深部高地應力煤巖體動力災害與驅替模擬試驗系統及方法技術方案

本發明專利技術公開了一種深部高地應力煤巖體動力災害與驅替模擬試驗系統及方法，包括放置測試巖樣的腔體，所述腔體上設置有用于施加三軸應力的應力加載模塊，所述腔體上、下端設置有對抗三軸應力、提供反力支撐的反力模塊；腔體一側設置有向腔體內注入與排出高壓氣體/液體的充填機構，另一端設置有能夠實現腔體與外界保持封閉與連通的巷道開挖與瞬間打開模塊，通過控制其開閉，使測試巖樣在腔體內完成深部高地應力含氣/液環境下的多場耦合反應；腔體外部設置有能夠推動所述腔體在水平與垂直兩個方位之間運動的翻轉模塊。可以實現真三軸高地應力條件下的隧道開挖等工況模擬還可實現對模型材料的面式充氣注水模擬煤與瓦斯吸附解吸、水力劈裂和驅遣等試驗功能。

System and method for simulating dynamic disaster and displacement of deep high stress coal and rock mass

The invention discloses a deep high stress coal rock dynamic disaster and displacement simulation test system and method, including the test sample placed cavity, the cavity is arranged on the applied stress loading module three axial stress, the cavity is arranged at the lower end, against the three axial stress, provide force module counter force support; one side of the cavity is arranged into the cavity and the filling mechanism to discharge the high-pressure gas / liquid, the other end is provided with a holding cavity with the outside to achieve closed and open connectivity and tunnel excavation moment module, through controlling the opening and closing, so that the test sample in the cavity to complete the deep ground the gas / liquid force under the environment of multi field coupling reaction; the cavity is arranged outside the cavity flipping module can promote the movement between the horizontal and vertical range of two. It can realize three axis high simulation also can be realized on model materials inflatable water simulation of coal and gas adsorption and desorption, hydraulic fracturing and Stefan test function force under the conditions of the tunnel excavation condition.

