CN113567244B - 一种用于煤与瓦斯突出模拟试验的正断层物理模拟试验装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于煤与瓦斯突出模拟试验的正断层物理模拟试验装置及其方法,包括两块挡板,每个挡板由至少两块可伸缩挡板上下连接而成,上下侧的相邻的两块可伸缩挡板之间通过可折叠连接结构相连,可折叠连接结构包括分别设置在可伸缩挡板的上端和下端的球形凸缘和球窝凹槽,相对设置的两个可伸缩挡板之间通过至少两根可调横撑连接,可调横撑为伸缩杆,可调横撑的两端分别设置有球形端头,可伸缩挡板上对应球形端头分别设置有球窝,左右侧的可伸缩挡板的球窝对称设置,球形端头***球窝中,并能在球窝中转动。实现了模拟煤层与正断层共同制作完成的可能,避免了先、后制作产生扰动的影响,本发明制作的含正断层模拟煤层与实际赋存相似程度高。
Description
技术领域
本发明涉及煤与瓦斯突出模拟试验技术领域,具体涉及一种用于煤与瓦斯突出模拟试验的正断层物理模拟试验装置及其方法。
背景技术
煤与瓦斯突出是煤矿地下开采过程中发生的一种极其复杂的动力现象,严重威胁煤矿的安全生产。尽管目前国内外学者对煤与瓦斯突出机理的认识统一到综合假说上来,并认识到突出本身就是一个释放能量、破坏煤体的力学过程,但由于煤与瓦斯突出的复杂性,为进一步提高煤与瓦斯突出预防水平,煤与瓦斯突出的力学作用机理及过程尚需进行量化研究。受煤与瓦斯突出的危险性及发生条件所限,对其研究无法采用直接观察的方法,因而,煤与瓦斯突出模拟试验是研究煤与瓦斯突出力学作用机理及过程的有效方法,随着技术的进步,所用试验装置不断提升,由早期的一维(圆柱形)和小尺寸模型发展到目前的三维(长方体)和大尺寸模型。
采用三维大型煤与瓦斯突出模式试验装置,其试验工艺过程为:先配合压力试验机用相似材料在密封箱体内进行模拟煤层的压制,然后对密封箱体内的模拟煤层进行试验气体充装与吸附,吸附平衡后压力试验机施加三维压力进入突出准备(孕育)阶段,开启突出口进行突出发动、终止,通过高频数据采集仪、高速摄像机等进行突出过程和突出后的数据采集,量化研究突出力学作用过程。
含瓦斯煤层赋存及煤与瓦斯突出受地质构造控制,早期试验装置受密封箱体尺寸小的限制,无法实现将地质构造模型加入到模拟试验中。目前,现有试验装置的密封箱尺寸较大,如,中煤科工集团重庆研究院有限公司研制的试验装置,密封箱体内部尺寸为1.5m×0.8m×0.8m(长×宽×高);淮南矿业集团研制的试验装置,密封箱体尺寸为3.3m×3.25m×4.1m(长×宽×高),大尺寸的密封箱体空间及兼具模拟煤层压制模具的特点,具备了将地质构造模型加入模拟试验的条件。在开展物理模拟试验时,在垂直、水平加载及充高压气体密封条件下加入断层模型,将提高试验的相似度,有利于煤与瓦斯突出机理及防治技术的提高。但现有正断层模拟试验装置多由底座、立柱、箱体等组成,与煤与瓦斯突出试验装置的密封箱体比尺寸巨大,无法应用于密封箱体,且制作方法和工艺无法满足密封箱体模拟煤层分层压制制作及突出相似的需求,故需要用于煤与瓦斯突出模拟试验的正断层模拟试验装置及其实现方法。
发明内容
针对现有技术中所存在的不足,本发明的目的在于提供一种用于煤与瓦斯突出模拟试验的正断层物理模拟试验装置,用以在箱体模具内加压分层制作含正断层的模拟煤层,实现正断层包含断距、构造应力、产状等特征,用于正断层影响的煤与瓦斯突出模拟试验。本发明还公开了煤与瓦斯突出正断层物理模拟试验方法。
为实现上述第一目的,本发明采用了如下的技术方案:一种用于煤与瓦斯突出模拟试验的正断层物理模拟试验装置,其特征在于:包括左右对称相向布置的两块挡板,每个挡板由至少两块可伸缩挡板上下连接而成,所述可伸缩挡板包括上半部分挡板和下半部分挡板,所述上半部分挡板插接在下半部分挡板上对应的竖向插接槽内,上下侧的相邻的两块可伸缩挡板之间通过可折叠连接结构相连,所述可折叠连接结构包括分别设置在可伸缩挡板的下端和上端的球形凸缘和球窝凹槽,上下侧之间的可伸缩挡板通过球形凸缘和球形凹槽实现快速可折叠连接,且球形凸缘能在球窝凹槽中转动,相对设置的两个可伸缩挡板之间通过至少两根可调横撑连接,所述可调横撑为伸缩杆,所述可调横撑的两端分别设置有球形端头,所述可伸缩挡板上对应球形端头分别设置有球窝,左右侧的可伸缩挡板的球窝对称设置,所述球形端头***球窝中,并能在球窝中转动。
