本发明涉及煤与瓦斯共采技术领域，特别是涉及一种煤体瓦斯抽采钻孔失稳判别试验装置及方法。
背景技术：
瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出是我国煤矿灾害事故的主要类型之一，瓦斯超限问题一直威胁着矿井的安全高效生产，因此，提高钻孔抽采效率对于现场安全高效生产具有重要意义。
但是，由于松软煤体经过一些强烈的地质构造运动和采动影响，导致钻孔周围应力重新分布使孔周煤体进一步错位，已经成形的钻孔发生坍塌，瓦斯涌出渠道及流动通道堵塞，造成瓦斯抽采率大幅降低，抽采效果不理想，危及煤炭开采安全进行。
针对松软煤层瓦斯抽放钻孔容易变形、坍塌问题，目前尚且没有一种合理的再现采动应力对钻孔稳定性影响的试验平台，现有的物理模拟试验台大多机械化程度不高，多采用人为制作钻孔，对于钻孔内部应力的变化规律没有好的监测手段。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种煤体瓦斯抽采钻孔失稳判别试验装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，用于进一步研究采动应力对瓦斯抽采钻孔的变形破坏规律，更好地提高钻孔的瓦斯抽采率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种煤体瓦斯抽采钻孔失稳判别试验装置，包括承载支架、钻孔装置和数据测试与采集系统；所述承载支架上设置有试验箱，所述试验箱包括底板，所述底板两端对称安装有固定挡板，两个所述固定挡板之间设置有钢化玻璃板，所述固定挡板顶端连接有上盖，所述上盖等间距的设置有多个液压加载油缸；所述钻孔装置包括钻机，所述钻机侧壁上活动连接有升降油缸，所述钻机端部安装有钻杆；所述数据测试与采集系统包括推进杆和依次串联的应力传感器，所述应力传感器通过集中器连接有计算机。
可选的，一端的所述固定挡板外壁上安装有上盖打开油缸，所述上盖打开油缸与所述上盖一端固定连接；所述上盖另一端安装有上盖锁紧油缸，所述上盖锁紧油缸能够与另一端的所述固定挡板外壁固定连接。
可选的，所述承载支架上安装有倾转油缸，所述倾转油缸与所述底板固定连接。
可选的，所述倾转油缸能够控制所述底板翻转角度为0～45°。
可选的，所述固定挡板与所述钢化玻璃板通过电子自动锁扣固定连接。
可选的，所述钻机的侧壁与所述升降油缸采用钻机倾转轴活动连接；所述钻机上开设有散热口。
可选的，所述应力传感器上安装有数据采集PCB板。
可选的，所述试验箱尺寸长×宽×高分别为2000×500×1200mm。
本发明还提供一种煤体瓦斯抽采钻孔失稳判别试验方法，包括如下步骤：
步骤一：依据数据资料，按照相似比1：100搭建模拟试验台，使用云母片对岩层做分层处理；
步骤二：制作模拟地层材料，在承载支架前后面分别安装第一层槽钢，在第一层槽钢内铺设模拟材料，并压实，然后在第一层压实材料表面制作节理并均匀撒云母片分层；以此类推，当模拟材料逐层将第一层槽钢装满后安装第二层槽钢，在第二层槽钢内铺设模拟材料，并压实，然后在每层压实材料表面制作节理并均匀撒云母片分层；
步骤三：通过容重、埋深计算出现场所采煤层所处的实际压力，按照相似比用液压系统对实验模型进行加载达到目标压力并保持稳压，直到相似模拟材料晾干达到设计要求，然后拆除一侧槽钢，清理相似模拟材料表面，将钢化玻璃板固定在相似物理模型框架的两个固定挡板上；
步骤四：利用钻孔装置根据实验要求选取不同钻杆，通过调整钻机倾转轴和升降油缸对所采煤层制作不同条件的钻孔，然后对声发射系统，钻孔超声波成像系统，钻孔应力传感器进行检查和校准，保证所有试验仪器的可靠性与灵敏度，最后在不同钻孔中分别布置探头和应力传感器；
