CN104820084B - 基于地质力学模型试验的煤与瓦斯突出相似模拟试验方法 - Google Patents
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Landscapes
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
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Abstract
在参考煤与瓦斯突出模拟试验装置和岩土工程多功能试验装置的基础上，基于相似材料模拟试验思想和地质力学模型试验技术思路，提出了一种基于地质力学模型试验技术的煤与瓦斯突出相似模拟试验新方法。设计了大型三维煤与瓦斯突出模拟试验装置，主要由反力架(1)和液压加载(2)、试验箱体(3)和巷道开挖(4)、密封和瓦斯面充气装置(6)等组成。通过建立地质构造煤体试验模型(7)，向试验箱体的试验模型中充入瓦斯气体，以实现地质力学模型试验和煤与瓦斯突出相似模拟试验的有机结合，融煤体、岩体、瓦斯和复杂地质构造为一体，探索复杂地质构造和煤层瓦斯赋存多变条件下煤与瓦斯突出机理，为煤与瓦斯突出机理的研究提供了一条新的思路。
Description
技术领域：
本发明涉及一种相似模拟试验方法，尤其涉及地质力学模型试验与大尺寸三维煤与瓦斯突出相似模拟试验相结合的试验新方法。
背景技术：
我国是世界上煤与瓦斯突出灾害最为严重的国家之一。
大量突出地点的统计资料表明，煤与瓦斯突出的发生和复杂地质构造的影响有关。在煤矿采掘过程中，当煤层处在地质构造带影响区域内，瓦斯地质赋存条件复杂多变，不可预见因素增多，在掘进、揭煤等作业方式诱导条件下更容易发生煤与瓦斯突出。
只有充分认识由采掘工程导致的煤岩体物理平衡状态的破坏过程，了解煤与瓦斯突出动力灾害的演变规律及致灾机理，解决煤与瓦斯突出动力灾害发生的关键科学问题，才能研究有效的灾害预测、预报技术，达到有效预防和控制煤与瓦斯突出动力灾害发生的目的。
由于煤与瓦斯突出的严重性和不可操控性，在煤矿现场通过人为诱导突出来研究突出机理是不可实现的。国内外许多学者从上世纪就开始在实验室研究煤与瓦斯突出，并设计了许多突出装置，虽然在一定程度上加深了煤与瓦斯突出机理研究的进展，但大多数突出试验仍然是采用型煤或其他各向同性材料进行重复性试验，较少考虑地质构造对突出的影响。
目前关于地质构造对煤与瓦斯突出影响的研究大多数还是从突出案例的地质理论分析和统计入手。
为此，在综合参考同类煤与瓦斯突出试验装置和岩土工程多功能试验装置的基础上，基于相似材料模拟试验思想和地质力学模型试验新技术思路，提出了一种基于地质力学模型试验技术的煤与瓦斯突出相似模拟试验新方法。
发明内容：
本发明所要解决的问题为：现有的煤与瓦斯突出模拟试验存在尺寸小且使用的为型煤或其他各向同性材料进行重复性试验，没有考虑地质构造对煤与瓦斯突出的影响，瓦斯充气系统难以和实际煤层瓦斯赋存相一致的缺点。
为解决上述问题，在地质力学模型试验的基础上，通过向地质力学试验模型中充入瓦斯气体，设计瓦斯面充气装置，以实现地质力学模型试验和煤与瓦斯突出相似模拟试验的有机结合。
本发明基于地质力学模型试验技术的煤与瓦斯突出相似模拟试验新方法，公开了一种大型三维煤与瓦斯突出相似模拟试验系统，包括1套三维液压加载装置，1个大型突出模拟试验箱体，1套瓦斯面充气装置及其相应的瓦斯充气密封和数据监测系统。
