后部动载荷加载油缸4水平设置且活塞杆朝向可拆卸式反力框架1的后侧板，与后部动载荷加载油缸4的活塞杆正对的可拆卸式反力框架1的后侧板上开设有动载荷加载孔5；在所述可拆卸式反力框架1的底板上表面水平设置有底部支撑垫块6，底部支撑垫块6上表面用于放置试样7；在所述可拆卸式反力框架1的后侧板与试样7之间设置有后部加载垫块8，在可拆卸式反力框架1的前侧板与试样7之间设置有前部支撑垫块9；在所述顶部液压加载油缸组2与试样7之间设置有顶部加载垫块组10，顶部加载垫块组10内共包含九个顶部加载垫块，九个顶部加载垫块与九个顶部液压加载油缸的位置一一对应；在所述侧部液压加载油缸组3与试样7之间设置有侧部加载垫块组11，侧部加载垫块组11内共包含九个侧部加载垫块，九个侧部加载垫块与九个侧部液压加载油缸的位置一一对应；在所述侧部液压加载油缸组3对侧的可拆卸式反力框架1的右侧板或左侧板与试样7之间设置有侧部支撑垫块12；在所述前部支撑垫块9及可拆卸式反力框架1的前侧板上同轴开设有钻孔13。
所述可拆卸式反力框架1的顶板与侧板之间、相邻侧板之间、底板与侧板之间均通过螺栓进行连接固定。
在所述可拆卸式反力框架1的前侧板中部开设有试样装卸孔，在试样装卸孔内配装有试样装卸盖板14，试样装卸盖板14与可拆卸式反力框架1的前侧板之间通过螺栓进行连接固定，在试样装卸盖板14的外表面固定设置有把手15；所述钻孔13开设在试样装卸盖板14上。
所述试样7的最大适用尺寸为1000mm×1000mm×1000mm。
在所述底部支撑垫块6、后部加载垫块8、前部支撑垫块9、顶部加载垫块组10、侧部加载垫块组11及侧部支撑垫块12与试样7表面之间均设置有减摩层16。
在所述顶部加载垫块组10内的相邻顶部加载垫块之间、在所述侧部加载垫块组11内的相邻侧部加载垫块之间均设置有减摩层16。
在所述顶部加载垫块组10内，与后部加载垫块8相邻的后排三个顶部加载垫块与试样7的后部侧立面相平齐，与前部支撑垫块9相邻的前排三个顶部加载垫块延伸出试样7的前部侧立面。通过向外伸出的加载垫块，在竖直应力加载过程中，可以有效防止煤岩体变形导致的边界效应。
在所述侧部加载垫块组11内，与底部支撑垫块6相邻的下排三个侧部加载垫块与试样7的底部平面相平齐，与顶部加载垫块组10相邻的上排三个侧部加载垫块延伸出试样7的顶部平面。通过向外伸出的加载垫块，在水平直应力加载过程中，可以有效防止煤岩体变形导致的边界效应。
下面结合附图说明本发明的一次使用过程：
本实施例中，钻孔13的孔径设为70mm。首先组装可拆卸式反力框架1，之后分别将底部支撑垫块6、后部加载垫块8、前部支撑垫块9、顶部加载垫块组10、侧部加载垫块组11、侧部支撑垫块12及试样7安装到位，并保证顶部液压加载油缸组2与顶部加载垫块组10全部一一对齐，同时保证侧部液压加载油缸组3与侧部加载垫块组11全部一一对齐，另外，减摩层16由涂抹了凡士林的铜片制成。
当上述准备工作结束后，最后布置后部动载荷加载油缸4，先将后部动载荷加载油缸4移动到可拆卸式反力框架1的后侧板后方，使后部动载荷加载油缸4的活塞杆准确穿过动载荷加载孔5并顶靠在后部加载垫块8上，之后将动载荷加载油缸4位置进行固定。
当动载荷加载油缸4布置完成后，通过顶部液压加载油缸组2对顶部加载垫块组10进行垂直应力加载，进而实现对试样7的垂直应力加载，三排顶部液压加载油缸可以顺序施加载荷力，也可以同步施加载荷力，用于模拟煤层深度影响或者开挖影响下沿钻孔深度形成的破碎区应力、塑性区应力和弹性区应力；同时通过侧部液压加载油缸组3对侧部加载垫块组11进行水平应力加载，进而实现对试样7的水平应力加载，三排侧部液压加载油缸可以顺序施加载荷力，也可以同步施加载荷力，用于模拟不同煤层的水平应力，应力最高设定为3MPa。另外，所有的液压加载油缸均配置有力传感器和位移传感器，用以实现力加载方式或位移加载方式。
