基于地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)的煤與瓦斯突出相似模擬試驗(yàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
:
[0001]本發(fā)明涉及一種相似模擬試驗(yàn)方法，尤其涉及地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)與大尺寸三維煤與瓦斯突出相似模擬試驗(yàn)相結(jié)合的試驗(yàn)新方法。
【背景技術(shù)】
:
[0002]我國是世界上煤與瓦斯突出災(zāi)害最為嚴(yán)重的國家之一。
[0003]大量突出地點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)資料表明，煤與瓦斯突出的發(fā)生和復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造的影響有關(guān)。在煤礦采掘過程中，當(dāng)煤層處在地質(zhì)構(gòu)造帶影響區(qū)域內(nèi)，瓦斯地質(zhì)賦存條件復(fù)雜多變，不可預(yù)見因素增多，在掘進(jìn)、揭煤等作業(yè)方式誘導(dǎo)條件下更容易發(fā)生煤與瓦斯突出。
[0004]只有充分認(rèn)識(shí)由采掘工程導(dǎo)致的煤巖體物理平衡狀態(tài)的破壞過程，了解煤與瓦斯突出動(dòng)力災(zāi)害的演變規(guī)律及致災(zāi)機(jī)理，解決煤與瓦斯突出動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的關(guān)鍵科學(xué)問題，才能研宄有效的災(zāi)害預(yù)測、預(yù)報(bào)技術(shù)，達(dá)到有效預(yù)防和控制煤與瓦斯突出動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的目的。
[0005]由于煤與瓦斯突出的嚴(yán)重性和不可操控性，在煤礦現(xiàn)場通過人為誘導(dǎo)突出來研宄突出機(jī)理是不可實(shí)現(xiàn)的。國內(nèi)外許多學(xué)者從上世紀(jì)就開始在實(shí)驗(yàn)室研宄煤與瓦斯突出，并設(shè)計(jì)了許多突出裝置，雖然在一定程度上加深了煤與瓦斯突出機(jī)理研宄的進(jìn)展，但大多數(shù)突出試驗(yàn)仍然是采用型煤或其他各向同性材料進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)，較少考慮地質(zhì)構(gòu)造對(duì)突出的影響。
[0006]目前關(guān)于地質(zhì)構(gòu)造對(duì)煤與瓦斯突出影響的研宄大多數(shù)還是從突出案例的地質(zhì)理論分析和統(tǒng)計(jì)入手。
[0007]為此，在綜合參考同類煤與瓦斯突出試驗(yàn)裝置和巖土工程多功能試驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上，基于相似材料模擬試驗(yàn)思想和地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)新技術(shù)思路，提出了一種基于地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)技術(shù)的煤與瓦斯突出相似模擬試驗(yàn)新方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

:
[0008]本發(fā)明所要解決的問題為:現(xiàn)有的煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)存在尺寸小且使用的為型煤或其他各向同性材料進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)，沒有考慮地質(zhì)構(gòu)造對(duì)煤與瓦斯突出的影響，瓦斯充氣系統(tǒng)難以和實(shí)際煤層瓦斯賦存相一致的缺點(diǎn)。
[0009]為解決上述問題，在地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過向地質(zhì)力學(xué)試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谐淙胪咚箽怏w，設(shè)計(jì)瓦斯面充氣裝置，以實(shí)現(xiàn)地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)和煤與瓦斯突出相似模擬試驗(yàn)的有機(jī)結(jié)合。
