一种煤层钻孔卸压室内模拟试验系统与方法技术方案

本发明专利技术属于岩土工程室内试验领域，涉及一种煤层钻孔卸压室内模拟试验系统与方法，包括力学加载装置、钻孔装置、外部监测装置。力学加载装置为室内力学试验机。钻孔装置由刚性垫块、承载架、钻孔机、齿轮齿条传动机构等组成。外部监测装置为DIC高速摄像系统。试验方法，包括：(1)原煤试样制取及单轴抗压强度测定；(2)类煤岩材料试样制备及强度标定；(3)布置试验系统(4)对试样预先施加不同水平的轴向荷载；(4)维持轴向荷载，并实施钻孔；(5)试验机继续加载直至试样破坏；(6)试验数据整理；(7)钻孔卸压效果评价。本发明专利技术可用于深部围岩钻孔卸压机理、钻孔参数优化设计、卸压效果评价，以及钻孔卸压时机等问题的试验研究。孔卸压时机等问题的试验研究。孔卸压时机等问题的试验研究。

【技术实现步骤摘要】
一种煤层钻孔卸压室内模拟试验系统与方法


[0001]本专利技术属于岩土工程室内试验
，更具体涉及一种煤层钻孔卸压室内模拟试验系统与方法。

技术介绍

[0002]公开该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
[0003]随着煤炭资源开采深度和开采强度的增加，煤矿冲击地压等动力灾害发生频度和强度日益加剧，严重威胁着煤矿的安全生产。冲击地压的发生与煤岩体的应力状态有着紧密的关系，其本质就是煤岩体在高应力状态下达到极限承载力突然失稳破坏，储存的弹性变形能瞬间释放而产生煤岩体抛射和爆炸现象。因此，根据冲击地压应力控制理论，采用一定的临场解危方法弱化和转移采场的局部高应力状态，对于冲击地压灾害的防治具有重要的意义。由于钻孔卸压具有工艺简单、操作便捷、施工速度快等优点，在转移巷道周边高应力的同时，为煤层中提供了新的自由面，使得钻孔周围裂隙贯通发育处于低应力状态，为煤岩膨胀变形提供了补偿空间。因此，该技术在实际工程中得到了广泛应用。
[0004]对钻孔卸压机理以及合理钻孔参数的深入研究具有重要的科学意义和工程应用价值。室内煤岩钻孔卸压试验是一个重要的研究手段，然而，以往针对室内钻孔卸压实验的报道大多都是针对含预制圆孔的岩样进行力学试验，未考虑实际工程中煤岩体在未打设钻孔时所处的实际应力状态的影响，不能够反映真实受力状态下钻孔卸压效果。随着工作面的向前推进，工作面前方的煤岩体应力状态逐渐升高，当应力达到多少时进行钻孔卸压效果最好仍是个尚不明确的难题。另一方面，由于大尺寸煤岩试样较难制备，在实验室很难开展较为全面的煤岩钻孔卸压试验。以上所存在的不足，造成了对围岩钻孔卸压机理、钻孔参数优化以及钻孔卸压效果评价方法的研究仍然不够深入。其主要原因是缺乏有效的钻孔卸压室内实验设备及方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的主要问题是针对上述研究中存在的不足，为进一步深入研究围岩钻孔卸压防冲机理、参数优化以及效果评价等，提供一种试验系统和试验方法。
[0006]为实现上述技术目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]本专利技术的第一个方面，提供了一种煤层钻孔卸压室内模拟试验系统，包括：力学加载装置1、钻孔装置、外部监测装置27，所述力学加载装置的测试平台上设置有刚性垫块2，所述刚性垫块2与钻孔装置固定相连，所述钻孔装置钻头垂直于力学加载装置的应力加载方向，所述钻头的高度和水平位置可调，钻头可前后移动；所述外部监测装置27位于钻孔装置一侧，实时采集钻孔处应变场演化特征。
[0008]本专利技术提出了一种煤层钻孔卸压室内模拟试验系统及方法，可对钻孔卸压防冲机
