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原文传递一种模拟掘进扰动情况下煤岩体三轴加载试验装置及方法

专利名称：	一种模拟掘进扰动情况下煤岩体三轴加载试验装置及方法
摘要：	本发明公开了一种模拟掘进扰动情况下煤岩体三轴加载试验装置及方法，属于煤岩体渗流损伤破坏特性研究的技术领域。本发明提供了一种能够更加真实模拟掘进扰动作用，煤岩体损伤破坏过程可视的三轴加载试验装置，同时该装置能够实现不同水压、不同加载方式以及不同扰动作用对煤岩体的破坏及渗流特性的影响的研究。该发明可实现掘进扰动作用下，煤岩体裂隙扩展的全过程监测，及煤岩体中应力变化，渗流压力变化的实时动态监测，进而定量化研究掘进扰动煤岩体渗流损伤破坏特性，对掘进工作面突水做出科学预判，减少掘进工作面突水灾害的发生。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	山西;14
申请人：	太原理工大学
发明人：	冯国瑞;郝晨良;康立勋;钱瑞鹏;姜海纳;宋诚;李振;郭军;任玉琦;孙强;李松玉
专利状态：	有效
申请日期：	2019-06-20T00:00:00+0800
发布日期：	2019-10-18T00:00:00+0800
申请号：	CN201910534780.0
公开号：	CN110346216A
代理机构：	太原市科瑞达专利代理有限公司
代理人：	申艳玲
分类号：	G01N3/12(2006.01);G;G01;G01N;G01N3
申请人地址：	030024 山西省太原市万柏林区迎泽西大街79号
主权项：	1.一种模拟掘进扰动情况下煤岩体三轴加载试验装置，其特征在于：包括试件加载腔体；试件加载腔体为长方体结构，在试件加载腔体的顶部设有轴向加载装置，在左侧和后侧分别设有侧向加载装置，在右侧设有侧向扰动装置；侧向加载装置、侧向扰动装置分别通过各自两侧的承载立柱固定；轴向加载装置包括轴向加压板、轴向加载推杆和轴向加载油缸；轴向加载油缸通过轴向加载活塞与轴向加载推杆连接，轴向加载推杆内设有折形进水管路，进水管路下端与轴向加压板进水孔紧密对接，轴向加压板为长方体板，内部设有空腔，该空腔上部与进水孔相连，下部与漏水孔相连；侧向加载装置包括左侧加压板、左侧加载推杆和左侧加载油缸、后侧加压板、后侧推杆和后侧加载油缸；左侧加载油缸通过左侧加载活塞与左侧加载推杆连接，左侧加载推杆连接左侧加压板，左侧加压板位于试件加载腔体的内部侧壁上；后侧加载油缸通过后侧加载活塞与后侧加载推杆连接，后侧加载推杆连接后侧加圧板，后侧加压板位于试件加载腔体的内部侧壁上；试件加载腔体的上盖、左侧壁、后侧壁的中心位置均设有推杆孔；轴向加载油缸、左侧加载油缸、后侧加载油缸通过计算机系统进行电液伺服控制，实现加载端位移及压力的精准控制及相应的数据记录功能；侧向扰动装置包括扰动钻杆和扰动加载电机，在试件加载腔体的右侧面中心位置设有腔体扰动钻头孔，扰动钻杆穿过右侧腔体扰动钻头孔与扰动加载电机相连，加载电机施加钻动和冲击两种扰动载荷，分别模拟实际煤层掘进中综掘机掘进巷道和爆破掘进两种掘巷方式对煤层产生的扰动；所述轴向加载推杆内设有与轴向加压板进水孔相通的进水管路，腔体进水口与轴向加压板中心进水孔通过铜管相通；腔体底部中心处设有与腔体内部相通的出水口。 2.根据权利要求1所述的模拟掘进扰动情况下煤岩体三轴加载试验装置，其特征在于：所述试件加载腔体的内部尺寸为：长300mm、宽100mm、高300mm，用于放置加载试块；试件加载腔体的前侧壁采用10mm厚的透明有机玻璃材料，能承受130MPa的压强，其余方向壁面采用钢板。 3.