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種深部高地應力煤巖體動力災害與驅替模擬試驗系統及方法，尤其是涉及深部高地應力含氣(液)煤巖體動力災害與驅替模擬。
技術介紹
目前地下工程領域的研究方法主要有理論分析、數值計算、地質力學模型試驗和現場監控量測等手段，而這些方法中，由于巖體力學行為的高度非線性以及參數選取不明確性，單純的理論分析和數值計算很難解決和處理大型復雜的項目，相比之下模型試驗具有可重復、安全性高、經濟性好、針對性強、數據可靠等優點，綜合考慮，采用室內模型試驗結合數值計算和理論分析與現場監測相互印證得到結論與規律更科學可靠。對此，國內外學者對此進行了大量的研究，取得了豐碩的成果。但由于深部地質條件的復雜性，使得問題仍未得到圓滿解決，如何更加安全、高效、智能的模擬這類復雜條件下特別是多場耦合條件下，煤巖體動力災害與驅替模擬試驗和試驗手段還存在嚴重不足。目前，針對多場耦合條件下的地質力學模型試驗，已開展了大量的研究工作，研制了一系列模擬試驗裝置，研究現狀如下：(1)申請號為200910103155.7的中國專利公開了一種煤與瓦斯突出試驗快速泄壓的煤樣室，包括煤樣室本體，煤樣室本體設置煤與瓦斯噴出口和壓力氣體進口，煤與瓦斯噴出口設置控制閥，煤樣室本體內在控制閥前設置隔膜，隔膜與控制閥之間的空腔為平衡腔，平衡腔設置壓力平衡氣體進口。泄壓采用隔膜，試驗過程復雜，不方便操作。(2)申請號為201010149061.6的中國專利公開了一種煤與瓦斯突出模擬試驗裝置，包括鋼筒，設置在鋼筒兩端的法蘭盤，充氣系統和數據采集系統；設置在鋼筒一端的法蘭盤為帶有中心孔的法蘭盤，并在該法蘭盤與鋼筒的非安裝側設置防爆片。但該裝置不能進行地應力加載。(3)申請號為201120308468.9的中國專利公開了一種長巖心模型驅替裝置，裝置包括：注入系統、模型系統、測量系統、控制系統，其注入系統可進行恒壓恒速流量注入；模型系統由單個或多個填砂模型管、回壓系統串聯；測量系統可用于測量壓力、溫度、流量數據；控制系統用于由計算機自動控制注入泵的流量，并利用采集處理軟件，采集和處理上述壓力、溫度、流量數據。該裝置可以利用組合的串聯模型管來滿足采油領域中模擬較長距離驅替的需要，并根據不同模擬工藝進行一個或多個組合使用。但該裝置不能進行地應力加載。(4)申請號為201410748044.2的中國專利公開了一種一體式煤與瓦斯吸附解吸與突出試驗裝置及試驗方法，裝置主要包括圓筒形煤樣室，若干壓力和溫度傳感器，煤樣室一端固定安裝有液壓加載及充氣設備，另一端設有煤與瓦斯噴出口，在煤與瓦斯噴出口處設置有快速釋放機構；液壓加載及充氣設備包括一活塞桿，活塞桿上設置一個與煤樣室內腔相配合的活塞，活塞桿末端與面式充氣加載盤連接，活塞和面式充氣加載盤分別位于煤樣室中兩個獨立腔體中，活塞和面式充氣加載盤與縱向隔板之間的空間分別與煤樣室外壁上的兩個液壓站接口相通，該裝置能夠研究型煤在不同地應力、不同瓦斯壓力條件下煤對瓦斯的吸附解吸特性和煤與瓦斯突出機理，但該裝置無法實現高地應力條件下的真三軸加載且試驗過程中材料裝配需消耗大量人工，智能化程度略低。(5)申請號為201510008771.X的中國專利公開了一種水力加砂壓裂系統，主要由壓裂裝置、圍壓室、軸壓室等組成；第一壓頭的一端與壓裂試件的一端連接，用于發射橫波和縱波信號；第二壓頭的一端與所述壓裂試件的另一端連接，用于接收橫波和縱波信號；試件外部套接有熱塑管；聲發射探頭套接在熱塑管的表面，用于監測聲發射信號，獲取所述壓裂試件的壓裂起縫及裂縫延伸的聲發射數據；其中，通過控制裝置預設所述軸壓值及所述圍壓值，將所述壓裂液注入所述壓裂試件中，當監測到壓裂裝置的水壓突降時，根據獲取的聲發射數據、橫波、縱波信號分析壓裂起縫及裂縫延伸的規律及支撐劑在試件壓裂面中。但該裝置是針對小型試件的試驗研究且不能實現真三軸高地應力加載。綜合分析上述單位的模型試驗臺架裝置系統，還存在以下不足之處：1.上述試驗裝置不論大小，均不能同時實現高地應力加載條件下的煤巖與氣/液真三軸多物理場耦合試驗；2.上述模型試驗裝置，存在試驗過程中試驗材料填筑困難，裝置系統機械化、智能化低等缺陷，導致實際操作時繁瑣費時，并增加了試驗不安全因素。
技術實現思路
本專利技術為了解決上述問題，提出了一種深部高地應力煤巖體動力災害與驅替模擬試驗系統及方法，本專利技術能夠為各種地下工程物理模型試驗，特別是高地應力-真三軸加載條件下多物理場耦合模擬提供更安全省時高效的試驗儀器和操作平臺。為了實現上述目的，本專利技術采用如下技術方案：一種深部高地應力煤巖體動力災害與驅替模擬試驗系統，包括放置測試巖樣的腔體，所述腔體上設置有用于施加三軸應力的應力加載模塊，所述腔體上、下端設置有對抗三軸應力、提供反力支撐的反力模塊；所述腔體一側設置有向腔體內注入與排出高壓氣體/液體的充填機構，另一端設置有能夠實現腔體與外界保持封閉與連通的巷道開挖與瞬間打開模塊，通過控制其開閉，使測試巖樣在腔體內完成深部高地應力含氣/液環境下的多場耦合反應；所述腔體外部設置有能夠推動所述腔體在水平與垂直兩個方位之間運動的翻轉模塊。所述反力模塊，包括設置在所述腔體頂端的前蓋和設置在所述腔體底端的后蓋，所述前蓋和后蓋之間通過多個縱向拉桿連接，所述縱向拉桿的兩端設置有緊固件，以保持前蓋和后蓋緊固包裹所述腔體。所述應力加載模塊，包括設置在所述腔體內壁四周的圍壓加載板和腔體后部緊貼面式充填板的軸向加載油缸，以及緊貼所述圍壓加載板以起到反力作用力的傳力墊板。所述腔體的前蓋上設置有圍壓進出油口和底部進出油口。所述充填機構，包括設置于所述腔體一端且沿其軸向運動的加載充填板，所述加載充填板上設置有多個細孔，通過細孔向腔體內充填氣體或液體。所述巷道開挖與瞬間打開模塊，包括氣缸、開挖通道和通道開關，開挖通道通過通道開關與外界封閉，啟動氣缸使通道開關打開從而完成模型材料后續的多場耦合反應。所述翻轉模塊，包括翻轉軸、翻轉油缸和翻轉油缸底座，所述翻轉軸固定在反力前蓋底部并與地面固定，所述翻轉油缸頂部與翻轉軸鉸接，所述翻轉油缸底部與翻轉油缸底座鉸接。在模擬試驗系統各模塊的連接處和與外界連接處，如開挖通道、油缸、活塞封口等處設置有密封槽，密封槽內設置有密封圈，以保持實驗環境的密封。基于上述系統的工作方法，包括以下步驟：(1)通過氣體/液體充填口對試驗系統注氣檢查裝置氣密性；(2)通過調節翻轉油缸使模型反力模塊調整到豎直位置，即開挖通道方向與地面垂直，打開前蓋，埋設模型材料和檢測物理場的傳感器，關閉前蓋；(3)通過調節翻轉油缸使模型反力模塊調整到水平位置，即開挖通道方向與地面平行，對模型進行加載，氣體/液體面式充填并監測和采集試驗數據。本專利技術的有益效果為：(1)本專利技術的模型反力模塊由三部分外圓內方的鋼結構通過縱向拉桿和預緊螺栓連接，整體剛度大，結構合理簡潔用于真三軸-高地應力加載的反力支撐；(2)本專利技術的真三軸應力加載模塊，其上下左右四個方向的地應力模擬由四塊空心矩形加載板提供，后部加載力由液壓油缸提供，可實現對模型材料的真三軸高地應力加載；(3)本專利技術的高壓氣體/液壓充填模塊的面式填充板為中空的方形板放置在反力圓桶內(模型試驗材料后部)，且緊貼模型材料的表面開有若干細孔本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種深部高地應力煤巖體動力災害與驅替模擬試驗系統，其特征是：包括放置測試巖樣的腔體，所述腔體上設置有用于施加三軸應力的應力加載模塊，所述腔體上、下端設置有對抗三軸應力、提供反力支撐的反力模塊；所述腔體一側設置有向腔體內注入與排出高壓氣體/液體的充填機構，另一端設置有能夠實現腔體與外界保持封閉與連通的巷道開挖與瞬間打開模塊，通過控制其開閉，使測試巖樣在腔體內完成深部高地應力含氣/液環境下的多場耦合反應；所述腔體外部設置有能夠推動所述腔體在水平與垂直兩個方位之間運動的翻轉模塊。

