[發明專利]一種模擬掘進擾動情況下煤巖體三軸加載試驗裝置及方法

有效

• 申請號: 201910534780.0
• 申請日: 2019-06-20
• 公開（公告）號: CN110346216B
• 公開（公告）日: 2022-01-14
• 發明（設計）人: 馮國瑞;錢瑞鵬;姜海納;宋誠;李振;郭軍;任玉琦;孫強;李松玉;郝晨良;康立勛
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: G01N3/12
• 分類號: G01N3/12;G01N3/06;G01N3/02;G01N15/08;G01N1/08
• 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

1.一種模擬掘進擾動情況下煤巖體三軸加載試驗裝置，其特征在于：包括試件加載腔體；試件加載腔體為長方體結構，在試件加載腔體的頂部設有軸向加載裝置，在左側和后側分別設有側向加載裝置，在右側設有側向擾動裝置；側向加載裝置、側向擾動裝置分別通過各自兩側的承載立柱固定；

軸向加載裝置包括軸向加壓板、軸向加載推桿和軸向加載油缸；軸向加載油缸通過軸向加載活塞與軸向加載推桿連接，軸向加載推桿內設有折形進水管路，進水管路下端與軸向加壓板進水孔緊密對接，軸向加壓板為長方體板，內部設有空腔，該空腔上部與進水孔相連，下部與漏水孔相連；

側向加載裝置包括左側加壓板、左側加載推桿和左側加載油缸、后側加壓板、后側推桿和后側加載油缸；左側加載油缸通過左側加載活塞與左側加載推桿連接，左側加載推桿連接左側加壓板，左側加壓板位于試件加載腔體的內部側壁上；后側加載油缸通過后側加載活塞與后側加載推桿連接，后側加載推桿連接后側加圧板，后側加壓板位于試件加載腔體的內部側壁上；左側加載油缸、后側加載油缸橫向垂直固定在承載柱上；

試件加載腔體的上蓋、左側壁、后側壁的中心位置均設有推桿孔；軸向加載油缸、左側加載油缸、后側加載油缸通過計算機系統進行電液伺服控制，實現加載端位移及壓力的精準控制及相應的數據記錄功能；

側向擾動裝置包括擾動鉆桿和擾動加載電機，在試件加載腔體的右側面中心位置設有腔體擾動鉆頭孔，擾動鉆桿穿過右側腔體擾動鉆頭孔與擾動加載電機相連，加載電機施加鉆動和沖擊兩種擾動載荷，分別模擬實際煤層掘進中綜掘機掘進巷道和爆破掘進兩種掘巷方式對煤層產生的擾動；

所述軸向加載推桿內設有與軸向加壓板進水孔相通的進水管路，腔體進水口與軸向加壓板中心進水孔通過銅管相通；腔體底部中心處設有與腔體內部相通的出水口。

2.根據權利要求1所述的模擬掘進擾動情況下煤巖體三軸加載試驗裝置，其特征在于：所述試件加載腔體的內部尺寸為：長300mm、寬100mm、高300mm，用于放置加載試塊；試件加載腔體的前側壁采用10mm厚的透明有機玻璃材料，能承受130MPa的壓強，其余方向壁面采用鋼板。

3.根據權利要求1所述的模擬掘進擾動情況下煤巖體三軸加載試驗裝置，其特征在于：所述試件加載腔體的上蓋可拆卸，通過螺栓將腔體上蓋與腔體相連，腔體上蓋與腔體連接處設置密封墊片，保證上蓋與腔體的密封。

4.根據權利要求1所述的模擬掘進擾動情況下煤巖體三軸加載試驗裝置，其特征在于：承載柱包括四根立柱，相對的兩對立柱之間分別設有橫梁，軸向加載油缸固定在橫梁的中部。

5.根據權利要求1所述的模擬掘進擾動情況下煤巖體三軸加載試驗裝置，其特征在于：腔體右側壁中心處的腔體擾動鉆頭孔周圍設置密封圈。

6.根據權利要求1所述的模擬掘進擾動情況下煤巖體三軸加載試驗裝置，其特征在于：在試件加載腔體右側壁距離腔體擾動鉆頭孔正下方10mm處設置數據線傳輸孔，以便將與試塊相連的應變花導線穿出接入應力應變監測器, 且數據線傳輸孔采用密封圈密封。

