CN108956931B - 一种煤与瓦斯突出离心模型试验装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种煤与瓦斯突出离心模型试验装置，以及利用该装置进行煤与瓦斯突出强度预测的方法。该装置包括一个离心机101、配重箱102、试验箱103、地层模型箱3；其中地层模型箱内从上到下依次分层设置：橡胶垫层301、上覆岩层模型302、煤层顶板模型303、煤层上密封膜304、煤层模型305、煤层下密封膜306、煤层底板模型307；所述各层均由实际地层情况按相似性材料和缩小比尺进行制作。由于煤与瓦斯突出机理的复杂性，煤与瓦斯突出机理的研究还在继续探索中，基于各种突出机理假说的煤与瓦斯突出强度的计算方法还不成熟。本实验装置可以在特定的离心加速度下模拟特定的地层自重应力作用下的煤与瓦斯突出过程，预测煤与瓦斯突出的强度，结构可靠。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿地下开采煤与瓦斯突出强度定量预测与防治领域，具体涉及一种煤与瓦斯突出离心模型试验装置及其中具体参数的确定方法。
背景技术
煤与瓦斯突出是主要的矿井灾害之一。由于煤与瓦斯突出机理的复杂性，国内外对煤与瓦斯突出机理的研究仍在继续探索中。基于各种突出机理假说而提出的突出强度计算方法还不成熟。在这种条件下，探索一种能够预测煤矿现场煤与瓦斯突出突出强度的室内试验方法具有重要意义。
目前，国内外研制的煤与瓦斯突出试验装置主要是对突出强度的定性分析，不能进行煤矿现场的煤与瓦斯突出强度的定量预测。煤与瓦斯突出发生时突出的煤岩量可从数吨到上万吨级别的规模，传统的室内试验无法模拟。
土工离心模拟是将缩小尺寸的土工模型放置在高速旋转的离心机中，让模型承受大于重力加速度的离心加速度的作用，补偿因模型缩尺带来的土工结构物的自重损失。目前，国内外开展的土工离心模拟试验主要在边坡稳定、深基坑和地下隧道工程、港口与海洋工程、***和冲击荷载和固体废弃物填埋场污染物的迁移等问题的模拟。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种能够对煤与瓦斯突出过程进行模拟试验的离心装置及利用其进行煤与瓦斯突出强度预测的方法。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种煤与瓦斯突出离心模型试验装置，包括一个离心机、配重箱、试验箱、地层模型箱；
所述配重箱和试验箱通过连接轴安装在离心机相互对称的位置；
所述试验箱与所述配重箱形状重量相同；
所述试验箱的试验箱底板通过下螺栓连接地层模型箱底板；
所述配重箱底部固定一个与地层模型箱重量相同的配重块；
所述地层模型箱包括：地层模型箱底板、盖板、介于地层模型箱底板与盖板之间的柱形的主箱，其中主箱上边缘通过上螺栓与盖板密封固定，地层模型箱底板通过下螺栓与试验箱底板连接固定；
其中橡胶垫层为一层橡胶，上覆岩层模型为一密闭箱，其底面形状与主箱内截面相同，箱内充填钢砂或铅砂，煤层上密封膜、煤层下密封膜为有形变能力的的密封膜，与主箱构成了一个密封区域，所述煤层模型由煤粉和少量粘结剂组成，填充于该密封区域；
主箱在煤层模型处设有抽气阀、注气阀、揭煤装置，所述揭煤装置为一个具有自动开启功能的快动型密封阀门，其内侧连通煤层模型。在合适时刻，打开揭煤装置将模拟煤与瓦斯突出过程。
进一步改进在于：所述试验箱的四面和底部互相密封连接，防止煤喷出后洒落。
进一步改进在于：所述离心机为一个转动速度可控的离心机，所述揭煤装置为一个具有倒计时开启功能的快动型密封阀门。这样能在需要的离心加速度时打开装置，模拟特定地层自重应力的煤与瓦斯突出结果。
进一步的，利用本装置进行煤与瓦斯突出规模预测的方法，通过以下步骤实现：
利用以上煤与瓦斯突出离心模型试验装置进行煤与瓦斯突出规模预测的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，制备地层模型箱(3)内各层模型，
步骤1-1，获得煤矿现场煤层顶板、底板物理力学参数，
