巷道保压掘进过程多应变率扰动致突模拟试验系统与方法技术方案

本公开提出了巷道保压掘进过程多应变率扰动致突模拟试验系统及方法，包括：反力密封系统，其所形成的高压气体密封空间内布置有试验模型，被配置为提供加载的反力，并对试验模型高压气体充填保压及真三维地应力加载条件下巷道掘进；反力密封系统作为试验系统的主体结构，分别安装有动静复合加载油缸、动载施加系统及声发射监测系统；动静复合加载油缸，被配置为实现试验模型表面真三维多应变率动静荷载耦合施加及煤岩弹性能快速释放模拟；动载施加系统，被配置为将多应变率扰动荷载定量施加于所述动静复合加载油缸；本公开技术方案可在实现试验模型高气压充填和地应力加载的条件下同时实现巷道保压掘进和多应变率动静耦合加载。

【技术实现步骤摘要】
巷道保压掘进过程多应变率扰动致突模拟试验系统与方法
本公开属于矿业工程安全
，尤其涉及煤与瓦斯突出物理模拟试验中充气保压条件下巷道掘进过程多应变率动载扰动致突模拟试验系统。
技术介绍
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。煤与瓦斯突出是地应力、瓦斯压力和煤的物理力学性质共同作用的结果，但各因素的作用机制尚处于探索研究阶段。研究煤与瓦斯突出机理的主要手段有理论分析、模拟试验、数值模拟和现场监测，因煤与瓦斯突出过程中多因素耦合作用机制及力学模型尚不明确，导致理论和数值计算停滞不前，现场监测信息较单一且又很难支撑科学研究，所以物理模拟试验是目前研究煤与瓦斯突出的主流手段。目前，针对煤与瓦斯突出模拟试验装置已开展大量的研究工作，研制了一系列模拟试验装置，主要研究现状如下：(1)专利号为CN201110187459的中国专利专利技术公开了一种构造煤卸压突出模拟实验装置，可用于模拟在顶板断裂的力学条件下，深部扰动卸压导致的煤与瓦斯突出过程，并对相关的瓦斯压力参数进行测定。使用时可调整压制煤样的煤粉粒径参数、气体加载压力、煤样的压制厚度、煤样的压制力以及不同的扰动力获得不同的试验结果。(2)专利号为CN201410398007的中国专利专利技术公开了一种动力扰动诱导煤与瓦斯突出模拟实验装置及实验方法，解决了现有技术诱导煤与瓦斯突出模拟实验装置没有考虑远场集中动荷载的扰动和复杂地质条件导致实验结果不准确，不能有效预防和治理瓦斯等问题。(3)专利号为CN201910281860的中国专利专利技术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，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。综合分析，上述物理模拟试验装置还存在以下不足之处：(1)无法在高压气体充填及地应力加载条件下同时实现多应变率动静耦合加载及巷道掘进揭煤；(2)只是能实现某一种动态荷载的施加，无法实现多种动态荷载定量自动化施加，试验功能相对单一；(3)现场实际工程中，地下工程表面围岩破坏后，深部弹性区围岩会迅速释放弹性能，促进突出过程。现有试验装置无法实现弹性能快速释放模拟；(4)声发射数据作为分析岩石材料破裂损伤的重要参量，对分析突出机理具有重要意义，但现有试验装置受限于高气压恶劣环境和气密封要求，无法进行声发射信号三维高精度获取。
技术实现思路
为克服上述现有技术的不足，本公开提供了巷道保压掘进过程多应变率扰动致突模拟试验系统，能够实现高压气体充填及地应力加载条件下多应变率动静荷载耦合施加、动态扰动荷载定量控制、弹性能释放模拟及声发射信号高精度获取。为实现上述目的，本公开的一个或多个实施例提供了如下技术方案：第一方面，公开了巷道保压掘进过程多应变率扰动致突模拟试验系统，包括：反力密封系统，其所形成的高压气体密封空间内布置有试验模型，被配置为提供加载的反力，并对试验模型高压气体充填保压及真三维地应力加载条件下巷道掘进；所述反力密封系统作为试验系统的主体结构，分别安装有动静复合加载油缸、动载施加系统及声发射监测系统；所述动静复合加载油缸，被配置为实现试验模型表面真三维多应变率动静荷载耦合施加及煤岩弹性能快速释放模拟；所述动载施加系统，被配置为将多应变率扰动荷载定量施加于所述动静复合加载油缸；所述声发射监测系统，被配置为实现试验模型内部的三维声发射信号无损引出及获取。进一步的技术方案，所述动静复合加载油缸由缸体、中空活塞、补压活塞、冲击杆组成，所述中空活塞和所述补压活塞将所述缸体空间分为回程腔、油压腔及储能腔；优选的，所述冲击杆穿过所述中空活塞，贯穿整个所述动静复合加载油缸，在外部对所述冲击杆施加多种应变率的冲击荷载，进而传递于试验模型，实现动静耦合加载；优选的，所述动静复合加载油缸内设置有多道密封圈，隔离各腔室，实现动态密封；所述回程腔通过液压油将中空活塞调整至指定位置。所述油压腔内充入高压油，油压经所述中空活塞传递于试验模型；所述储能腔内充入高压气体，高压气体经高压油进一步压缩可存储气体膨胀能，当试验模型破碎后，承载迅速下降，高压气体快速膨胀做功，通过所述补压活塞作用于所述油压腔，进而传递于试验模型，模拟弹性区围岩弹性能快速释放的过程。进一步的技术方案，所述动载施加系统包括动载框架、重锤、摆锤、重锤提升机构、摆锤抬升机构、霍普金森杆，所述动载框架为所述动载施加系统的主体结构，其余各机构均安装于所述动载框架；所述动载框架安装于所述反力密封系统外围，所述动载框架上设置滑移装置，实现所述动载框架滑移；优选的，所述重锤、所述摆锤和所述霍普金森杆均可对所述动静复合加载油缸施加冲击荷载，所述重锤提升机构将所述重锤提升至指定高度，所述摆锤抬升机构将摆锤抬升至指定高度，从而实现冲击荷载的定量施加。进一步的技术方案，所述声发射监测系统用于实现试验模型内部的声发射信号无损引出，所述声发射监测系统由声发射探头、信号探针、安装法兰、螺栓、密封圈组成；所述信号探针穿过所述反力密封系统进入模型，所述信号探针与所述反力密封系统之间布置所述密封圈，实现气密封；优选的，所述信号探针通过所述安装法兰、所述密封圈及所述螺栓密封安装于所述反力密封系统；优选的，所述信号探针为不锈钢密实材质，方便声发射信号无损传递；所述声发射探头紧密贴合于所述信号探针外端，实现了声发射信号的高精度获取；优选的，所述声发射信号检测系统试验过程中布置于所述反力密封系统的多个面上，不同监测点形成三维空间，实现模型内部的声发射信号三维获取，进而可分析形成试验模型内部三维裂隙场。进一步的技术方案，所述反力密封系统包括反力装置、掘进装置及旋转油缸；所述反力装置自下而上分别为底板结构、中部回形结构、顶板结构，形成试验模型高压气体密封空间；所述底板结构底部安装所述旋转油缸，可将反力装置按照模型煤岩层的倾角旋转，以水平分层铺设倾斜煤岩层；所述掘进装置安装于所述反力装置前部，实现试验模型巷道保压掘进。进一步的技术方案，所述底板结构设置有充气孔及引线孔，所述充气孔用于向试验模型进行高压气体充填，所述引线孔用于试验模型内部多种传感器的信号线引出。进一步的技术方案，所述反力密封系统还设有多个加载孔，所述加载孔的内部对应布置推力板，所述加载孔的外部安装所述动静复合加载油缸，实现真三维地应力加载。进一步的技术方案，所述动载框架上设置有滑移装置，将所述动载框架移动至指定位置，所述重锤与所述动静复合加载油缸的所述冲击杆同心布置，所述摆锤在落下状态也与所述动静复合加载油缸的所述冲击杆同心布置。第二方面，公开了巷道保压掘进过程多应变率扰动致突模拟试验方法，包括本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.巷道保压掘进过程多应变率扰动致突模拟试验系统，其特征是，包括：/n反力密封系统，其所形成的高压气体密封空间内布置有试验模型，被配置为提供加载的反力，并对试验模型高压气体充填保压及真三维地应力加载条件下巷道掘进；/n所述反力密封系统作为试验系统的主体结构，分别安装有动静复合加载油缸、动载施加系统及声发射监测系统；/n所述动静复合加载油缸，被配置为实现试验模型表面真三维多应变率动静荷载耦合施加及煤岩弹性能快速释放模拟；/n所述动载施加系统，被配置为将多应变率扰动荷载定量施加于所述动静复合加载油缸；/n所述声发射监测系统，被配置为实现试验模型内部的三维声发射信号无损引出及获取。/n

