一种煤层钻孔卸压室内模拟试验系统与方法

1.本发明属于岩土工程室内试验技术领域，更具体涉及一种煤层钻孔卸压室内模拟试验系统与方法。


背景技术：

2.公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
3.随着煤炭资源开采深度和开采强度的增加，煤矿冲击地压等动力灾害发生频度和强度日益加剧，严重威胁着煤矿的安全生产。冲击地压的发生与煤岩体的应力状态有着紧密的关系，其本质就是煤岩体在高应力状态下达到极限承载力突然失稳破坏，储存的弹性变形能瞬间释放而产生煤岩体抛射和爆炸现象。因此，根据冲击地压应力控制理论，采用一定的临场解危方法弱化和转移采场的局部高应力状态，对于冲击地压灾害的防治具有重要的意义。由于钻孔卸压具有工艺简单、操作便捷、施工速度快等优点，在转移巷道周边高应力的同时，为煤层中提供了新的自由面，使得钻孔周围裂隙贯通发育处于低应力状态，为煤岩膨胀变形提供了补偿空间。因此，该技术在实际工程中得到了广泛应用。
4.对钻孔卸压机理以及合理钻孔参数的深入研究具有重要的科学意义和工程应用价值。室内煤岩钻孔卸压试验是一个重要的研究手段，然而，以往针对室内钻孔卸压实验的报道大多都是针对含预制圆孔的岩样进行力学试验，未考虑实际工程中煤岩体在未打设钻孔时所处的实际应力状态的影响，不能够反映真实受力状态下钻孔卸压效果。随着工作面的向前推进，工作面前方的煤岩体应力状态逐渐升高，当应力达到多少时进行钻孔卸压效果最好仍是个尚不明确的难题。另一方面，由于大尺寸煤岩试样较难制备，在实验室很难开展较为全面的煤岩钻孔卸压试验。以上所存在的不足，造成了对围岩钻孔卸压机理、钻孔参数优化以及钻孔卸压效果评价方法的研究仍然不够深入。其主要原因是缺乏有效的钻孔卸压室内实验设备及方法。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的主要问题是针对上述研究中存在的不足，为进一步深入研究围岩钻孔卸压防冲机理、参数优化以及效果评价等，提供一种试验系统和试验方法。
6.为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
7.本发明的第一个方面，提供了一种煤层钻孔卸压室内模拟试验系统，包括：力学加载装置1、钻孔装置、外部监测装置27，所述力学加载装置的测试平台上设置有刚性垫块2，所述刚性垫块2与钻孔装置固定相连，所述钻孔装置钻头垂直于力学加载装置的应力加载方向，所述钻头的高度和水平位置可调，钻头可前后移动；所述外部监测装置27位于钻孔装置一侧，实时采集钻孔处应变场演化特征。
8.本发明提出了一种煤层钻孔卸压室内模拟试验系统及方法，可对钻孔卸压防冲机
理的深入研究提供试验支撑。
9.在一些实施例中，所述钻孔装置包括钻孔机4、纵向齿轮齿条传动机构28、横向齿轮齿条传动机构29和竖向齿轮齿条传动机构30；所述的横向齿轮齿条传动机构29的齿轮套26外边固定设置有竖向齿轮齿条传动机构30，所述竖向齿轮齿条传动机构30的齿轮套9前端与所述钻孔机4相连，所述横向齿轮齿条传动机构29的两端分别与纵向齿轮齿条传动机构28的齿轮相连。
10.在一些实施例中，所述纵向齿轮齿条传动机构28包括两条平行设置的齿条，每条齿条5与齿轮啮合，所述齿轮的轴承与伺服电机7相连，所述齿轮外侧设置有齿轮套25，所述齿条的两端设置有限位块6。