步骤1-2，按照测量的煤层顶、底板物理力学参数，制备煤层顶板模型和煤层底板模型，煤层模型用煤粉和粘结剂按一定比例制备，煤层顶板和底板模型采用相似性材料(重晶石粉、石英砂、石膏、甘油、水泥和水)按一定比例制备，
步骤1-3，获得煤矿现场煤层及煤层顶、底板实际厚度，
步骤1-4，将煤层及煤层顶、底板实际厚度乘以确定模型中各层的厚度，
步骤1-5，按照模型高度、密度及离心加速度三者乘积等于煤层顶板上覆岩层自重应力的原则制备上覆岩层模型的高度和钢砂和铅砂的填充量，
步骤1-6，将各层按顺序放入地层模型箱，选择厚度合适的橡胶垫层(301)，确保各层之间紧密无缝隙，并用上螺栓安装盖板；
步骤2，确定揭煤装置的口径，
步骤2-1，得到煤矿现场揭煤断面口径；
步骤2-2，将煤矿现场揭煤断面口径乘以即揭煤装置的口径；
步骤3，在主箱壁对应煤层模型的位置安装揭煤装置、抽气阀和注气阀；
步骤4-1，关闭揭煤装置和注气阀，通过抽气阀抽出煤层模型中的气体，
步骤4-2，关闭抽气阀，通过注气阀，向煤层模型注入试验气体，使煤层模型中的气压达到预定值，
步骤4-3：设置揭煤装置的倒计时时长T，
步骤4-4：启动离心机，并开始倒计时，
步骤4-5：揭煤装置打开后，煤与瓦斯突出过程结束，停止离心机运动，收集试验箱内的煤粉并称重；
步骤5-1：按照相似理论确定煤与瓦斯突出强度相似比尺K，
步骤5-2：把试验箱内的煤粉质量乘以K换算成实际场景的煤与瓦斯突出煤粉质量即煤与瓦斯突出强度。
发明原理：如果离心模型获得了N倍重力加速度，则尺寸缩小N倍的模型与原型的自重应力比值等于其密度比值，这是自重应力相似性原则；按照边界条件相似性原则，地层模型的宽度要大于20倍的揭煤装置口径。
土工离心模拟是将缩小尺寸的土工模型放置在高速旋转的离心机中，让模型承受大于重力加速度的离心加速度的作用，补偿因模型缩尺带来的土工结构物的自重损失。目前，国内外开展的土工离心模拟试验主要在边坡稳定、深基坑和地下隧道工程、港口与海洋工程、***和冲击荷载和固体废弃物填埋场污染物的迁移等问题的模拟。将缩小尺寸的地层模型置于高速旋转的离心机中，让模型承受高于重力加速度的离心加速度的作用。如此，对于受重力作用的地层模型，假设尺寸缩小N倍的模型承受N倍重力加速度时，认为模型自重应力与原型相似。目前，国内外通过离心模型试验来预测土体和岩体滑坡规模和弹坑体积等方面的研究取得良好的效果。根据离心模型的相似率关系，如果离心加速度为N倍重力加速度，原型尺寸缩小N倍时，则模型中的***能量为原型的N3倍。英国Wales大学通过一系列离心模型试验研究了地下***对地下结构的影响，在离心模型中对弹坑形状的研究表明，在模型试验中所得弹坑体积与根据现场试验观测值得到的经验公式预测结果非常接近。
煤与瓦斯突出是煤层性质、地应力(包括自重应力、构造应力和采动应力)和瓦斯压力三因素相互作用的结果，本发明提供了一种能研究上述三因素相互作用的煤与瓦斯突出物理模型。本发明依据煤矿现场的地层实际厚度，按照比尺关系，制作缩小的地层模型，各地层模型的物理力学参数参照实际地层的物理力学参数按照相似比制备；关闭注气阀和揭煤装置，抽出煤层模型中的空气，注入试验气体，并使煤层模型的气压达到预定值；启动离心机，当离心加速度按照预定时间达到设定加速度值时，揭煤装置自动开启，模拟煤矿现场揭煤，产生一次模拟的煤与瓦斯突出。按照离心模型试验的突出强度比尺关系，把模型试验得到的煤与瓦斯突出强度换算为现场突出强度，实现煤矿现场煤与瓦斯突出强度的定量预测。
本发明具有的有益效果是：由于煤与瓦斯突出机理的复杂性，煤与瓦斯突出机理的研究还在继续探索中，基于各种突出机理假说的煤与瓦斯突出强度的计算方法还不成熟。煤与瓦斯突出发生时突出的煤岩量可从数吨到上万吨级别的规模，常规试验无法模拟。
离心模型试验的“时空压缩效应”能够把小比尺模型代替原型地质体，从而满足煤与瓦斯突出强度预测的要求。煤与瓦斯突出离心模型试验既是一种预测现场煤与瓦斯突出的试验方法，又是一种验证煤与瓦斯突出突出机理合理性的重要试验手段。通过建立与煤矿现场地质条件相似的地层模型，让模型承受与现场相似的自重应力和煤层气压条件，按照模型相似关系，把模拟试验得到的突出强度换算为煤矿现场的突出强度，实现煤与瓦斯突出强度的定量预测。
另外本发明提出了具体模型的制作比例及方法，以及揭煤装置的倒计时时长设定，更具有可实施性。
