一种模拟开挖煤与瓦斯突出物理模拟实验装置及实验方法与流程

本发明涉及煤与瓦斯突出模拟实验，尤其涉及一种模拟开挖煤与瓦斯突出物理模拟实验装置及试验方法。

背景技术：

1、我国煤矿瓦斯地质赋存条件复杂，在煤炭开采过程中，极易发生煤与瓦斯突出事故。随着开采深度的增加，深部岩体处于复杂的“三高一扰动”(高应力、高渗透压力、高温度和开采扰动)环境，瓦斯突出事故发生更为频繁、严重，给人民的生命和财产造成巨大损失。

2、物理力学实验模拟煤与瓦斯突出是一种有效的技术手段，可为事故调查和理论技术分析提供有效的数据支撑。煤与瓦斯突出发生的机理十分复杂，常用研究方法的包括现场监测、理论分析、数值模拟以及物理模拟实验。现场监测危险且数据不易获取；理论分析因煤与瓦斯突出机理尚无定论，难以建立准确的定量模型；数值模拟因本构模型缺失导致模拟结果不准确；物理模拟试验数据相对容易、过程可控、结果可重复，可以分析不同类型、不同控制因素下发生事故的直接原因和管理技术，是煤与瓦斯突出机理研究的重要验证方法。

3、现有的煤与瓦斯突出物理模拟实验装置经历了从小尺度向大尺度发展、地应力加载由一维向三维发展、由单一的应力场、渗流场向多场耦合发展、诱突装置由单一机械式向多样式发展的过程。但现有技术中，煤与瓦斯突出模拟装置的加卸载效率低，且受设备尺寸或其他因素影响不能实现三向同步非连续非均匀同步加载/卸载技术。

4、因此，申请人认为需要提出一种模拟开挖煤与瓦斯突出物理模拟实验装置及试验方法用于解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

2、为达到上述目的，本发明提出了一种模拟开挖煤与瓦斯突出物理模拟实验装置，其特征在于，包括：真三轴加载系统、试验检测系统以及煤与瓦斯突出诱发系统；

3、所述真三轴加载系统包括主反力框架，所述主反力框架呈口字型设置，且在其内部形成移动加载腔，所述移动加载腔内滑移连接有高压密封试验盒，所述高压密封试验盒沿所述移动加载腔轴线走向一端设置有与主反力框架一体连接的牵引平台，所述牵引平台上设置有移动反力框架，所述牵引平台上设置有带动所述移动反力框架移动的牵引系统，所述主反力框架横梁以及任意一相邻侧壁上分别设置有第一加载液压缸组和第二加载液压缸组，所述移动反力框架与所述高压密封试验盒之间设置有第三加载液压缸组，所述高压密封盒对应第一加载液压缸组、第二加载液压缸组以及第三加载液压缸组中的每个液压缸位置均设置有密封孔，每个所述密封孔内均可移动设置有非连续加压件，所述高压密封试验盒背离所述移动反力框架一端设置有与所述瓦斯突出诱发系统连接的突出口；

4、所述煤与瓦斯突出诱发系统设置为模拟开挖诱突系统，所述模拟开挖诱突系统包括设置于高压密封试验盒对应突出口一端的支持平台，所述支持平台上设置有钻机，所述钻机输出端设置有传动轴，所述传动轴自由端贯穿所述突出口伸入至高压密封试验盒内腔连接设置有钻头。

5、本发明通过设置真三轴加载系统以及模拟开挖诱突系统，从而实现在拟开挖施工时诱发煤与瓦斯突出的全过程的场景下的煤与瓦斯诱突模拟实验，实现了三维加载，并且由于非连续加载件的设置，可以实现连续或非连续的加载，从而模拟对试样在岩层中的情况进行更加多样、更加复杂的情况模拟，从而提高了在模拟开挖情况下煤与瓦斯突出实验的模拟效率以及模拟效果。

6、可选地，所述支持平台上靠近所述突出口一端设置有支撑板，所述支撑板上设置有供所述传动轴穿过的支撑孔，所述突出口朝向高压密封试验盒一端可拆卸设置有气密挡板，所述传动轴穿过所述支撑孔后通过连接通道与所述气密挡板抵接设置。