11.在一些实施例中，所述横向齿轮齿条传动机构29和竖向齿轮齿条传动机构30分别由齿条13、8、齿轮、手动把手31、32、齿轮套9、26组成；所述齿条13、8与齿轮啮合，齿轮的轴与手动把手31、32相连，所述齿轮设置在齿轮套9、26内。
12.在一些实施例中，所述刚性垫块2通过承载架与纵向齿轮齿条传动机构28相连。
13.在一些实施例中，所述承载架包括钢板3和竖向可收缩支架10；所述钢板3的一端与刚性垫块2的外侧相连，所述钢板3还与齿条5相连，所述钢板3的另一端与竖向可收缩支架10相连。
14.在一些实施例中，所述竖向可收缩支架10含有三级伸缩管，且二级和三级缩管上设置有定位孔12。
15.在一些实施例中，所述限位块6的底部设有一个长方形卡槽15，分别与承载架前端钢板3以及竖向可伸缩支架10的连接。
16.本发明的第二个方面，提供了一种煤层钻孔卸压室内模拟试验方法，包括：
17.在待测的类煤岩试样表面制作散斑；
18.将待测的类煤岩试样布设在任一上述的系统上，采用外部监测装置进行全程观测；
19.对所述试样施加水平的轴向荷载，维持轴向荷载，根据实验要求对类煤岩试样实施钻孔；
20.钻孔完成后，退出钻具；
21.给试验机设定位移上限值，对试样继续加载，直至试样破坏；
22.收集试验数据，进行钻孔卸压效果评价。
23.本发明的第三个方面，提供了任一上述的系统在煤炭资源开采中的应用。
24.本发明的有益效果在于：
25.(1)钻孔装置由各个部件组装而成，结构简单且易于组装，适用于各种室内实验条件。
26.(2)钻孔机的移动均采用齿轮齿条进行传动，通过布设三个齿轮齿条传动机构，可实现钻孔机在前后、上下、左右各个方向上进行移动，可根据试验方案所定的各种钻孔布设方式对岩样快速的精准实施钻孔，避免了手持式钻孔机在钻孔过程中不能保证直线钻进、易晃动、费时费力等缺点。
27.(3)本发明的试验系统及试验方法能够在室内进行钻孔卸压试验时能够实时按照试验方案进行钻孔。并考虑岩样在受到特定水平的预荷载之后再进行钻孔对岩样强度、破
坏形式等的影响。通过dic高速摄像系统，能够及时准确记录钻孔前、钻孔时以及钻孔后岩样的应变场、位移场的演化。该发明可考虑多种试验条件，解决了现场钻孔卸压条件单一、效果难以评价，复杂条件下卸压机理不清，卸压参数设计缺少依据的问题。
28.(4)本技术的操作方法简单、成本低、具有普适性，易于规模化生产。
附图说明
29.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
30.图1为钻孔卸压试验系统整体主视结构图；
31.图2为钻孔装置俯视结构图；
32.图3为刚性垫块；
33.图4为支撑架前端钢板主视结构图；
34.图5为限位块主视和侧视结构图；
35.图6为纵向齿轮齿条传动机构的齿条主视和俯视结构图；
36.图7为竖向可伸缩支架主视结构图；
37.附图标记说明：
38.1—力学加载装置；2—刚性垫块；3—承载架前端钢板；4—钻孔机；5—纵齿条；6—限位块；7—伺服电机；8—竖向齿条；9—竖向齿轮套；10—竖向可伸缩支架；11—定位阀；12—定位孔；13—横向齿条；14—钢板尾部螺栓孔；15—限位块底部卡槽；16—限位块两侧螺栓孔；17—钢板中部螺栓孔；18—螺栓；19—插鞘；20—纵向齿条端部卡槽；21—纵向齿条尾部卡槽；22—纵向齿条端部螺栓孔；23—纵向齿条尾部螺栓孔；24—刚性垫块螺栓孔；25—纵向齿轮套；26—横向齿轮套；27—外部监测装置；28—纵向齿轮齿条传动机构；29—横向齿轮齿条传动机构；30—竖向齿轮齿条传动机构；31—手动把手。