[0010]本發(fā)明基于地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)技術(shù)的煤與瓦斯突出相似模擬試驗(yàn)新方法，公開了一種大型三維煤與瓦斯突出相似模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，包括I套三維液壓加載裝置，I個(gè)大型突出模擬試驗(yàn)箱體，I套瓦斯面充氣裝置及其相應(yīng)的瓦斯充氣密封和數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)。
[0011]本發(fā)明在進(jìn)行煤與瓦斯突出相似模擬試驗(yàn)之前，首先根據(jù)礦區(qū)實(shí)際煤巖層的巖性分布和地質(zhì)構(gòu)造情況，在實(shí)驗(yàn)室建立構(gòu)造帶地質(zhì)煤體試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?br>[0012]進(jìn)一步，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)裝材料前之前，首先在試驗(yàn)箱體四周涂以1mm厚的密封膠對(duì)大型突出模擬試驗(yàn)箱體進(jìn)行密封，密封膠凝固后具有強(qiáng)密封性和高彈性，保證箱體耐高壓而不漏瓦斯。
[0013]進(jìn)一步，根據(jù)礦區(qū)的地質(zhì)柱狀圖和巖石力學(xué)參數(shù)測試的結(jié)果，按照相似模擬試驗(yàn)的相似原理，利用所選擇相似常數(shù)換算成模型中的參數(shù)，以抗壓強(qiáng)度為主導(dǎo)指標(biāo)，進(jìn)行相似材料配比。
[0014]進(jìn)一步，根據(jù)所建立的構(gòu)造帶地質(zhì)煤體的試驗(yàn)?zāi)Ｐ停诖笮屯怀瞿M試驗(yàn)箱體中根據(jù)相似材料配比逐層鋪設(shè)試驗(yàn)材料。采用粒徑小于1.5_的河砂作為骨料，石灰、石膏為膠結(jié)料作為相似材料模擬煤層頂?shù)装鍘r層，煤層采用突出煤層中的原煤，構(gòu)造帶煤層使用突出煤樣通過材料配比確定，節(jié)理與斷層均采用云母制取。
[0015]進(jìn)一步，在構(gòu)造帶地質(zhì)煤體物理模型鋪設(shè)完成之后，在預(yù)先設(shè)定的位置安放相應(yīng)的數(shù)據(jù)監(jiān)測傳感器，包括應(yīng)力、位移、溫度、瓦斯壓力和聲發(fā)射等。
[0016]進(jìn)一步，在傳感器和相似模擬材料鋪設(shè)完以后，安裝試驗(yàn)箱體的上蓋和反力架，連接三維液壓加載千斤頂?shù)妮斢凸苈?。同時(shí)，連接瓦斯氣瓶和試驗(yàn)箱體的瓦斯面充氣裝置，可對(duì)突出煤樣實(shí)施均勻“面充氣”，更加逼真地模擬實(shí)際煤層瓦斯來源。
[0017]進(jìn)一步，煤與瓦斯突出相似模擬試驗(yàn)系統(tǒng)安裝完成后保持一定壓力進(jìn)行預(yù)加載，之后在箱體上蓋板上方涂上一層30mm厚的硅膠與四周緊密結(jié)合，形成整體。
[0018]進(jìn)一步，連接數(shù)據(jù)監(jiān)測傳感器并進(jìn)行調(diào)試，保持預(yù)定的載荷進(jìn)行正式加載并充氣48小時(shí)至瓦斯吸附飽和。由此，可進(jìn)行不同誘導(dǎo)方式條件下的含構(gòu)造帶地質(zhì)煤體的煤與瓦斯突出相似模擬試驗(yàn)。同時(shí)，可記錄煤與瓦斯突出發(fā)生發(fā)展過程中的圍巖應(yīng)力、位移、瓦斯壓力和聲發(fā)射變化規(guī)律。
[0019]綜上所述，本發(fā)明的有益效果:利用三維通孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不銹鋼泡沫材料隔離突出模擬試驗(yàn)煤樣和進(jìn)氣孔，實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)煤樣實(shí)施“面充氣”。試驗(yàn)融煤體、巖體、瓦斯和復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造為一體，以模擬斷層、褶曲和構(gòu)造軟分層發(fā)育區(qū)等復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造帶，探索復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造和煤層瓦斯賦存多變條件下煤與瓦斯突出機(jī)理，為構(gòu)造帶煤與瓦斯突出機(jī)理的研宄提供了一條新的思路。
【附圖說明】
:
[0020]圖1為本發(fā)明的突出模擬試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖2為本發(fā)明的瓦斯面充氣裝置組成示意圖。