根据权利要求1所述的模拟掘进扰动情况下煤岩体三轴加载试验装置，其特征在于：所述试件加载腔体的上盖可拆卸，通过螺栓将腔体上盖与腔体相连，腔体上盖与腔体连接处设置密封垫片，保证上盖与腔体的密封。 4.根据权利要求1所述的模拟掘进扰动情况下煤岩体三轴加载试验装置，其特征在于：左侧加载油缸、后侧加载油缸横向垂直固定在承载柱上；承载柱包括四根立柱，相对的两对立柱之间分别设有横梁，加载油缸固定在横梁的中部。 5.根据权利要求1所述的模拟掘进扰动情况下煤岩体三轴加载试验装置，其特征在于：腔体右侧壁中心处的腔体扰动钻头孔周围设置密封圈。 6.根据权利要求1所述的模拟掘进扰动情况下煤岩体三轴加载试验装置，其特征在于：在试件加载腔体右侧壁距离腔体扰动钻头孔正下方10mm处设置数据线传输孔，以便将与试块相连的应变花导线穿出接入应力应变监测器, 且数据线传输孔采用密封圈密封。 7.根据权利要求1所述的模拟掘进扰动情况下煤岩体三轴加载试验装置，其特征在于：所述轴向加压板内部设有三层结构，上层中心设有进水孔，中间层为空腔，空腔下部连接漏水孔；在轴向加压板的下层均匀设有若干漏水孔。 8.根据权利要求1所述的模拟掘进扰动情况下煤岩体三轴加载试验装置，其特征在于：腔体的进水口与出水口处均设置水压和流量传感器，传感器通过连接导线与电脑相连，实现水压、流量变化的实时记录。 9.一种模拟掘进扰动情况下煤岩体三轴加载的试验方法，采用权利要求1~8任一项所述的模拟掘进扰动情况下煤岩体三轴加载试验装置，其特征在于：包括以下步骤：（1）调研矿区的岩层柱状图，对重点研究区域的巷道围岩钻孔取芯，并测定煤岩样抗压强度及渗透率，得到巷道围岩的组合情况、抗压强度、渗透率；（2）依据步骤（1）得到的巷道围岩组合情况及抗压强度、渗透特性，通过正交试验设计不同组合的相似材料，得到能够反映不同岩性强度及渗透特性的相似材料配比方案，按煤层底板、煤层、煤层顶板的顺序分层铺设，形成和加载试验腔体大小相等的试块（300mm×100mm×300mm）；（3）在铺设试块过程中，在煤层右侧预埋设一段30mm×10mm×10mm（长×宽×高）巷道模具，在巷道的周边位置顶板、底板、左侧、右侧及前方埋设应变花，应变花均与数据线相连，用于监测巷道掘进过程中的围岩应变变化；（4）试块铺设完成，进行养护达到预设强度后，拆除巷道模具在试块中煤层的右侧留下30mm×10mm×10mm（长×宽×高）巷道空间，以便放置扰动加载模块中的掘进钻头；打开腔体上盖，将浇筑好的试块放入试件加载腔体内，应变花数据线通过腔体右侧数据线传输孔穿出，与应变监测系统相连；试块安装完成后，安装腔体上盖，并在数据线穿出孔处安装密封垫圈；（5）通过现场实测数据并结合数值模拟分析得到原岩应力场的分布特征，根据应力分布设置轴向及侧向加载参数，模拟原岩应力场对试块进行加压并达到初始平衡状态；（6）通过腔体上平面的进水口向加载试件注入一定压力的水溶液，模拟开掘煤层中上方积水的影响；（7）将掘进钻头杆体末端装入扰动载荷加载电机，钻头前部穿过腔体右侧扰动施加孔与试块煤层巷道左侧面接触；设定试验中加载钻机的钻速及推力，开启扰动加载电机，通过电机驱动钻头对煤层施加扰动载荷，分别进行多组不同钻速及推力参数下扰动加载试验；（8）同步于扰动载荷施加，开启架设在加载试验装置前方的高速摄像机，通过高速摄像机透过腔体前侧的可视窗口，对掘进过程中煤岩体的裂隙发育情况进行记录；（9）在扰动载荷开始后，同步记录进水口及出水口的水压、水量的变化；（10）综合分析掘进扰动加载过程中，压力机压力、位移变化，巷道围岩应力变化、裂隙扩展、进出水口水量、水压变化数据；通过试验手段揭示进扰动作用下，不同水压条件下的应力-应变、裂隙扩展数据，进而研究得到围岩应力场、裂隙场的时空演化规律。
所属类别：	发明专利