具体实施方式
39.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
40.一种煤层钻孔卸压室内模拟试验系统及方法，该方法包括以下装置和步骤：
41.包括力学加载装置、钻孔装置、外部监测装置。力学加载装置为室内力学试验机，即常用的单轴和双轴压缩力学试验机。钻孔装置包括刚性垫块、承载架、钻孔机、齿轮齿条传动机构等。承载架由钢板、齿条、和竖向可收缩支架组成。齿轮齿条传动机构按行进方向和功能不同，分为纵向齿轮齿条传动机构、横向齿轮齿条传动机构和竖向齿轮齿条传动机构。纵向齿轮齿条传动机构由齿条、齿轮、轴承、伺服电机、齿轮套、限位块等构成；横向和竖向齿轮齿条传动机构由齿条、齿轮、手动把手、齿轮套、限位块等构成。
42.如上所述的刚性垫块，刚性垫块放置于试验机底部支座上，刚性垫块两侧各设有螺栓孔，用于与承载架前端的钢板连接。
43.如上所述的承载架，承载架两侧从前端到后端分别为带有螺栓孔的矩形钢板，纵向齿轮齿条传动机构，竖向可收缩支架。
44.如上所述的钻孔机，钻孔机的钻杆上刻有毫米级刻度，用于控制钻孔的深度。
45.如上所述的钢板，钢板尾部还设置有一个螺栓孔，用于与纵向齿轮齿条传动机构连接为一个整体。
46.如上所述的承载架，承载架的前端钢板的尾部还设置有一个螺栓孔，将钢板与纵向齿轮齿条传动机构、以及纵向齿轮齿条传动机构与竖向可收缩支架均在设置限位块的位置处通过螺栓进行连接。
47.如上所述的竖向可伸缩支架，竖向可伸缩支架顶部置于地面，起支撑作用。顶部突出一个与纵向齿条尾部的卡槽尺寸相适应的插鞘，用于与齿轮齿条传动机构的末端相连。放置于地面，起支撑作用。
48.如上所述的齿轮齿条传动机构，纵向齿条传动机构用于钻孔时向前推进，横向齿条传动机构和竖直传动机构用于钻孔时按需调整钻孔机方位。
49.如上所述的齿轮齿条传动机构，齿条固定不动，通过伺服电机或人工转动把手控制齿轮在齿条上做直线运动；齿轮套为边长大于齿轮直径的一个箱体，起分隔保护作用；限位块固定于齿条的两端，防止齿轮在行进过程中由于惯性脱离齿条。
50.如上所述的限位块，限位块底部设有一个长方形卡槽，可将纵向齿条嵌入其中。在承载架前端钢板与纵向齿轮齿条传动机构的连接处，可将钢板的尾部的一部分嵌入纵向齿条的卡槽中，然后使用螺栓紧固。
51.如上所述的横向齿轮齿条传动机构，其两端与纵向齿轮齿条传动机构的齿轮相连接，通过伺服电机控制纵向齿轮齿条传动机构的齿轮运动，进而使得横向齿轮齿条传动机构沿纵向前后移动。
52.需要说明的是，本技术中纵向传动的齿条是水平设置的。
53.如上所述的横向齿轮齿条传动机构，横向齿轮齿条传动机构的齿轮套两侧边缘均设置一个凹槽，齿轮套的前端固定安置一个竖向齿轮齿条传动机构。
54.如上所述的竖向齿轮齿条传动机构，竖向齿轮齿条传动机构的齿轮套前端连接一个钻孔机，后端为开口形式，用于与横向齿轮齿条传动机构的齿轮套两侧的凹槽扣接。其中，竖向齿轮齿条传动机构的齿轮套采用分体式设计，齿轮套的后端与竖齿条固定连接，齿轮套的前端与齿轮固定连接，从而使钻孔机随着齿轮的移动沿竖齿条上下运动。
55.所述的竖向可伸缩支架10含有三级伸缩管，且二级和三级缩管上设置有定位孔12，用于调节竖向支架的高度。
