[发明专利]动静荷载作用下金属骨架加固煤与瓦斯突出模拟试验方法

说明书

本发明公开了一种动静荷载作用下金属骨架加固煤与瓦斯突出模拟试验方法：(1)试验相似材料的制备；(2)含断层煤系岩层相似模型制备；(3)试件箱的安装；(4)将压头与试件箱接触，检查传感器连线是否正常，准备进行试验；(5)进行二维动静组合加载相似模拟试验并采集数据。利用二维组合应力诱导突出模拟试验装置，先进行静载加载，再进行动荷载加载及数据采集。能实现煤岩体多种应力波的加载，相比传统的落锤与霍普金森杆两种动荷载施加方式，施加冲击载荷试验方法更加灵活，应力条件更加多样，结合含断层煤系岩层相似模型制备，以更好地模拟复杂应力条件下的含断层煤系岩层体力学特性。

技术领域

本发明涉及一种用于研究动静荷载作用下金属骨架加固煤体的煤与瓦斯突出控制相似模拟试验方法。

背景技术

相似模型试验指的是实体试验，通过在比例缩小或等比模型上进行相应的试验，获取相关数据及检查设计缺陷。在采用适当比例和相似材料制成的与原型相似的试验结构(或构件)上施加比例荷载，使模型受力后再演原型结构实际工作的结构试验。试验对象为仿照原型(实际结构)并按照一定比例尺复制而成的试验代表物，它具有实际结构的全部或部分特征。用与原型相似的模型进行试验研究，并将研究结果应用于原型的一种重要的试验研究方法，广泛应用于各学科领域。其主要的优点是：可以控制主要试验参数而不受环境条件的限制与影响；便于改变试验参数进行对比试验；经济性好。

随着矿井开采深度和强度的不断提高，与煤岩体失稳破坏相关的矿井动力灾害事故日趋严重，冲击地压和煤与瓦斯突出发生的频度、强度以及破坏程度随着采深的增加、瓦斯压力的升高具有明显的上升趋势，且相当一部分深井灾害表现出冲击地压、煤与瓦斯突出两种动力灾害同时存在、相互耦合的现象，即深井复合动力灾害。因此，对复杂应力作用下的含瓦斯煤突出发生机理研究就很有必要。

金属骨架加固煤体作为一种揭煤过程中常用的防突技术措施，具有适用性强，可与多种防突技术措施配合使用的优点。随着矿井开采深度和强度的不断提高，煤矿安全生产的受重视程度日益加深，但现有煤与瓦斯突出模拟试验装置及配套试验方法，对于常规的煤系岩层复合动力灾害有着较好的模拟，但是缺乏对金属骨架加固煤体的煤与瓦斯突出模拟。

发明内容

本发明旨在提供一种可以模拟二维动静组合加载诱导煤与瓦斯突出的试验装置，可以更好地模拟复杂应力条件下的煤岩体力学特性。

为此，本发明所采用的技术方案为：一种二维组合应力诱导突出模拟试验装置，包括反力框架和试件箱，所述反力框架是由左立柱、右立柱、上横梁、下横梁围成的封闭固定框架结构，反力框架的左右两侧各配备有一个支撑架，反力框架能在减速电机的驱动下绕自身的安装轴线翻转90°，上横梁上安装有压头向下的伺服液压油缸，左立柱上安装有压头向右的伺服液压油缸，右立柱、下横梁上分别安装有支撑块，伺服液压油缸和支撑块共同将反力框架内的试件箱夹持住；每个压头配备有一个穿过试件箱的活塞，用于与试件箱内的压板相连；

所述试件箱包括箱体和箱盖，箱体底部下方内置气体充填管路，并通过铺设在箱体底部的泡沫金属层向箱体内均匀充气，所述箱体的侧壁上还开设有突出口和传感器接线孔，所述突出口外安装有泄压装置，所述传感器接线孔内安装有传感器转换接头。

作为上述模拟试验装置的优选，还包括控制台、液压站和单轨电动葫芦；在试件箱内安装有压力传感器、温度传感器、孔隙压力传感器用于测定突出过程中的煤岩应力、煤样的温度以及瓦斯压力的传播规律及衰减特征；所述控制台通过计算机控制伺服控制机实现多种应力波的加载及调控，并收集记录试验过程中试件箱内部安装的传感器的数据；所述液压站为反力框架上的液压油缸提供动力；所述单轨电动葫芦安装在反力框架的上方用于吊装重物；在所述突出口前端安装有高速摄像机用于实现突出全过程的可视化，并配合声发射装置用于研究煤与瓦斯突出过程中的声发射现象发展规律。

进一步优选为，所述减速电机安装在反力框架的右侧的支撑架上，反力框架的左右两侧分别通过轴承安装；两个所述支撑架的下方焊接在同一底座上，构成“U”型架。