步骤五：模拟现场工作面开采，同时采用探头对采动影响下钻孔周围岩体完整性及裂隙发育程度进行实时采集；利用声发射技术对钻孔内部的损伤位置进行准确定位；通过钻孔应力传感器监测钻孔内不同点所受的采动应力，从而分析超前采动应力对钻孔各段的影响。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明的实验装置能有效的模拟采动影响下围岩应力导致的钻孔周围裂隙演化过程，分析钻孔在采动过程中的变形破坏机理；试验台采用多支液压缸对试验台实现多点加载，保证了岩层垮落造成上表面不平整时上覆荷载可以及时补充；测试技术优化，采用了先进的钻孔超声波成像测试技术处理数据可得到孔壁三维立体图；此外，采用自主研发的微型多点应力传感器串联布置，进一步测试钻孔内不同点的应力变化；钻孔方式优化，自行设计钻孔装置可以实现钻孔角度和位置的准确定位，极大降低了手工钻孔的误差。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的煤体瓦斯抽采钻孔失稳判别试验装置的结构示意图；
图2为钢化玻璃板的结构示意图；
图3为槽钢的结构示意图；
图4为钻孔装置的结构示意图；
图5为数据测试与采集系统布置示意图；
附图标记说明：1—上盖打开油缸，2—上盖，3—承载支架，4—轻质槽钢，5—上盖锁紧油缸，6—液压加载油缸，7—倾转油缸，8-钢化玻璃板，9-电子自动锁扣，10—固定挡板，11—钻孔装置，12—钻杆，13—钻机倾转轴，14—升降油缸，15—应力传感器，16—数据采集PCB板，17—钻机，18—散热口，19—通讯线，20—计算机，21—集中器，22—推进杆，23—底板。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种煤体瓦斯抽采钻孔失稳判别试验装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，用于进一步研究采动应力对瓦斯抽采钻孔的变形破坏规律，更好地提高钻孔的瓦斯抽采率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的目的是提供一种煤体瓦斯抽采钻孔失稳判别试验装置，如图1-图5所示，包括承载支架3、液压加载系统、钻孔装置11和数据测试与采集系统；承载支架3上设置有试验箱，试验箱包括底板23，底板23两端对称安装有固定挡板10，两个固定挡板10之间设置有钢化玻璃板8，固定挡板10顶端连接有上盖2，上盖2等间距的设置有多个液压加载油缸6；钻孔装置11包括钻机17，钻机17侧壁上通过钻机倾转轴13活动连接有升降油缸14，钻机17端部安装有钻杆12；数据测试与采集系统包括推进杆22和通过通讯线19依次串联的应力传感器15，应力传感器15通过集中器21连接有计算机20。
位于一端的固定挡板10外壁上安装有上盖打开油缸1，上盖打开油缸1与上盖2一端固定连接；上盖2另一端安装有上盖锁紧油缸5，上盖锁紧油缸5能够与另一端的固定挡板10外壁固定连接。承载支架3上安装有倾转油缸7，倾转油缸7与底板23固定连接；倾转油缸7能够控制底板23带动试验箱翻转角度为0～45°；固定挡板10与钢化玻璃板8通过电子自动锁扣9固定连接。
钻机17上开设有散热口18。应力传感器15上安装有数据采集PCB板16。试验箱尺寸长×宽×高分别为2000×500×1200mm。
具体的，承载支架3采用整体试验箱，有效模拟尺寸长×宽×高分别为2000×500×1200mm，箱体四周用高强度框架结构，在试验箱体底部和侧面用整体面板以保证在箱体运动过程中的强度，不会产生变形。试验箱底部采用液压缸支撑可控制试验箱倾角最大可达45°。在2000×1200mm的两个面分别采用单面12块2000×100mm的铝合金型材，固定形式采用电子自动锁扣9。为进一步满足试验要求，通过倾转油缸7控制试验箱最大可倾斜45°。
液压加载系统，其加载方式采用液压多点加压，每个加压点即液压加载油缸6分别独立控制，加载压力为20T，加载装置与试验箱体形成一个整体，以实现在倾角变化中始终保证与试验箱形成垂直压力和恒压20T。