56.所述的横向齿轮齿条传动机构29的长度与刚性垫块2的长边的长度一致，横向齿轮齿条传动机构29的两端与纵向齿轮齿条传动机构28的齿轮连接，通过伺服电机7驱动滑轮在纵向齿条上运动5，从而使得横向齿轮齿条传动机构29向前运动。
57.一种煤层钻孔卸压室内模拟试验方法，包括以下步骤：
58.步骤1：将在工程现场选取的煤岩岩样制备3个尺寸为圆柱形标准试样，并进行单轴压缩试验，获得其单轴抗压强度平均值、弹性模量、泊松比等力学性能指标。
59.步骤2：根据相似理论，以步骤1中获得的原煤标准试样的力学性能参数为参照，制备尺寸为圆柱形水泥砂浆类煤岩材料试样，通过调整类煤岩混合料配合比，使其力学性能与原煤试样接近。
60.步骤3:根据步骤2所得到的最终的类煤岩材料的配合比，制备一批尺寸为200mm
×
100mm
×
100mm的类煤岩试块，并在试样表面制作散斑，用于dic应变测量。
61.步骤4：布设上述实验系统，实验过程中采用dic技术进行全程观测。
62.步骤5:将类煤岩试样放置于刚性垫块上方，启动试验机，根据煤的冲击倾向性测试规程，设定试验机加载速率为0.5mpa/s～1.0mpa，对试样预先施加不同水平的轴向荷载，该预加荷载的值可根据现场采动应力实测结果进行确定。
63.步骤6：维持轴向荷载，按照试验所设计的钻孔大小、布置方式及位置，选择合适的钻具，使用如上所述的钻孔装置对类煤岩试样实施钻孔。
64.步骤7：钻孔完成后，为避免外部因素扰动，待钻孔机稳定一段时间后，慢慢退出钻具。
65.给试验机设定位移上限值，试验机以0.5mpa/s～1.0mpa的速率对试样继续加载，直至试样破坏。
66.步骤8：试验数据整理。
67.步骤9：根据试验结果，进行钻孔卸压效果评价。
68.所述的一种煤层钻孔卸压室内模拟试验方法，所述的步骤9中的钻孔卸压效果评价是通过两种方法进行评价：一是根据外部监测装置dic高速摄像系统所获得的应变场演化特征进行评价；二是根据试样的冲击倾向性指标特征进行评价。
69.所述的钻孔卸压效果评价方法，所述的由dic技术获得的试样加载过程中应变场演化规律的评价方法，是通过定义钻孔周围主要应变扰动区(压应变扰动区和拉应变扰动区)像素点面积进行评价，该扰动面积越大，该钻孔方案产生的卸压区面积越大，卸压效果越好。
70.所述的钻孔卸压效果评价方法，所述的试样冲击倾向性指标特征的卸压效果评价方法，是基于试验机产生的实验数据，根据国家标准《冲击地压测定，监测与防治方法》第2部分：煤的冲击倾向性分类及指数的测定方法中所规定的方法计算试样的冲击倾向性指标dt(动态破坏时间)、w
et
(弹性能量指数)、ke(冲击能量指数)、rc(单轴抗压强度)，并根据标准中冲击倾向性综合评判结果表对试样的冲击倾向性进行综合判定。若试样的冲击倾向性越小，则表明该钻孔方案有效降低了试样的冲击倾向性，钻孔卸压效果越好。
71.下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。
72.实施例1：
73.一种煤层钻孔卸压室内模拟试验系统，包括力学加载装置1、钻孔装置、外部监测装置。力学加载装置1为室内力学试验机，即常用的单轴和双轴压缩力学试验机。钻孔装置包括刚性垫块2、承载架、钻孔机4、齿轮、齿条传动机构等。承载架由钢板3、齿条、和竖向可收缩支架10组成。齿轮、齿条传动机构按行进方向和功能不同，分为纵向齿轮齿条传动机构28、横向齿轮齿条传动机构29和竖向齿轮齿条传动机构30。纵向齿轮齿条传动机构28由齿条、齿轮5、轴承、伺服电机7、齿轮套25、限位块6等构成；横向29和竖向齿轮齿条传动机构30由齿条13、8、齿轮、手动把手31、32、齿轮套9、26、限位块6等构成。