7、进一步地，所述钻头设置为偏心钻头。

8、进一步地，所述第一加载液压缸组与所述第二加载液压缸组均包括4条液压缸，且所述第一加载液压缸组为z向加载，所述第二液压缸组为y向加载，所述第三加载液压缸组包括2条加载液压缸，所述四散加载液压缸组为x向加载；

9、所述第一加载液压缸组、所述第二加载液压缸组以及所述第三加载液压缸组中的每条加载液压缸均可独立运动，每条加载液压缸均连接有伺服控制器，用以实现多条加载液压缸之间的同步运动控制或异步运动控制，控制精度为最大力值的0.5％。

10、进一步地，所述非连续加压件包括在所述密封孔内可移动穿设的加压柱，所述加压柱朝向高压密封试验盒内的一端均设置加载板，对应同一加载液压缸组的多个加压柱长度均等设置，且相邻对应同一加载液压缸组的多个加载板之间可滑移抵接设置，多个所述加载板厚度均相等。

11、进一步地，所述高压密封试验盒包括盖板和壳体，所述盖板与所述壳体之间采用两级密封架构可拆卸密封连接，所述壳体还包括内腔与外层，所述外层与移动反力框架一体铸造成型，所述内腔为由若干加载板和高压密封试验盒内壁围成的长方体腔室，所述突出口贯穿外层以及内腔设置于所述高压密封试验盒背离移动反力框架一端，所述高压密封试验盒可承载6mpa气体压力密封。

12、进一步地，还包括试验监测系统，所述试验监测系统包括声发射装置、应力传感器、气体压力传感器、温度传感器、姿态传感器以及传感器数据采集仪，所述高压密封试验盒上设置有电子通讯插口，所述试验检测系统与所述电子通讯插口电连接设置，用以对设置于高压密封试验盒内的各个传感器信号引出。

13、进一步地，还包括气体吸附系统，所述气体吸附系统包括设置在高压密封试验盒内底部的“回”型槽，所述“回”型槽上设置有透气板，所述“回”型槽外接有气体管路。

14、进一步地，还包括用于全时全同步采集各个系统动作点力值以及各个传感器数值的电器动力控制系统，并发出动作命令的电器动力控制系统，所述电器动力控制系统包括人机交互界面，以对控制模式进行调整，所述人机交互界面电连接有多个伺服控制器，且所述人机交互界面设置有外接加载传输端。

15、本申请还提供一种模拟开挖煤与瓦斯突出物理模拟实验装置的实验方法，包括以下步骤：

16、b1、对模拟开挖施工时诱发煤与瓦斯突出的全过程的场景进行预设，并根据预设场景进行实验方案的制定；

17、b2、根据实验方案，进行试验煤样制备，在高压密封试验盒内进行煤样铺设以及传感器的设置，并对试验监测系统的装备以及气源装备进行试验前检测调试；

18、b3、根据实验方案，布置模拟开挖煤与瓦斯突出诱发系统，并对诱突设备进行检测调试；

19、b4、在人机交互界面加载试验方案，诱突试验开始实施，并对整个过程进行监测记录。

20、本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

技术特征：

1.一种模拟开挖煤与瓦斯突出物理模拟实验装置，其特征在于，包括：真三轴加载系统、试验检测系统以及煤与瓦斯突出诱发系统；

2.如权利要求1所述的一种模拟开挖煤与瓦斯突出物理模拟实验装置，其特征在于，所述突出口中设置有连接筒，所述连接筒包括一体设置的插接段以及限位段，所述插接段与所述突出口内壁抵接设置，所述限位段设置于所述突出口外侧，且所述限位段的直径大于突出口的直径设置，所述插接段以及所述限位段之间贯通设置有与突出口同轴的连接通道。

3.如权利要求2所述的一种模拟开挖煤与瓦斯突出物理模拟实验装置，其特征在于，所述支持平台上靠近所述突出口一端设置有支撑板，所述支撑板上设置有供所述传动轴穿过的支撑孔，所述突出口朝向高压密封试验盒一端可拆卸设置有气密挡板，所述传动轴穿过所述支撑孔后通过连接通道与所述气密挡板抵接设置。