本发明在进行煤与瓦斯突出相似模拟试验之前，首先根据矿区实际煤岩层的岩性分布和地质构造情况，在实验室建立构造带地质煤体试验模型。
进一步，在实验室进行煤与瓦斯突出模拟试验装材料前之前，首先在试验箱体四周涂以10mm厚的密封胶对大型突出模拟试验箱体进行密封，密封胶凝固后具有强密封性和高弹性，保证箱体耐高压而不漏瓦斯。
进一步，根据矿区的地质柱状图和岩石力学参数测试的结果，按照相似模拟试验的相似原理，利用所选择相似常数换算成模型中的参数，以抗压强度为主导指标，进行相似材料配比。
进一步，根据所建立的构造带地质煤体的试验模型，在大型突出模拟试验箱体中根据相似材料配比逐层铺设试验材料。采用粒径小于1.5mm的河砂作为骨料，石灰、石膏为胶结料作为相似材料模拟煤层顶底板岩层，煤层采用突出煤层中的原煤，构造带煤层使用突出煤样通过材料配比确定，节理与断层均采用云母制取。
进一步，在构造带地质煤体物理模型铺设完成之后，在预先设定的位置安放相应的数据监测传感器，包括应力、位移、温度、瓦斯压力和声发射等。
进一步，在传感器和相似模拟材料铺设完以后，安装试验箱体的上盖和反力架，连接三维液压加载千斤顶的输油管路。同时，连接瓦斯气瓶和试验箱体的瓦斯面充气装置，可对突出煤样实施均匀“面充气”，更加逼真地模拟实际煤层瓦斯来源。
进一步，煤与瓦斯突出相似模拟试验系统安装完成后保持一定压力进行预加载，之后在箱体上盖板上方涂上一层30mm厚的硅胶与四周紧密结合，形成整体。
进一步，连接数据监测传感器并进行调试，保持预定的载荷进行正式加载并充气48小时至瓦斯吸附饱和。由此，可进行不同诱导方式条件下的含构造带地质煤体的煤与瓦斯突出相似模拟试验。同时，可记录煤与瓦斯突出发生发展过程中的围岩应力、位移、瓦斯压力和声发射变化规律。
综上所述，本发明的有益效果：利用三维通孔网状结构不锈钢泡沫材料隔离突出模拟试验煤样和进气孔，实现了对煤与瓦斯突出模拟试验煤样实施“面充气”。试验融煤体、岩体、瓦斯和复杂地质构造为一体，以模拟断层、褶曲和构造软分层发育区等复杂的地质构造带，探索复杂地质构造和煤层瓦斯赋存多变条件下煤与瓦斯突出机理，为构造带煤与瓦斯突出机理的研究提供了一条新的思路。
附图说明：
图1为本发明的突出模拟试验装置结构示意图。
图2为本发明的瓦斯面充气装置组成示意图。
图3为本发明的相似模拟试验系统及模型岩层分布的组成示意图。
其中：1-液压加载反力架；2-液压千斤顶；3-大型三维煤与瓦斯突出相似模拟试验装置箱体；4-巷道开挖口；5-瓦斯充气管路；6-瓦斯面充气装置；7-构造带地质煤体；8-三维通孔网状结构不锈钢泡沫封条；9-瓦斯面充气交叉管路网；10-三维通孔网状结构不锈钢泡沫；11-瓦斯面充气装置底面不透气面板；12-应力加载；13-数据监测传感器；14-相似模拟试验模型的岩层分布。
具体实施方式：
下面结合附图与具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例：如图1、如图2、图3所示，该加密型煤与瓦斯突出三维模拟试验装置，包括液压加载系统(1)和(2)，试验箱体(3)，1个瓦斯充气管路(5)，1组瓦斯面充气装置(6)。所述1个瓦斯充气管路(5)布置在试验箱体(3)的右下侧，所述1组瓦斯面充气装置(6)由1个瓦斯面充气装置底面不透气面板(11)、面充气交叉管路网(9)、三维通孔网状结构不锈钢泡沫(10)和三维通孔网状结构不锈钢泡沫封条(8)组成，所述瓦斯面充气密封装置(6)与瓦斯充气管路(5)组合在一起。