74.刚性垫块2放置于试验机底部支座上方，刚性垫块2尺寸跟试验机底部支座尺寸大小相适应，本实施例中尺寸可选为200mm*300mm*80mm。刚性垫块2短边两侧各设置不少于3
个螺栓孔24，螺栓孔24直径取为10mm。
75.承载架的一侧从前端到后端分别为带有螺栓孔的长度为30cm的矩形钢板3，厚度可取3mm，螺栓孔不少于5个，并在端部和尾部各布设一个直径为8mm的螺栓孔。长度为60cm的纵向齿轮齿条传动机构28，纵向齿轮齿条传动机构28的两端各设置一个卡槽20、21，卡槽20、21两侧各设置一个螺栓孔22、23，且两个螺栓孔22、23同在一个轴线，螺栓孔22、23直径与矩形钢板尾部的螺栓孔24直径一致。卡槽20、21的宽度与矩形钢板的厚度相适应，可取为4.5mm。纵向齿轮齿条传动机构28的两端各放置一个限位块6，用于防止齿轮在行进过程中由于惯性脱离齿条，该限位块6底部设置有一个大小与齿条宽度相适应的卡槽15，卡槽15两侧各设置一个位于同一轴线的螺栓孔。矩形钢板的尾部可插入纵向齿条端部的卡槽中，纵向齿条可以放进限位块底部的卡槽中，并保证每个螺栓孔都处于同一轴线，然后通过螺栓将其紧固为一整体。同样，在纵向齿轮齿条传动机构28的尾部也放置一限位块6，通过同样的方式将纵向齿轮齿条传动机构28与竖向可伸缩支架10的顶部的矩形插鞘19相连接。竖向齿轮齿条传动机构30的齿条两端不设置卡槽，只设置一个螺栓孔，用于与限位块6连接。
76.竖向可伸缩支撑架10为空心钢管，顶部设置一个尺寸与纵向齿轮齿条传动机构28尾部卡槽大小相适应的一个钢制矩形插鞘19，插鞘19上布置一个螺栓孔，并保证此插鞘19插入纵向齿条卡槽后，插鞘19上的螺栓孔与纵向齿条卡槽两侧的螺栓孔同在一个轴线。竖向可伸缩支撑架10可分为三级伸缩，第一级伸缩管内径为18mm，外径为20mm，长度40cm。第二级伸缩杆内径为22mm，外径为24mm，长度为45cm。第三级伸缩管内径为26mm，外径为28mm，长度为50cm。每一级伸缩管的交界处设置不少于4个定位孔12，定位孔12直径可取4mm，间距可取2cm。每一级伸缩管含有一个紧固螺栓，尺寸与定位孔12大小相适配。
77.在齿轮齿条传动机构中，齿条5、8、13固定于直线导轨上方，通过伺服电机7或人工转动把手31、32控制齿轮在齿条上做直线运动。按行进方向不同分为纵向、横向和竖向齿轮齿条传动机构28、29、30，分别用于钻孔时控制钻孔机向前推进，以及按需调整左右和上下的钻孔位置。纵向齿轮齿条传动机构28通过伺服电机7进行驱动，横向和竖向齿轮齿条传动机构29、30使人工转动把手31、32进行驱动。纵向齿轮齿条传动机构28长度为60cm。横向齿轮齿条传动机构29的长度与刚性垫块的长边的长度一直，此实例中可取300mm。竖向齿轮齿条传动机构30的长度可取300mm。各个齿轮齿条传动机构的齿条参数、齿轮参数均一致，齿条宽30mm，高40mm。齿轮的齿顶高可取5mm，齿根高可取1.8mm，齿高可取7mm。齿轮直径为70mm。