[0022]圖3為本發(fā)明的相似模擬試驗(yàn)系統(tǒng)及模型巖層分布的組成示意圖。
[0023]其中:1-液壓加載反力架；2_液壓千斤頂；3_大型三維煤與瓦斯突出相似模擬試驗(yàn)裝置箱體；4_巷道開挖口 ；5_瓦斯充氣管路；6_瓦斯面充氣裝置；7_構(gòu)造帶地質(zhì)煤體；8-三維通孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不銹鋼泡沫封條；9_瓦斯面充氣交叉管路網(wǎng)；10_三維通孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不銹鋼泡沫；11_瓦斯面充氣裝置底面不透氣面板；12_應(yīng)力加載；13_數(shù)據(jù)監(jiān)測傳感器；14-相似模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膸r層分布。
【具體實(shí)施方式】
:
[0024]下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0025]實(shí)施例:如圖1、如圖2、圖3所示，該加密型煤與瓦斯突出三維模擬試驗(yàn)裝置，包括液壓加載系統(tǒng)(I)和(2)，試驗(yàn)箱體(3)，I個(gè)瓦斯充氣管路(5)，I組瓦斯面充氣裝置(6)。所述I個(gè)瓦斯充氣管路(5)布置在試驗(yàn)箱體(3)的右下側(cè)，所述I組瓦斯面充氣裝置(6)由I個(gè)瓦斯面充氣裝置底面不透氣面板(11)、面充氣交叉管路網(wǎng)(9)、三維通孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不銹鋼泡沫(10)和三維通孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不銹鋼泡沫封條(8)組成，所述瓦斯面充氣密封裝置(6)與瓦斯充氣管路(5)組合在一起。
[0026]本實(shí)施例，所建立的構(gòu)造帶地質(zhì)煤體試驗(yàn)?zāi)Ｐ?7)，模型中有一落差大于煤層厚度的逆斷層，斷層附近發(fā)育有褶曲，使煤層厚度發(fā)生了變化。根據(jù)某礦區(qū)11-2煤層為試驗(yàn)背景(14)，確定相似模擬材料配比方案。根據(jù)相似材料配比方案制備相似模擬材料在試驗(yàn)箱體(3)中進(jìn)行逐層鋪設(shè)，裝材料前對(duì)試驗(yàn)箱體進(jìn)行密封。
[0027]本實(shí)施例，在構(gòu)造帶地質(zhì)煤體試驗(yàn)?zāi)Ｐ?7)的鋪設(shè)過程中，首先鋪設(shè)煤層的底板巖層和斷層面，然后在底板巖層上方鋪設(shè)斷層下盤，斷層下盤鋪設(shè)過程中在箱體正中間留有溝槽以備后面鋪設(shè)斷層上盤向下彎曲的褶曲用，最后鋪設(shè)斷層上盤和褶曲部分。最后，在預(yù)定位置埋設(shè)數(shù)據(jù)監(jiān)測傳感器(13)。
[0028]本實(shí)施例，在相似模擬材料和數(shù)據(jù)監(jiān)測傳感器(13)鋪設(shè)完以后，加上試驗(yàn)箱體上蓋板，然后按照所需施加應(yīng)力大學(xué)設(shè)計(jì)布置液壓千斤頂(2)并安裝反力架(I)。最后，連接液壓千斤頂?shù)妮斢凸苈泛统錃夤苈?5)。
[0029]本實(shí)施例，試驗(yàn)系統(tǒng)安裝完成后保持一定壓力進(jìn)行預(yù)加載半個(gè)月，之后在箱體上蓋板上方涂上一層30mm厚的硅膠與四周緊密結(jié)合，形成整體。
[0030]本實(shí)施例，連接數(shù)據(jù)監(jiān)測設(shè)備和聲發(fā)射探頭，保持預(yù)定的載荷進(jìn)行正式加載并充氣48小時(shí)至瓦斯吸附飽和。待瓦斯吸附飽和后，打開巷道密封鋼板和膠墊進(jìn)行巷道開挖誘導(dǎo)煤與瓦斯突出。開挖的過程中記錄圍巖應(yīng)力、位移、瓦斯壓力和聲發(fā)射變化規(guī)律。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)技術(shù)的煤與瓦斯突出相似模擬試驗(yàn)新方法，其特征是包括以下步驟: (1)根據(jù)礦區(qū)實(shí)際煤巖層的巖性分布和地質(zhì)構(gòu)造情況，在實(shí)驗(yàn)室建立構(gòu)造帶地質(zhì)煤體試驗(yàn)?zāi)Ｐ停? (2)在試驗(yàn)箱體四周涂以1mm厚的密封膠對(duì)突出模擬試驗(yàn)箱體進(jìn)行密封； (3)根據(jù)礦區(qū)的地質(zhì)柱狀圖和巖石力學(xué)參數(shù)測試的結(jié)果，按照相似模擬試驗(yàn)的相似原理進(jìn)行相似材料配比，根據(jù)所建立的構(gòu)造帶地質(zhì)煤體的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，在試?yàn)箱體中根據(jù)相似材料配比逐層鋪設(shè)試驗(yàn)材料； (4)在構(gòu)造帶地質(zhì)煤體物理模型鋪設(shè)過程中，在預(yù)先設(shè)定的位置安放瓦斯面充氣設(shè)備和相應(yīng)的數(shù)據(jù)監(jiān)測傳感器，包括應(yīng)力、位移、溫度、瓦斯壓力和聲發(fā)射等； (5)在傳感器和相似模擬材料鋪設(shè)完以后，安裝試驗(yàn)箱體的上蓋和反力架，連接三維液壓加載千斤頂?shù)妮斢凸苈?