钻孔装置11主要包括电钻和夹持器，可以有效避免人为钻孔所导致的偏差，夹持器能有效固定钻机17并且准确调整钻孔角度，此外，钻机17可以更换不同长度、直径和类型的钻杆12，从而满足不同钻孔的实验要求。
数据测试与采集包括钻孔超声波成像系统、应力传感器15和声发射测试系统组成。其中，应力传感器15主要由四个点应力传感器串联布置，通过推进杆22送入钻孔内，每个传感器独立感应钻孔内轴向对称两个方向的工作压力数据，压力量程设计为50kg。声发射系统对试验过程中煤岩的损伤位置进行准确定位，通过累计事件数定量表征采动应力对钻孔产生的损伤。钻孔超声波成像系统包括数据采集控制主机系统、计算机显示系统，核心部分为ABI40探头，采用了先进的声波束聚焦技术、数字记录技术和数字化数据处理技术等，是一种高分辨率的钻孔成像仪器，分辨率为0.1mm裂隙隙宽，探头检测结构面倾向倾角精度为±0.5°，发射的超声波频率1.2MHz，超声波束尺寸1.5mm×1.5mm，测试操作和数据记录全部由Mslog软件系统自动控制，依靠WellCAD对数据进行分析处理。
本发明的煤体瓦斯抽采钻孔失稳判别试验装置的操作步骤为：
步骤一：熟悉所研究矿井的地质条件及开采技术，依据收集到的资料，设计每个模拟地层的相似物理模拟材料的配比，以实际矿山为原型，用河沙，石膏，淀粉等与天然岩石物理力学性质相似的人工材料，按照相似比1：100搭建模拟试验台，使用云母片对岩层做分层处理。确定本实验所研究的变量，如：钻孔直径、钻孔倾角、钻孔类型、推进速率和煤层倾角等因素，为了更加符合现场实际工作情况，研究不同推进速度下采动应力对不同条件钻孔的破坏失稳。
步骤二：按照相似模拟材料配比制作模拟地层材料，在相似物理模型的承载支架3前后面分别安装第一层的轻质槽钢4，在第一层轻质槽钢4内铺设模拟材料，并采用平板手提抹光机压实，然后在第一层压实材料表面制作节理并均匀撒云母片分层；以此类推，当模拟材料逐层将第一层轻质槽钢4装满后安装第二层轻质槽钢4，在第二层轻质槽钢4内铺设模拟材料，并采用平板手提抹光机压实，然后在每层压实材料表面制作节理并均匀撒云母片分层。
步骤三：通过容重、埋深计算出现场所采煤层所处的实际压力，按照相似比用液压加载油缸6对实验模型进行加载达到目标压力并保持稳压，直到相似模拟材料晾干达到设计要求，然后拆除一侧的轻质槽钢4，清理相似模拟材料表面，将钢化玻璃板8固定在相似物理模型框架的左右两个固定挡板10上。
步骤四：利用钻孔装置11根据实验要求选取不同钻杆12通过调整钻机倾转轴13和升降油缸14对所采煤层制作不同条件的钻孔，然后对声发射系统，钻孔超声波成像系统，应力传感器15进行检查和校准，保证所有试验仪器的可靠性与灵敏度，最后在不同钻孔中分别布置ABI40探头和多点应力传感器。
步骤五：按一定的开挖速率模拟现场工作面开采，同时采用ABI40探头对采动影响下钻孔周围岩体完整性及裂隙发育程度进行实时采集；利用声发射技术对钻孔内部的损伤位置进行准确定位；通过钻孔应力传感器监测钻孔内不同点所受的采动应力，从而分析超前采动应力对钻孔各段的影响。
整理分析上述测试手段采集到的实验资料，首先，通过对实验各阶段的钻孔表面裂隙图片做二值化处理，分析裂隙演化过程得出钻孔失稳的表面破坏形态特征；其次，通过各个钻孔内的应力传感器采集到的数据，绘制不同钻孔所受的采动应力随距离变化曲线，对比不同测点得到的超前支承应力降低区、增高区和稳定区，定量地得出钻孔破坏的应力变化曲线；然后，利用不同密度和强度的物质对超声波的反射能力不同，颜色的深浅和变化反映了超声波反射信号的强弱，即反映了钻孔孔壁岩性和强度的差异性，因此，通过系统软件WellCAD对测试数据进行处理，得到孔壁超声波成像三维立体图、孔壁超声波成像平面展开图、钻孔壁结构面统计图节理裂隙统计极点图，从而准确地评价钻孔岩体完整性及裂隙发育程度。最后，通过声发射累计事件数定量表征采动过程对钻孔稳定性的影响，进一步准确定位钻孔周围煤体内部损伤微裂隙的分布情况。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。