78.横向齿轮齿条传动机构29两端分别与两侧的纵向齿轮齿条传动机构的齿轮相连接。竖向齿轮齿条传动机构30与横向齿轮齿条传动机构29的齿轮套9固定连接。钻孔机固定于竖向齿轮齿条传动机构30的齿轮套9前端，竖向齿轮齿条传动机构30的齿轮套9后端为开口形式，用于与横向齿轮齿条传动机构29的齿轮套26两侧的凹槽扣接。
79.一种煤层钻孔卸压室内模拟试验方法，包括以下步骤：
80.步骤1：将在工程现场选取的煤岩岩样制备3个直径为50mm、高度为100mm的标准圆柱形试样，将试样放置在刚性伺服试验机上进行单轴压缩试验，获得其单轴抗压强度平均值、弹性模量、泊松比等力学性能指标。
81.步骤2：根据相似理论，以步骤1中获得的原煤标准试样的力学性能参数为参照，使用相应配合比的水、石英砂、和水泥制备尺寸为直径为50mm、高度为100mm的标准圆柱形试
样，并进行类煤岩试样的单轴压缩试验。根据试验结果修正类煤岩混合料配合比，使其力学性能与原煤试样较为接近。
82.步骤3:根据步骤2所得到的最终的类煤岩材料的配合比，制备一批尺寸为200mm
×
100mm
×
100mm的类煤岩试样，并在试样表面制作散斑，用于dic应变测量。
83.步骤4：将上述钻孔装置中的刚性垫块放置于试验机底座，然后搭设承载架，保证承载架各连接部位紧固可靠并处于同一水平线，调节竖向可伸缩支架的高度，避免竖向可伸缩支架过度向上顶或者与地面脱离接触。调节各个齿轮齿条传动机构，按照钻孔方案，使钻孔机处于合适的位置。最后布设dic高速摄像系统，并保证摄像系统能够全面观测到岩样钻孔。
84.步骤5:将一块尺寸为200mm
×
100mm
×
100mm的类煤岩试样放置于刚性垫块上方,启动试验机，并按照煤的冲击倾向性测试规程，设定试验机加载速率为0.5mpa/s～1.0mpa，并根据现场采动应力实测结果，对试样预先施加一定水平的轴向荷载。
85.步骤6：维持轴向荷载，按照试验所设计的钻孔大小、布置方式及位置，选取合适的钻具(本实例中钻杆直径可取4～6mm)。使用如上所述的钻孔装置调整钻孔机方位，按下纵向齿轮齿条传动机构的伺服电机启动按钮，使得钻孔机向前钻进，对类煤岩试样实施钻孔，按照钻杆上的刻度，可对类煤岩试样实施不同深度的钻孔。
86.步骤7：钻孔完成后，为避免外部因素扰动，待钻孔机稳定一段时间后，慢慢退出钻具。给试验机设定位移上限值，试验机以0.5mpa/s～1.0mpa的速率对试样继续加载，直至试样破坏。
87.步骤8：试验数据整理。
88.步骤9：根据试验数据，基于以下两种方法进行钻孔卸压效果评价。方法一：根据外部监测装置dic高速摄像系统所获得的钻孔前和钻孔后的应变场云图，定义钻孔周围产生的拉应变扰动区和压应变扰动区，并分别计算两种扰动区的像素点面积之和进行评价，该扰动面积越大，则说明该钻孔方案产生的卸压区面积越大，卸压效果越好；方法二：基于试验机产生的实验数据，根据国家标准《冲击地压测定，监测与防治方法》第2部分：煤的冲击倾向性分类及指数的测定方法中所规定的方法计算试样的冲击倾向性指标dt(动态破坏时间)、w
et
(弹性能量指数)、ke(冲击能量指数)、rc(单轴抗压强度)，并根据标准中冲击倾向性综合评判结果表对试样的冲击倾向性进行综合判定。若试样的冲击倾向性越小，则表明该钻孔方案有效降低了试样的冲击倾向性，钻孔卸压效果越好。
89.以上实施例可表明该专利可进行钻孔卸压的室内模拟试验，且效果良好。
90.最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。