；同時(shí)，連接瓦斯氣瓶和試驗(yàn)箱體的瓦斯面充氣裝置； (6)煤與瓦斯突出相似模擬試驗(yàn)系統(tǒng)安裝完成后保持一定壓力進(jìn)行預(yù)加載半個(gè)月，之后在箱體上蓋板上方涂上一層30mm厚的硅膠與四周緊密結(jié)合，形成整體； (7)連接數(shù)據(jù)監(jiān)測傳感器并進(jìn)行調(diào)試，保持預(yù)定的載荷進(jìn)行正式加載并充氣48小時(shí)至瓦斯吸附飽和，由此，可進(jìn)行不同誘導(dǎo)方式條件下的含構(gòu)造帶地質(zhì)煤體的煤與瓦斯突出相似模擬試驗(yàn)；記錄煤與瓦斯突出發(fā)生發(fā)展過程中的圍巖應(yīng)力、位移、瓦斯壓力和聲發(fā)射變化規(guī)律。
2.如權(quán)利要求1所述的大型三維煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由反力架和液壓加載、試驗(yàn)箱體和巷道開挖、密封和瓦斯面充氣裝置、試驗(yàn)監(jiān)測系統(tǒng)組成；反力架總體尺寸為5660mm(長)X2800mm(寬)X3430mm(高)，試驗(yàn)箱體內(nèi)尺寸為2800mm(長)X2800mm (寬)X 2000mm (高)。
3.如權(quán)利要求2所述的瓦斯面充氣裝置，在其底面不透氣面板上固定縱橫交錯(cuò)的有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的直徑6_的耐高壓并鉆有小孔的銅質(zhì)細(xì)管，在銅質(zhì)細(xì)管之上焊有孔隙孔徑小、透氣而不透粉塵的三維通孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不銹鋼泡沫，以隔離進(jìn)氣孔和煤樣，可保證對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷拿簶舆M(jìn)行均勻的面充氣。
【專利摘要】在參考煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)裝置和巖土工程多功能試驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上，基于相似材料模擬試驗(yàn)思想和地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)技術(shù)思路，提出了一種基于地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)技術(shù)的煤與瓦斯突出相似模擬試驗(yàn)新方法。設(shè)計(jì)了大型三維煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)裝置，主要由反力架(1)和液壓加載(2)、試驗(yàn)箱體(3)和巷道開挖(4)、密封和瓦斯面充氣裝置(6)等組成。通過建立地質(zhì)構(gòu)造煤體試驗(yàn)?zāi)Ｐ?7)，向試驗(yàn)箱體的試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谐淙胪咚箽怏w，以實(shí)現(xiàn)地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)和煤與瓦斯突出相似模擬試驗(yàn)的有機(jī)結(jié)合，融煤體、巖體、瓦斯和復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造為一體，探索復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造和煤層瓦斯賦存多變條件下煤與瓦斯突出機(jī)理，為煤與瓦斯突出機(jī)理的研究提供了一條新的思路。
【IPC分類】G01N33-22
【公開號(hào)】CN104820084
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510246157
【發(fā)明人】高魁, 劉澤功, 劉健
【申請(qǐng)人】安徽理工大學(xué)
【公開日】2015年8月5日
【申請(qǐng)日】2015年5月14日