附图说明
图1是本发明的静止整体结构示意图；
图2是本发明的运行时整体结构示意图；
图3是本发明中地层模型箱3的结构示意图。
其中：101.离心机，3.地层模型箱，501.下螺栓，103.试验箱，106.运行时试验箱，107.运行时配重箱，102.配重箱，502.上螺栓，2.地层模型箱底板，105.试验箱底板，8.地层模型箱顶外缘，9.地层模型箱盖板，301.橡胶垫层，302.上覆岩层模型，303.煤层顶板模型，304.煤层上密封膜，305.煤层模型，306.煤层下密封膜，307.煤层底板模型，4.揭煤装置，501.下螺栓，6.抽气阀，7.注气阀。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。
如图1、3所示，一种煤与瓦斯突出离心模型试验装置，包括一个离心机101、配重箱102、试验箱103、地层模型箱3；
所述离心机101为一个转动加速度可控的离心机；所述配重箱102和试验箱103通过连接轴104安装在离心机101相互对称的位置；
所述试验箱103与所述配重箱102形状与重量相同；
所述试验箱103的试验箱底板105通过下螺栓501连接地层模型箱底板2；所述试验箱103的四面和底部互相密封连接。
所述配重箱102底部设有一个与地层模型箱3重量相同的配重块；
所述地层模型箱3包括：地层模型箱底板2、盖板9、介于地层模型箱底板与盖板之间的柱形的主箱，其中主箱上边缘8通过上螺栓502与盖板9密封固定，地层模型箱底板2通过下螺栓501与试验箱底板105连接固定；
所述地层模型箱底板2、盖板9与主箱之间围成的空间，从上到下依次分层设置：橡胶垫层301、上覆岩层模型302、煤层顶板模型303、煤层上密封膜304、煤层模型305、煤层下密封膜306、煤层底板模型307；
其中橡胶垫层301为一层橡胶，上覆岩层模型302为一密闭箱，其底面形状与主箱内截面相同，箱内充填钢砂或铅砂，煤层上密封膜304、煤层下密封膜306为有弹性的密封膜，与主箱构成了一个密封区域，所述煤层模型305由煤粉和少量粘结剂组成，填充与该密封区域；
主箱在煤层模型305处设有抽气阀6、注气阀7、揭煤装置4，所述揭煤装置4为一个具有倒计时自动开启功能的快动型密封阀门，其内侧连通煤层模型305。
使用该装置进行煤与瓦斯突出模拟预测时，根据以下步骤进行：
步骤1，制备地层模型箱(3)内各层模型，
步骤1-2，获得煤矿现场煤层顶板、底板物理力学参数，
步骤1-3，按照测量的煤层顶、底板物理力学参数，制备煤层顶板模型和煤层底板模型，煤层模型用煤粉和粘结剂按一定比例制备，煤层顶板和底板模型采用相似性材料(重晶石粉、石英砂、石膏、甘油、水泥和水)按一定比例制备，
步骤1-4，获得煤矿现场煤层及煤层顶、底板实际厚度，
步骤1-5，将煤层及煤层顶、底板实际厚度乘以确定模型中各层的厚度，
步骤1-6，按照模型高度、密度及离心加速度三者乘积等于煤层顶板上覆岩层自重压力的原则制备上覆岩层模型的高度和钢砂和铅砂的填充量，
步骤1-7，将各层按顺序放入地层模型箱(3)，选择厚度合适的橡胶垫层(301)，确保各层之间紧密无缝隙，并用上螺栓(502)安装盖板(9)；
步骤2，确定揭煤装置(4)的口径，
步骤2-1，得到煤矿现场揭煤断面口径；
步骤2-2，将煤矿现场揭煤断面口径乘以即揭煤装置(4)的口径；
步骤3，在主箱壁对应煤层模型(305)的位置安装揭煤装置(4)、抽气阀(6)和注气阀(7)；
步骤4-1，关闭揭煤装置(4)和注气阀(7)，通过抽气阀(6)抽出煤层模型(305)中的气体，
步骤4-2，关闭抽气阀(6)，通过注气阀(7)，向煤层模型(305)注入试验气体，使煤层模型(305)中的气压达到预定值，
步骤4-3：设置揭煤装置(4)的倒计时时长T，一般30分钟左右即可达到既定的转速，
步骤4-4：启动离心机101，并开始倒计时，
步骤4-5：揭煤装置4打开后，煤与瓦斯突出过程结束，停止离心机101运动，收集试验箱103内的煤粉并称重；
步骤5-1：按照相似理论确定煤与瓦斯突出强度相似比尺K，
