[發明專利]一種模擬突水煤層底板受壓耦合作用的實驗裝置及方法

在審

• 申請號: 201710631765.9
• 申請日: 2017-07-28
• 公開（公告）號: CN107449672A
• 公開（公告）日: 2017-12-08
• 發明（設計）人: 姜海納;杜暢;徐樂華;馮國瑞;崔家慶;宋誠;李振;高強;郭棟
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: G01N3/12
• 分類號: G01N3/12
• 代理公司: 太原市科瑞達專利代理有限公司14101
• 代理人: 申艷玲

技術領域

本發明涉及一種模擬突水煤層底板受壓耦合作用的實驗裝置及方法，屬于煤層受壓影響的研究技術領域。

背景技術

礦井突水是煤礦工作者關注的重點，突水事故會對工人的生命和財產帶來極大的損失，我國科學工作者近年來對煤礦突水問題取了了一定成果，如滲流場、應力場方面。但是由于煤層底底板突水誘發因素的復雜性，單方面的研究某種因素難以提供有力的分析，無法為煤層底板巖石破裂過程提供較為全面的認識與分析。

20世紀40~50年代，匈牙利韋格弗倫斯第一次提出“底板相對隔水層”的概念。20世紀60年代，煤科總院提出了采用突水系數作為預測預報底板突水與否的方法。中國礦業大學、西安煤科院等單位也嘗試開展煤層突水的相關實驗，他們有人用彈簧，橡膠塊等代替承壓水，結果由于這些物體施壓方式和含水層壓力施法方式不同，結果也與實際情況有很大偏差。也有學者采用直接用水力的方法，但是也是一種被動的加壓方法，而且只研究了單一的水壓對巖石破壞的因素。因此，現有的研究方法和裝置還存在改進的空間。

發明內容

本發明旨在提供一種模擬突水煤層底板受壓耦合作用的實驗裝置及方法，結構簡單、操作方便，用于模擬突水煤層底板受采動礦壓與含水層水壓耦合作用的試驗，采用計算機分析大大提高了準確性。

本發明提供了一種模擬突水煤層底板受壓耦合作用的實驗裝置，包括受壓平臺，受壓平臺上方設有實驗箱，實驗箱頂部設有軸向加載裝置，實驗箱兩側分別設有液壓加壓柱，實驗箱由左立板、右立板、前后兩塊透明立板、底板圍成的頂部敞口的長方體試驗空間，底部設有底板；左右兩塊立板為金屬板可承受較大壓強，前后兩塊立板為高強度的透明板，立板與立板邊緣，立板與底板邊緣經過邊緣彎折、打孔、墊密封片通過螺栓連接，再注膠進一步密封，可以使實驗箱及內側空腔承受更大的壓強，且實驗腔密閉不泄漏。

在實驗箱內上端設有巖石試件，巖石試件上表面與軸向加載裝置加載端接觸；軸向加載裝置包括單軸壓縮試驗儀，加載端；單軸壓縮試驗儀為受壓平臺、施壓軸、壓力傳感器、軸向壓力控制端及動力元件構成的一體結構，其中軸向壓力控制端與施壓軸上端通過數據線相連，有控制單軸壓縮試驗儀加載壓力以及數據采集的作用。加載端為下表面四邊形上表面圓形的鋼制部件，其上表面面積與施壓軸截面面積相同，通過強力膠與施壓軸相接；

左立板和右立板內側二分之一高度處設有預支撐架，其結構為分別與實驗箱內左右立板焊接的等高等距金屬桿，預支撐架下方設有孔，分別為進水口和出水口，進水口與注水裝置連接，出水口與銅管連接，銅管上設有測壓計，實驗腔內加測壓計，測壓計位于實驗腔的上層，測壓計與數據采集裝置連接。

上述裝置中，所述預支撐架用于未注水前的試件的支持放置，支撐架下方5cm處鉆孔，分別為進水口，出水口；進水口處設有入口閥門和第一測壓計，出水口出設有出口閥門和第二測壓計，第一測壓計和第二測壓計分別通過數據線連接注水裝置。出水口接20cm的銅管，銅管末端設有閥門，銅管中部設簡易測壓器。水壓監測裝置包括測壓計和數據采集分析系統，測壓計接有數據線，測壓計置于實驗腔內，兩根數據線分別由進水口，出水口特制小孔連接數據采集分析系統，此外，有必要對試件應變檢監測搜集系統裝配于巖石上，不做詳細介紹。

進一步地，所述數據線外側包裹泡沫，使實驗腔內的測壓計在腔內充滿水時處于最上層。

注水裝置為可控壓力式增壓注水機，經高壓防爆管連接進水口。

本發明提供了一種模擬突水煤層底板受壓耦合作用的實驗方法，包括以下步驟：

（1）將取樣巖石加工為與實驗腔契合的標準巖石試件，對試件裝配應變監測搜集系統置于實驗箱內，設置預支撐架支撐巖石試件于實驗箱進出水口的上端，并且在巖石試件和實驗腔之間注膠以保證加壓過程的密封性；

（2）打開進水閥門，關閉出水閥門，通過增壓注水機注水，觀察第一測壓計的壓力變化，當第一測壓計顯示壓力與礦井承壓水壓力接近時，停止注水；

（3）在實驗腔內加測壓計，并通過數據線連接數據采集裝置，在數據線腔內部分纏繞泡沫，使得實驗腔內測壓計始終處于實驗腔含水層的最上端；

（4）啟動單軸壓縮試驗儀，操作軸向壓力控制端，經加載端對巖石試件施加壓力，加載端加工為下表面矩形上表面圓形的鋼制結構，保證巖石試件受到均勻的載荷。

本發明的有益效果：

本發明結構簡單、操作方便，用于模擬突水煤層底板受采動礦壓與含水層水壓耦合作用的試驗，采用計算機分析大大提高了準確性。

附圖說明