【技術特征摘要】
1.一種深部高地應力煤巖體動力災害與驅替模擬試驗系統，其特征是：包括放置測試巖樣的腔體，所述腔體上設置有用于施加三軸應力的應力加載模塊，所述腔體上、下端設置有對抗三軸應力、提供反力支撐的反力模塊；所述腔體一側設置有向腔體內注入與排出高壓氣體/液體的充填機構，另一端設置有能夠實現腔體與外界保持封閉與連通的巷道開挖與瞬間打開模塊，通過控制其開閉，使測試巖樣在腔體內完成深部高地應力含氣/液環境下的多場耦合反應；所述腔體外部設置有能夠推動所述腔體在水平與垂直兩個方位之間運動的翻轉模塊。2.如權利要求1所述的一種深部高地應力煤巖體動力災害與驅替模擬試驗系統，其特征是：所述反力模塊，包括設置在所述腔體頂端的前蓋和設置在所述腔體底端的后蓋，所述前蓋和后蓋之間通過多個縱向拉桿連接，所述縱向拉桿的兩端設置有緊固件，以保持前蓋和后蓋緊固包裹所述腔體。3.如權利要求1所述的一種深部高地應力煤巖體動力災害與驅替模擬試驗系統，其特征是：所述應力加載模塊，包括設置在所述腔體內壁四周的圍壓加載板和腔體后部緊貼面式充填板的軸向加載油缸，以及緊貼所述圍壓加載板以起到反力作用力的傳力墊板。4.如權利要求2所述的一種深部高地應力煤巖體動力災害與驅替模擬試驗系統，其特征是：所述腔體的前蓋上設置有圍壓進出油口和底部進出油口。5.如權利要求1所述的一種深部高地應力煤巖體動力災害與驅替模擬...

【專利技術屬性】
技術研發人員：李術才，王漢鵬，李清川，袁亮，張冰，薛俊華，李勇，周偉，張德民，段昌瑞，任波，
申請(專利權)人：山東大學，淮南礦業集團有限責任公司，
類型：發明
國別省市：山東;37