步骤5-2：把试验箱103内的煤粉质量乘以K换算成实际场景的煤与瓦斯突出煤粉质量即煤与瓦斯突出强度。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种利用煤与瓦斯突出离心模型试验装置进行煤与瓦斯突出强度预测的方法，其特征在于，所述装置包括一个离心机(101)、配重箱(102)、试验箱(103)、地层模型箱(3)；
所述离心机(101)为一个转动速度可控的离心机；
所述配重箱(102)和试验箱(103)通过连接轴(104)安装在离心机(101)相互对称的位置；
所述试验箱(103)的四面和底部互相密封连接，所述试验箱(103)与所述配重箱(102)形状与重量相同；
所述试验箱(103)的试验箱底板(105)通过下螺栓(501)连接地层模型箱底板(2)；
所述配重箱(102)底部设有一个与地层模型箱(3)重量相同的配重块；
所述地层模型箱(3)包括：地层模型箱底板(2)、盖板(9)、介于地层模型箱底板与盖板之间的柱形的主箱，其中主箱上边缘(8)通过上螺栓(502)与盖板(9)密封固定，地层模型箱底板(2)通过下螺栓(501)与试验箱底板(105)连接固定；
所述地层模型箱底板(2)、盖板(9)与主箱之间围成的空间，从上到下依次分层设置：橡胶垫层(301)、上覆岩层模型(302)、煤层顶板模型(303)、煤层上密封膜(304)、煤层模型(305)、煤层下密封膜(306)、煤层底板模型(307)；
其中橡胶垫层(301)为一层橡胶，上覆岩层模型(302)为一密闭箱，其底面形状与主箱内截面相同，箱内充填钢砂或铅砂，用于补偿煤层顶板上覆岩层自重应力，煤层上密封膜(304)、煤层下密封膜(306)为有形变能力的密封膜，与主箱构成了一个密封区域，所述煤层模型(305)由煤粉和少量粘结剂组成，填充于该密封区域；
主箱在煤层模型(305)处设有抽气阀(6)、注气阀(7)、揭煤装置(4)，所述揭煤装置(4)为一个具有倒计时开启功能的快动型密封阀门，其内侧连通煤层模型(305)；
其中，所述方法包括以下步骤：
步骤1，制备地层模型箱(3)内各层模型；
步骤1-1，获得煤矿现场煤层顶板、底板物理力学参数；
步骤1-2，按照测量的煤层顶、底板物理力学参数，制备煤层顶板模型和煤层底板模型，煤层模型用煤粉和粘结剂按一定比例制备，煤层顶板和底板模型采用相似性材料即重晶石粉、石英砂、石膏、甘油、水泥和水按一定比例制备；
步骤1-3，获得煤矿现场煤层及煤层顶、底板实际厚度；
步骤1-4，将煤层及煤层顶、底板实际厚度乘以确定模型中各层的厚度；
步骤1-5，按照模型高度、密度及离心加速度三者乘积等于煤层顶板上覆岩层自重应力的原则制备上覆岩层模型的高度和钢砂和铅砂的填充量；
步骤1-6，将各层按顺序放入地层模型箱(3)，选择厚度合适的橡胶垫层(301)，确保各层之间紧密无缝隙，并用上螺栓(502)安装盖板(9)；
步骤2，确定揭煤装置(4)的口径，
步骤2-1，得到煤矿现场揭煤断面口径；
步骤2-2，将煤矿现场揭煤断面口径乘以即揭煤装置(4)的口径；
步骤3，在主箱壁对应煤层模型(305)的位置安装揭煤装置(4)、抽气阀(6)和注气阀(7)；
步骤4-1，关闭揭煤装置(4)和注气阀(7)，通过抽气阀(6)抽出煤层模型(305)中的气体；
步骤4-2，关闭抽气阀(6)，通过注气阀(7)，向煤层模型(305)注入试验气体，使煤层模型(305)中的气压达到预定值；
步骤4-3：设置揭煤装置(4)的倒计时时长T；
步骤4-4：启动离心机(101)，并开始倒计时；
步骤4-5：揭煤装置(4)打开后，煤与瓦斯突出过程结束，停止离心机(101)运动，收集试验箱(103)内的煤粉并称重；
步骤5-1：按照相似理论确定煤与瓦斯突出强度相似比尺K；
步骤5-2：把试验箱(103)内的煤粉质量乘以K换算成实际场景的煤与瓦斯突出煤粉质量即煤与瓦斯突出强度。
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| 煤与瓦斯突出物理模拟试验研究新进展;袁亮;薛阳;王汉鹏;马正卫;余国锋;康建宏;任波;;隧道与地下工程灾害防治(01);全文 * |
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