7.根據權利要求1所述的模擬掘進擾動情況下煤巖體三軸加載試驗裝置，其特征在于：所述軸向加壓板內部設有三層結構，上層中心設有進水孔，中間層為空腔，空腔下部連接漏水孔；在軸向加壓板的下層均勻設有若干漏水孔。

8.根據權利要求1所述的模擬掘進擾動情況下煤巖體三軸加載試驗裝置，其特征在于：腔體的進水口與出水口處均設置水壓和流量傳感器，傳感器通過連接導線與電腦相連，實現水壓、流量變化的實時記錄。

9.一種模擬掘進擾動情況下煤巖體三軸加載的試驗方法，采用權利要求1~8任一項所述的模擬掘進擾動情況下煤巖體三軸加載試驗裝置，其特征在于：包括以下步驟：

（1）調研礦區的巖層柱狀圖，對重點研究區域的巷道圍巖鉆孔取芯，并測定煤巖樣抗壓強度及滲透率，得到巷道圍巖的組合情況、抗壓強度、滲透率；

（2）依據步驟（1）得到的巷道圍巖組合情況及抗壓強度、滲透特性，通過正交試驗設計不同組合的相似材料，得到能夠反映不同巖性強度及滲透特性的相似材料配比方案，按煤層底板、煤層、煤層頂板的順序分層鋪設，形成和加載試驗腔體大小相等的試塊，尺寸為300mm×100mm×300mm；

（3）在鋪設試塊過程中，在煤層右側預埋設一段長×寬×高為30mm×10mm×10mm巷道模具，在巷道的周邊位置頂板、底板、左側、右側及前方埋設應變花，應變花均與數據線相連，用于監測巷道掘進過程中的圍巖應變變化；

（4）試塊鋪設完成，進行養護達到預設強度后，拆除巷道模具在試塊中煤層的右側留下長×寬×高為30mm×10mm×10mm巷道空間，以便放置擾動加載模塊中的掘進鉆頭；打開腔體上蓋，將澆筑好的試塊放入試件加載腔體內，應變花數據線通過腔體右側數據線傳輸孔穿出，與應變監測系統相連；試塊安裝完成后，安裝腔體上蓋，并在數據線穿出孔處安裝密封墊圈；

（5）通過現場實測數據并結合數值模擬分析得到原巖應力場的分布特征，根據應力分布設置軸向及側向加載參數，模擬原巖應力場對試塊進行加壓并達到初始平衡狀態；

（6）通過腔體上平面的進水口向加載試件注入一定壓力的水溶液，模擬開掘煤層中上方積水的影響；

（7）將掘進鉆頭桿體末端裝入擾動載荷加載電機，鉆頭前部穿過腔體右側擾動施加孔與試塊煤層巷道左側面接觸；設定試驗中加載鉆機的鉆速及推力，開啟擾動加載電機，通過電機驅動鉆頭對煤層施加擾動載荷，分別進行多組不同鉆速及推力參數下擾動加載試驗；

（8）同步于擾動載荷施加，開啟架設在加載試驗裝置前方的高速攝像機，通過高速攝像機透過腔體前側的可視窗口，對掘進過程中煤巖體的裂隙發育情況進行記錄；

（9）在擾動載荷開始后，同步記錄進水口及出水口的水壓、水量的變化；

（10）綜合分析掘進擾動加載過程中，壓力機壓力、位移變化，巷道圍巖應力變化、裂隙擴展、進出水口水量、水壓變化數據；通過試驗手段揭示掘進擾動作用下，不同水壓條件下的應力-應變、裂隙擴展數據，進而研究得到圍巖應力場、裂隙場的時空演化規律。