一种采动区地面井剪切破坏模拟实验方法技术

本发明专利技术公开了一种采动区地面井剪切破坏模拟实验方法，步骤为：1)制作上下岩块；2)上下岩块采用锯齿面咬合；3)在管道内粘贴若干应变片，将管道插入上下岩块整体的通孔；4)试件养护；5)试件通过变角剪切夹具安装MTS试验机上；6)在试件上安装声发射探头、内窥镜探头和电阻监测仪触点，并连接好监测设备；7)设置MTS试验机的加载路径，对试件加载；8)数据分析处理。本发明专利技术能精准定位不同采动条件下地面井剪切破坏位置，并表征地面井井壁破坏程度。根据现场不同的地质条件及时对实验条件进行调整，可针对不同开采阶段、空间位置调整应力加载路径，提高研究的针对性，且该方法可重复性强，能更好的保障实验结果的准确性。好的保障实验结果的准确性。好的保障实验结果的准确性。

【技术实现步骤摘要】
一种采动区地面井剪切破坏模拟实验方法


[0001]本专利技术涉及矿山工程技术及煤矿安全生产领域，具体涉及一种采动区地面井剪切破坏模拟实验方法。

技术介绍

[0002]采动卸压地面井瓦斯抽采技术在工程应用过程中往往会因为煤层的采动影响导致地面井的失稳破坏进而失效，因此探究地面井在煤层采动过程中的变形破坏过程对于该技术的应用十分重要。基于国内外学者的研究，采动区地面井的主要破坏形式包括剪切破坏、拉伸破坏和挤压破坏，其中以剪切破坏最为常见，但由于地面井施工现场条件较为复杂，难以通过实验室简单的力学试验来研究地面井在采动过程中的变形情况。目前针对地面井变形规律的研究大多利用数值模拟或者相似模拟试验，相似模拟试验条件虽然能够比较接近实际工程实际情况，但实验过程需要消耗大量的人力物力且试验过程干扰因素较多，导致实验结果往往不够理想。
[0003]因此，亟需研发一种能解决上述问题的方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种采动区地面井剪切破坏模拟实验方法，以解决现有技术中存在的问题。
[0005]为实现本专利技术目的而采用的技术方案是这样的，一种采动区地面井剪切破坏模拟实验方法，包括以下步骤：
[0006]1)根据矿井地质条件及地面井所处位置，选取对应材料及相应配比，分别制作出岩块Ⅰ和岩块Ⅱ。其中，所述岩块Ⅰ的一侧和岩块Ⅱ的一侧均为锯齿面。
[0007]2)将所述岩块Ⅰ与岩块Ⅱ安装并通过锯齿面咬合，在岩块Ⅰ和岩块Ⅱ的整体上开设供地面井模拟管道安装的通孔，通孔的两端分别贯穿岩块Ⅰ和岩块Ⅱ。
[0008]3)在所述地面井模拟管道内壁上粘贴若干应变片，并将地面井模拟管道插入岩块Ⅰ和岩块Ⅱ整体上的通孔，在通孔与地面井模拟管道外壁之间注入水泥浆，完成试件的制作。其中，所述岩块Ⅰ和岩块Ⅱ的咬合面记为试件的剪切面，若干应变片均靠近试件的剪切面，地面井模拟管道的一端靠近岩块Ⅰ背离岩块Ⅱ的一侧，另一端靠近岩块Ⅱ背离岩块Ⅰ的一侧。
[0009]4)将所述试件放入养护箱中进行养护。
[0010]5)将变角剪切夹具安装MTS试验机上，并将所述试件安装在变角剪切夹具上。
[0011]6)将若干所述应变片与动态应变监测仪连接，声发射探头粘贴在试件的外壁上并靠近剪切面，声发射探头与声发射监测设备连接，将内窥镜的探头放入地面井模拟管道并靠近试件的剪切面，将电阻监测仪的两个触点分别连接到地面井模拟管道的两端。
[0012]7)设置所述MTS试验机的加载路径，对试件进行加载试验，声发射监测设备、动态应变监测仪、内窥镜和电阻监测仪进行数据采集。
[0013]8)对数据进行分析处理，得到实验结果。
[0014]进一步，在步骤1)中，所述岩块Ⅰ的材料按质量份包括：石英砂30份、石膏5份、碳酸钙10份、骨料10份和水15份。所述岩块Ⅱ的材料按质量份包括：石英砂10份、水泥粉15、石膏15份、碳酸钙15份、骨料5份和水15份。
[0015]所述原型和模型的物理量包括几何尺寸l、容重γ、时间t、弹性模量E和应力σ，p和m分别表示原型和模型的物理量，C表示相似常数，各物理量之间的相似比为：
[0016]C
l
＝l
P
/l
m
＝100，C
γ
＝γ
p
/γ
m
＝1.5，C
t
＝t
P
/t
m
＝20，C
σ
＝C
l
C
γ
＝σ
P
/σ
m
＝150,C
E
＝C
σ
＝150。
[0017]进一步，所述地面井模拟管道由镁铝合金材料制成。
[0018]进一步，所述岩块Ⅰ背离岩块Ⅱ的一侧设置有水泥护环，地面井模拟管道的上端位于水泥护环内。
[0019]进一步，所述应变片的表面涂有隔热胶。
[0020]进一步，步骤7)对所述试件进行加载时，施压类型包括加载型、卸载型和稳定型，加载路径为加载型、卸载型和稳定型中的至少一种。
[0021]所述加载型为逐渐增大对试件的荷载，卸载型为逐渐减小对试件的荷载，稳定型为对试件的荷载恒定不变，施压类型根据矿井实际的开采阶段以及空间位置进行确定。
[0022]进一步，步骤8)中，利用所述动态应变监测仪测得的应变数据计算出地面井模拟管道靠近试件剪切面位置的轴向变形和环向变形，结合试验机加载应力数据，画出对应位置的应力