【技术特征摘要】
1.巷道保压掘进过程多应变率扰动致突模拟试验系统，其特征是，包括：
反力密封系统，其所形成的高压气体密封空间内布置有试验模型，被配置为提供加载的反力，并对试验模型高压气体充填保压及真三维地应力加载条件下巷道掘进；
所述反力密封系统作为试验系统的主体结构，分别安装有动静复合加载油缸、动载施加系统及声发射监测系统；
所述动静复合加载油缸，被配置为实现试验模型表面真三维多应变率动静荷载耦合施加及煤岩弹性能快速释放模拟；
所述动载施加系统，被配置为将多应变率扰动荷载定量施加于所述动静复合加载油缸；
所述声发射监测系统，被配置为实现试验模型内部的三维声发射信号无损引出及获取。


2.如权利要求1所述的巷道保压掘进过程多应变率扰动致突模拟试验系统，其特征是，所述动静复合加载油缸由缸体、中空活塞、补压活塞、冲击杆组成，所述中空活塞和所述补压活塞将所述缸体空间分为回程腔、油压腔及储能腔；
优选的，所述冲击杆穿过所述中空活塞，贯穿整个所述动静复合加载油缸，在外部对所述冲击杆施加多种应变率的冲击荷载，进而传递于试验模型，实现动静耦合加载；
优选的，所述动静复合加载油缸内设置有多道密封圈，隔离各腔室，实现动态密封；
所述回程腔通过液压油将中空活塞调整至指定位置。


3.如权利要求2所述的巷道保压掘进过程多应变率扰动致突模拟试验系统，其特征是，所述油压腔内充入高压油，油压经所述中空活塞传递于试验模型；
所述储能腔内充入高压气体，高压气体经高压油进一步压缩可存储气体膨胀能，当试验模型破碎后，承载迅速下降，高压气体快速膨胀做功，通过所述补压活塞作用于所述油压腔，进而传递于试验模型，模拟弹性区围岩弹性能快速释放的过程。


4.如权利要求1所述的巷道保压掘进过程多应变率扰动致突模拟试验系统，其特征是，所述动载施加系统包括动载框架、重锤、摆锤、重锤提升机构、摆锤抬升机构、霍普金森杆，所述动载框架为所述动载施加系统的主体结构，其余各机构均安装于所述动载框架；
所...

【专利技术属性】
技术研发人员：王汉鹏，袁亮，王伟，张冰，王粟，章冲，王鹏，郑瑞阶，
申请(专利权)人：山东大学，安徽理工大学，
类型：发明
国别省市：山东;37