左右对称布置的挡板通过两者之间的可调横撑、球窝连接形成一个稳定空间。当用于模拟煤层加压制作时,两侧与箱体之间充填模拟煤层材料,挡板之间空间形成正断层断距及落差。
可伸缩挡板具有高度可调的特征,可实现随着松散模拟材料分层加压压制时能协同变形,不被压坏。可伸缩挡板的长度可根据模拟煤层尺寸或模拟正断层尺寸要求加工。
上下侧的可伸缩挡板通过可折叠连接结构实现让上下侧可伸缩挡板处于不同平面内,用于模拟断层断面不平整度;且其快速连接方式便于随着箱体内模拟煤层分成压制不断拼接,以及模拟煤层压制完成后便于拆卸。
可调横撑,实现了对称挡板间距的可调。可调横撑与可伸缩挡板之间采用球窝连接方式,可实现可调横撑与可伸缩挡板成不同角度,满足模拟不同产状正断层需求。
上述方案中:所述可调横撑包括水平的外套筒和水平的内套筒,所述内套筒套在外套筒中,所述内套筒和外套筒上均对应设置有一排插销孔,所述内套筒能在外套筒内移动,并通过***它们中的插销将内套筒和外套筒锁紧定位。通过拉动内套筒实现伸缩,通过插销锁紧。
上述方案中:所述球窝设置在可伸缩挡板的下半部分挡板上。
上述方案中:左右侧的对称设置的两块可伸缩挡板之间均一前一后设置两根可伸缩横撑,两根可调横撑同高。
本发明的第二目的是这样实现的:一种煤与瓦斯突出正断层物理模拟试验方法,其特征在于,按照如下方法制作:(1)根据模拟正断层的产状、端距、落差等参数将两片可伸缩挡板对称放置于煤与瓦斯突出模拟装置箱体内,用两根可调横撑固定并调整确定其倾斜角度和相对位置;(2)在可伸缩挡板两侧与箱体之间空间充填松散模拟煤层材料并使用压力机施加垂直荷载压实,分层形成模拟煤层;(3)再将两片可伸缩挡板与之前两片可伸缩挡板通过可折叠连接结构快速连接,调节折叠角度,并用两根调节可调横撑固定,重复步骤(2);(4)重复步骤(3)和步骤(2),直至达到模拟煤层设计厚度;(5)养护,拆除该试验装置,完成用于煤与瓦斯突出模拟试验的正断层制作。
有益效果:本发明设计合理、结构简单、实施容易,解决了狭小空间模拟煤层分层加压制作难题,实现了模拟煤层与正断层共同制作完成的可能,避免了先、后制作产生扰动的影响,本发明制作的含正断层模拟煤层与实际赋存相似程度高。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为可伸缩挡板的左侧视图。
图3为可调横撑的结构示意图。
图4为可伸缩挡板之间可折叠连接结构示意图。
图5为可调横撑与可伸缩挡板球窝连接结构示意图。
图6为含正断层模拟煤层示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细的说明:
如图1-6所示,一种用于煤与瓦斯突出模拟试验的正断层物理模拟试验装置由可伸缩挡板1、可调横撑2拼接而成。
至少两块可伸缩挡板1上下连接构成挡板,两块挡板左右对称相向布置,两块挡板之间空间形成正断层断距及落差。
可伸缩挡板1包括上半部分挡板101和下半部分挡板102,上半部分挡板101插接在下半部分挡板102上对应的竖向插接槽内,上下侧的相邻的两块可伸缩挡板1之间通过可折叠连接结构相连,可折叠连接结构包括分别设置在可伸缩挡板1的下端和上端的球形凸缘3和球窝凹槽4,球窝凹槽4为通槽,上下侧之间的可伸缩挡板1通过球形凸缘3和球形凹槽4实现快速可折叠连接,且球形凸缘3能在球窝凹槽4中转动。通过球形凸缘3在球窝凹槽4中转动实现调节上下的可伸缩挡板不在同一面上,用于模拟断层断面不平整度;且其快速连接方式便于随着箱体内模拟煤层分成压制不断拼接,以及模拟煤层压制完成后便于拆卸。