当竖直应力和垂直应力施加到设定之后，启动动载荷加载油缸4，通过动载荷加载油缸4对后部加载垫块8施加水平方向的动载荷，用以模拟矿震等动力灾害对煤岩体应力、应变的影响。
最后，通过预设的钻孔13对试样7进行打孔，收集钻屑，对相关数据进行整理分析，直到建立钻屑和钻孔卸压对煤岩体应力的关系。
实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (8)

1.一种大型三维立体可拆卸钻屑相似模拟实验装置，其特征在于：包括可拆卸式反力框架、顶部液压加载油缸组、侧部液压加载油缸组及后部动载荷加载油缸；所述顶部液压加载油缸组设置在可拆卸式反力框架的顶板下表面，顶部液压加载油缸组内共包含有九个顶部液压加载油缸，九个顶部液压加载油缸全部竖直设置且采用矩阵式均布方式；所述侧部液压加载油缸组设置在可拆卸式反力框架的左侧板或右侧板内表面，侧部液压加载油缸组内共包含有九个侧部液压加载油缸，九个侧部液压加载油缸全部水平设置且采用矩阵式均布方式；所述后部动载荷加载油缸位于可拆卸式反力框架的后侧板外部且独立存在，后部动载荷加载油缸水平设置且活塞杆朝向可拆卸式反力框架的后侧板，与后部动载荷加载油缸的活塞杆正对的可拆卸式反力框架的后侧板上开设有动载荷加载孔；在所述可拆卸式反力框架的底板上表面水平设置有底部支撑垫块，底部支撑垫块上表面用于放置试样；在所述可拆卸式反力框架的后侧板与试样之间设置有后部加载垫块，在可拆卸式反力框架的前侧板与试样之间设置有前部支撑垫块；在所述顶部液压加载油缸组与试样之间设置有顶部加载垫块组，顶部加载垫块组内共包含九个顶部加载垫块，九个顶部加载垫块与九个顶部液压加载油缸的位置一一对应；在所述侧部液压加载油缸组与试样之间设置有侧部加载垫块组，侧部加载垫块组内共包含九个侧部加载垫块，九个侧部加载垫块与九个侧部液压加载油缸的位置一一对应；在所述侧部液压加载油缸组对侧的可拆卸式反力框架的右侧板或左侧板与试样之间设置有侧部支撑垫块；在所述前部支撑垫块及可拆卸式反力框架的前侧板上同轴开设有钻孔。
2.根据权利要求1所述的一种大型三维立体可拆卸钻屑相似模拟实验装置，其特征在于：所述可拆卸式反力框架的顶板与侧板之间、相邻侧板之间、底板与侧板之间均通过螺栓进行连接固定。
3.根据权利要求1所述的一种大型三维立体可拆卸钻屑相似模拟实验装置，其特征在于：在所述可拆卸式反力框架的前侧板中部开设有试样装卸孔，在试样装卸孔内配装有试样装卸盖板，试样装卸盖板与可拆卸式反力框架的前侧板之间通过螺栓进行连接固定，在试样装卸盖板的外表面固定设置有把手；所述钻孔开设在试样装卸盖板上。
4.根据权利要求1所述的一种大型三维立体可拆卸钻屑相似模拟实验装置，其特征在于：所述试样的最大适用尺寸为1000mm×1000mm×1000mm。
5.根据权利要求1所述的一种大型三维立体可拆卸钻屑相似模拟实验装置，其特征在于：在所述底部支撑垫块、后部加载垫块、前部支撑垫块、顶部加载垫块组、侧部加载垫块组及侧部支撑垫块与试样表面之间均设置有减摩层。
6.根据权利要求1所述的一种大型三维立体可拆卸钻屑相似模拟实验装置，其特征在于：在所述顶部加载垫块组内的相邻顶部加载垫块之间、在所述侧部加载垫块组内的相邻侧部加载垫块之间均设置有减摩层。
7.根据权利要求1所述的一种大型三维立体可拆卸钻屑相似模拟实验装置，其特征在于：在所述顶部加载垫块组内，与后部加载垫块相邻的后排三个顶部加载垫块与试样的后部侧立面相平齐，与前部支撑垫块相邻的前排三个顶部加载垫块延伸出试样的前部侧立面。
8.根据权利要求1所述的一种大型三维立体可拆卸钻屑相似模拟实验装置，其特征在于：在所述侧部加载垫块组内，与底部支撑垫块相邻的下排三个侧部加载垫块与试样的底部平面相平齐，与顶部加载垫块组相邻的上排三个侧部加载垫块延伸出试样的顶部平面。
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