‑
应变曲线，根据声发射监测设备测得的数据推算采动过程中地面井发生破坏时间，利用声发射定位系统定位各个时段地面井发生损伤破坏的位置，根据电阻监测仪记录的地面井模拟管道电阻，利用电阻计算公式和内窥镜的视图，计算出地面井模拟管道在剪切面处的有效截面。
[0023]进一步，实验过程中，采用摄像机进行全程拍摄。
[0024]本专利技术的技术效果是毋庸置疑的，由于现场采动区地面井受力极其复杂，其剪切破坏难以研究，而实验室缺乏有效实验手段，本专利技术实验方法能够较好的针对地面井高危位置的破坏情况进行研究，精准定位不同采动条件下地面井剪切破坏位置，并表征地面井井壁破坏程度。此外，该实验方法能根据现场不同的地质条件及时对实验条件进行调整，可以针对不同开采阶段、空间位置调整应力加载路径，使得在研究过程中更有针对性，并且该方法可重复性强，能更好的保障实验结果的准确性。
附图说明
[0025]图1为本专利技术方法的流程图；
[0026]图2为变角剪切夹具的示意图；
[0027]图3为模拟试验系统示意图；
[0028]图4为试件的示意图；
[0029]图5为试件受载情况示意图。
[0030]图中：MTS试验机1、摄像机2、声发射监测设备3、动态应变监测仪4、内窥镜7、电阻监测仪8、变角剪切夹具9、岩块Ⅰ10、岩块Ⅱ11、地面井模拟管道12、水泥护环13、滑板14和垫板15。
具体实施方式
[0031]下面结合实施例对本专利技术作进一步说明，但不应该理解为本专利技术上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本专利技术上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本专利技术的保护范围内。
[0032]实施例1：
[0033]参见图1，本实施例公开了一种采动区地面井剪切破坏模拟实验方法，包括以下步骤：
[0034]1)根据矿井地质条件及地面井所处位置，选取对应材料及相应配比，分别制作出岩块Ⅰ10和岩块Ⅱ11。其中，所述岩块Ⅰ10的一侧和岩块Ⅱ11的一侧均为锯齿面，所述岩块Ⅰ10的材料按质量份包括：石英砂30份、石膏5份、碳酸钙10份、骨料10份和水15份。所述岩块Ⅱ11的材料按质量份包括：石英砂10份、水泥粉15、石膏15份、碳酸钙15份、骨料5份和水15份。所述原型和模型的物理量包括几何尺寸l、容重γ、时间t、弹性模量E和应力σ本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种采动区地面井剪切破坏模拟实验方法，其特征在于：包括以下步骤：1)根据矿井地质条件及地面井所处位置，选取对应材料及相应配比，分别制作出所述岩块Ⅰ(10)和岩块Ⅱ(11)；其中，所述岩块Ⅰ(10)的一侧和岩块Ⅱ(11)的一侧均为锯齿面；2)将所述岩块Ⅰ(10)与岩块Ⅱ(11)安装并通过锯齿面咬合，在岩块Ⅰ(10)和岩块Ⅱ(11)的整体上开设供地面井模拟管道(12)安装的通孔，通孔的两端分别贯穿岩块Ⅰ(10)和岩块Ⅱ(11)；3)在所述地面井模拟管道(12)内壁上粘贴若干应变片，并将地面井模拟管道(12)插入岩块Ⅰ(10)和岩块Ⅱ(11)整体上的通孔，在通孔与地面井模拟管道(12)外壁之间注入水泥浆，完成试件的制作；其中，所述岩块Ⅰ(10)和岩块Ⅱ(11)的咬合面记为试件的剪切面，若干应变片均靠近试件的剪切面，地面井模拟管道(12)的一端靠近岩块Ⅰ(10)背离岩块Ⅱ(11)的一侧，另一端靠近岩块Ⅱ(11)背离岩块Ⅰ(10)的一侧；4)将所述试件放入养护箱中进行养护；5)将变角剪切夹具(9)安装MTS试验机(1)上，并将所述试件安装在变角剪切夹具(9)上；6)将若干所述应变片与动态应变监测仪(4)连接，声发射探头粘贴在试件的外壁上并靠近剪切面，声发射探头与声发射监测设备(3)连接，将内窥镜(7)的探头放入地面井模拟管道(12)并靠近试件的剪切面，将电阻监测仪(8)的两个触点分别连接到地面井模拟管道(12)的两端；7)设置所述MTS试验机(1)的加载路径，对试件进行加载试验，声发射监测设备(3)、动态应变监测仪(4)、内窥镜(7)和电阻监测仪(8)进行数据采集；8)对数据进行分析处理，得到实验结果。2.根据权利要求1所述的一种采动区地面井剪切破坏模拟实验方法，其特征在于：在步骤1)中，所述岩块Ⅰ(10)的材料按质量份包括：石英砂30份、石膏5份、碳酸钙10份、骨料10份和水15份；所述岩块Ⅱ(11)的材料按质量份包括：石英砂10份、水泥粉15、石膏15份、碳酸钙15份、骨料5份和水15份；所述原型和模型的物理量包括几何尺寸l、容重γ、时间t、弹性模量E和应力σ，p和m分别表示原型和模型的物理量，C表示相似常数，各物理量之间的相似比为：C
l
＝l
P
/l

【专利技术属性】
技术研发人员：邹全乐，刘莹，梁运培，王鑫，王智民，冉启灿，夏晓峰，孔繁杰，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：