本实施例，所建立的构造带地质煤体试验模型(7)，模型中有一落差大于煤层厚度的逆断层，断层附近发育有褶曲，使煤层厚度发生了变化。根据某矿区11-2煤层为试验背景(14)，确定相似模拟材料配比方案。根据相似材料配比方案制备相似模拟材料在试验箱体(3)中进行逐层铺设，装材料前对试验箱体进行密封。
本实施例，在构造带地质煤体试验模型(7)的铺设过程中，首先铺设煤层的底板岩层和断层面，然后在底板岩层上方铺设断层下盘，断层下盘铺设过程中在箱体正中间留有沟槽以备后面铺设断层上盘向下弯曲的褶曲用，最后铺设断层上盘和褶曲部分。最后，在预定位置埋设数据监测传感器(13)。
本实施例，在相似模拟材料和数据监测传感器(13)铺设完以后，加上试验箱体上盖板，然后按照所需施加应力大学设计布置液压千斤顶(2)并安装反力架(1)。最后，连接液压千斤顶的输油管路和充气管路(5)。
本实施例，试验系统安装完成后保持一定压力进行预加载半个月，之后在箱体上盖板上方涂上一层30mm厚的硅胶与四周紧密结合，形成整体。
本实施例，连接数据监测设备和声发射探头，保持预定的载荷进行正式加载并充气48小时至瓦斯吸附饱和。待瓦斯吸附饱和后，打开巷道密封钢板和胶垫进行巷道开挖诱导煤与瓦斯突出。开挖的过程中记录围岩应力、位移、瓦斯压力和声发射变化规律。
Claims (3)
1.一种基于地质力学模型试验技术的煤与瓦斯突出相似模拟试验方法，其特征是包括以下步骤：
(1)根据矿区实际煤岩层的岩性分布和地质构造情况，在实验室建立构造带地质煤体试验模型；
(2)在试验箱体四周涂以10mm厚的密封胶对突出模拟试验箱体进行密封；
(3)根据矿区的地质柱状图和岩石力学参数测试的结果，按照相似模拟试验的相似原理进行相似材料配比，根据所建立的构造带地质煤体的试验模型，在试验箱体中根据相似材料配比逐层铺设试验材料；
(4)在构造带地质煤体物理模型铺设过程中，在预先设定的位置安放瓦斯面充气设备和相应的数据监测传感器，包括应力、位移、温度、瓦斯压力和声发射；
(5)在传感器和相似模拟材料铺设完以后，安装试验箱体的上盖和反力架，连接三维液压加载千斤顶的输油管路；同时，连接瓦斯气瓶和试验箱体的瓦斯面充气装置；
(6)煤与瓦斯突出相似模拟试验系统安装完成后保持一定压力进行预加载半个月，之后在箱体上盖板上方涂上一层30mm厚的硅胶与四周紧密结合，形成整体；
(7)连接数据监测传感器并进行调试，保持预定的载荷进行正式加载并充气48小时至瓦斯吸附饱和，由此，可进行不同诱导方式条件下的含构造带地质煤体的煤与瓦斯突出相似模拟试验；记录煤与瓦斯突出发生发展过程中的围岩应力、位移、瓦斯压力和声发射变化规律。
2.实现权利要求1中的煤与瓦斯突出相似模拟试验方法的大型三维模拟试验系统，该系统主要由液压加载反力架、三维加载千斤顶、三维试验箱体、巷道开挖口、瓦斯面充气装置和试验监测系统组成；反力架总体尺寸为5660mm(长)×2800mm(宽)×3430mm(高)，试验箱体内尺寸为2800mm(长)×2800mm(宽)×2000mm(高)。
3.如权利要求2的所述的模拟试验系统，其特征在于瓦斯面充气装置，在其底面不透气面板上固定纵横交错的有网状结构的直径6mm的耐高压并钻有小孔的铜质细管，在铜质细管之上焊有孔隙孔径小、透气而不透粉尘的三维通孔网状结构不锈钢泡沫，以隔离进气孔和煤样，可保证对试验模型的煤样进行均匀的面充气。
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
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