相对设置的两个可伸缩挡板1之间通过至少两根可调横撑2连接,优选左右侧的对称设置的两块可伸缩挡板1之间均一前一后设置两根可伸缩横撑2,,两根可调横撑2同高。
可调横撑2为伸缩杆,包括水平的外套筒201和水平的内套筒202,内套筒202套在外套筒201中,内套筒202和外套筒201上均对应设置有一排插销孔203,内套筒202能在外套筒201内移动,并通过***它们中的插销将内套筒202和外套筒203锁紧定位。可调横撑2长度可变,实现了对称挡板间距的可调。
可调横撑2的两端分别设置有球形端头204,可伸缩挡板1上对应球形端头204分别设置有球窝103,左右侧的可伸缩挡板1的球窝103对称设置,球形端头204***球窝103中,并能在球窝103中转动。优选球窝103设置在可伸缩挡板1的下半部分挡板102上。球窝连接方式,可实现可调横撑2与可伸缩挡板1成不同角度,满足模拟不同产状正断层需求。
使用时,按照如下方法制作:(1)根据模拟正断层的产状、端距、落差等参数将两片可伸缩挡板对称放置于煤与瓦斯突出模拟装置箱体5内,用两根可调横撑2固定并调整确定其倾斜角度和相对位置,以调节两块挡板之间的距离;(2)在可伸缩挡板1两侧与箱体5之间空间充填松散模拟煤层材料并使用压力机施加垂直荷载压实,分层形成模拟煤层6;(3)再将两片可伸缩挡板与之前两片可伸缩挡板通过可折叠连接结构快速连接,调节折叠角度,并用两根调节可调横撑固定,重复步骤(2);(4)重复步骤(3)和步骤(2),直至达到模拟煤层设计厚度;(5)养护,拆除该试验装置,完成用于煤与瓦斯突出模拟试验的正断层7制作。
最后说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (3)
1.一种煤与瓦斯突出正断层物理模拟试验方法,包括用于煤与瓦斯突出模拟试验的正断层物理模拟试验装置,其特征在于:所述用于煤与瓦斯突出模拟试验的正断层物理模拟试验装置包括左右对称相向布置的两块挡板,每个挡板由至少两块可伸缩挡板上下连接而成,所述可伸缩挡板包括上半部分挡板和下半部分挡板,所述上半部分挡板插接在下半部分挡板上对应的竖向插接槽内,上下侧的相邻的两块可伸缩挡板之间通过可折叠连接结构相连,所述可折叠连接结构包括分别设置在可伸缩挡板的下端和上端的球形凸缘和球窝凹槽,上下侧之间的可伸缩挡板通过球形凸缘和球形凹槽实现快速可折叠连接,且球形凸缘能在球窝凹槽中转动,相对设置的两个可伸缩挡板之间通过至少两根可调横撑连接,所述可调横撑为伸缩杆,所述可调横撑的两端分别设置有球形端头,所述可伸缩挡板上对应球形端头分别设置有球窝,左右侧的可伸缩挡板的球窝对称设置,所述球形端头***球窝中,并能在球窝中转动;所述可调横撑包括水平的外套筒和水平的内套筒,所述内套筒套在外套筒中,所述内套筒和外套筒上均对应设置有一排插销孔,所述内套筒能在外套筒内移动,并通过***它们中的插销将内套筒和外套筒锁紧定位;
按照如下方法制作:(1)根据模拟正断层的产状、端距和落差参数将两片可伸缩挡板对称放置于煤与瓦斯突出模拟装置箱体内,用两根可调横撑固定并调整确定其倾斜角度和相对位置;(2)在可伸缩挡板两侧与箱体之间空间充填松散模拟煤层材料并使用压力机施加垂直荷载压实,分层形成模拟煤层;(3)再将两片可伸缩挡板与之前两片可伸缩挡板通过可折叠连接结构快速连接,调节折叠角度,并用两根可调横撑固定,重复步骤(2);(4)重复步骤(3)和步骤(2),直至达到模拟煤层设计厚度;(5)养护,拆除该试验装置,完成用于煤与瓦斯突出模拟试验的正断层制作。
2.根据权利要求1所述煤与瓦斯突出正断层物理模拟试验方法,其特征在于:所述球窝设置在可伸缩挡板的下半部分挡板上。
3.根据权利要求2所述煤与瓦斯突出正断层物理模拟试验方法,其特征在于:左右侧的对称设置的两块可伸缩挡板之间均一前一后设置两根可伸缩横撑,两根可调横撑同高。
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