4.如权利要求1或2任意一项所述的一种模拟开挖煤与瓦斯突出物理模拟实验装置，其特征在于，所述钻头设置为偏心钻头。

5.如权利要求1所述的一种模拟开挖煤与瓦斯突出物理模拟实验装置，其特征在于，所述第一加载液压缸组与所述第二加载液压缸组均包括4条液压缸，且所述第一加载液压缸组为z向加载，所述第二液压缸组为y向加载，所述第三加载液压缸组包括2条加载液压缸，所述四散加载液压缸组为x向加载；

6.如权利要求5所述的一种模拟开挖煤与瓦斯突出物理模拟实验装置，其特征在于，所述非连续加压件包括在所述密封孔内可移动穿设的加压柱，所述加压柱朝向高压密封试验盒内的一端均设置加载板，对应同一加载液压缸组的多个加压柱长度均等设置，且相邻对应同一加载液压缸组的多个加载板之间可滑移抵接设置，多个所述加载板厚度均相等。

7.如权利要求6所述的一种模拟开挖煤与瓦斯突出物理模拟实验装置，其特征在于，所述高压密封试验盒包括盖板和壳体，所述盖板与所述壳体之间采用两级密封架构可拆卸密封连接，所述壳体还包括内腔与外层，所述外层与移动反力框架一体铸造成型，所述内腔为由若干加载板和高压密封试验盒内壁围成的长方体腔室，所述突出口贯穿外层以及内腔设置于所述高压密封试验盒背离移动反力框架一端，所述高压密封试验盒可承载6mpa气体压力密封。

8.如权利要求1所述的一种模拟开挖煤与瓦斯突出物理模拟实验装置，其特征在于，还包括试验监测系统，所述试验监测系统包括声发射装置、应力传感器、气体压力传感器、温度传感器、姿态传感器以及传感器数据采集仪，所述高压密封试验盒上设置有电子通讯插口，所述试验检测系统与所述电子通讯插口电连接设置，用以对设置于高压密封试验盒内的各个传感器信号引出。

9.如权利要求1所述的一种模拟开挖煤与瓦斯突出物理模拟实验装置，其特征在于，还包括气体吸附系统，所述气体吸附系统包括设置在高压密封试验盒内底部的“回”型槽，所述“回”型槽上设置有透气板，所述“回”型槽外接有气体管路。

10.如权利要求1所述的一种模拟开挖煤与瓦斯突出物理模拟实验装置，其特征在于，还包括用于全时全同步采集各个系统动作点力值以及各个传感器数值的电器动力控制系统，并发出动作命令的电器动力控制系统，所述电器动力控制系统包括人机交互界面，以对控制模式进行调整，所述人机交互界面电连接有多个伺服控制器，且所述人机交互界面设置有外接加载传输端。

11.一种模拟开挖煤与瓦斯突出物理模拟实验装置的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种双爆破片煤与瓦斯突出物理模拟实验装置，包括：真三轴加载系统、试验检测系统以及煤与瓦斯突出诱发系统；真三轴加载系统包括主反力框架，主反力框架呈口字型设置，且在其内部形成移动加载腔，移动加载腔内滑移连接有高压密封试验盒，主反力框架顶壁以及任意一相邻侧壁上分别设置有第一加载液压缸组和第二加载液压缸组，移动反力框架与高压密封试验盒之间设置有第三加载液压缸组，高压密封盒对应多个加载液压缸组均可移动设置有非连续加压件，高压密封试验盒背离移动反力框架一端与模拟开挖瓦斯突出诱发系统连接设置。本发明实现在对冲击扰动诱发煤与瓦斯突出场景下的三维加载，且可以实现连续或非连续的同步加载或卸载。

技术研发人员：刘永茜,霍中刚,韩鑫涛,汪东,李宏艳,孙中学,王维华,孙小明
受保护的技术使用者：煤炭科学技术研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13