理的深入研究提供试验支撑。
[0009]在一些实施例中，所述钻孔装置包括钻孔机4、纵向齿轮齿条传动机构28、横向齿轮齿条传动机构29和竖向齿轮齿条传动机构30；所述的横向齿轮齿条传动机构29的齿轮套26外边固定设置有竖向齿轮齿条传动机构30，所述竖向齿轮齿条传动机构30的齿轮套9前端与所述钻孔机4相连，所述横向齿轮齿条传动机构29的两端分别与纵向齿轮齿条传动机构28的齿轮相连。
[0010]在一些实施例中，所述纵向齿轮齿条传动机构28包括两条平行设置的齿条，每条齿条5与齿轮啮合，所述齿轮的轴承与伺服电机7相连，所述齿轮外侧设置有齿轮套25，所述齿条的两端设置有限位块6。
[0011]在一些实施例中，所述横向齿轮齿条传动机构29和竖向齿轮齿条传动机构30分别由齿条13、8、齿轮、手动把手31、32、齿轮套9、26组成；所述齿条13、8与齿轮啮合，齿轮的轴与手动把手31、32相连，所述齿轮设置在齿轮套9、26内。
[0012]在一些实施例中，所述刚性垫块2通过承载架与纵向齿轮齿条传动机构28相连。
[0013]在一些实施例中，所述承载架包括钢板3和竖向可收缩支架10；所述钢板3的一端与刚性垫块2的外侧相连，所述钢板3还与齿条5相连，所述钢板3的另一端与竖向可收缩支架10相连。
[0014]在一些实施例中，所述竖向可收缩支架10含有三级伸缩管，且二级和三级缩管上设置有定位孔12。
[0015]在一些实施例中，所述限位块6的底部设有一个长方形卡槽15，分别与承载架前端钢板3以及竖向可伸缩支架10的连接。
[0016]本专利技术的第二个方面，提供了一种煤层钻孔卸压室内模拟试验方法，包括：
[0017]在待测的类煤岩试样表面制作散斑；
[0018]将待测的类煤岩试样布设在任一上述的系统上，采用外部监测装置进行全程观测；
[0019]对所述试样施加水平的轴向荷载，维持轴向荷载，根据实验要求对类煤岩试样实施钻孔；
[0020]钻孔完成后，退出钻具；
[0021]给试验机设定位移上限值，对试样继续加载，直至试样破坏；
[0022]收集试验数据，进行钻孔卸压效果评价。
[0023]本专利技术的第三个方面，提供了任一上述的系统在煤炭资源开采中的应用。
[0024]本专利技术的有益效果在于：
[0025](1)钻孔装置由各个部件组装而成，结构简单且易于组装，适用于各种室内实验条件。
[0026](2)钻孔机的移动均采用齿轮齿条进行传动，通过布设三个齿轮齿条传动机构，可实现钻孔机在前后、上下、左右各个方向上进行移动，可根据试验方案所定的各种钻孔布设方式对岩样快速的精准实施钻孔，避免了手持式钻孔机在钻孔过程中不能保证直线钻进、易晃动、费时费力等缺点。
[0027](3)本专利技术的试验系统及试验方法能够在室内进行钻孔卸压试验时能够实时按照试验方案进行钻孔。并考虑岩样在受到特定水平的预荷载之后再进行钻孔对岩样强度、破
坏形式等的影响。通过DIC高速摄像系统，能够及时准确记录钻孔前、钻孔时以及钻孔后岩样的应变场、位移场的演化。该专利技术可考虑多种试验条件，解决了现场钻孔卸压条件单一、效果难以评价，复杂条件下卸压机理不清，卸压参数设计缺少依据的问题。
[0028](4)本申请的操作方法简单、成本低、具有普适性，易于规模化生产。
附图说明
[0029]构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。
[0030]图1为钻孔卸压试验系统整体主视结构图；
[0031]图2为钻孔装置俯视结构图；
[0032]图3为刚性垫块；
[0033]图4为支撑架前端钢板主视结构图；
[0034]图5为限位块主视和侧视结构图；
[0035]图6为纵向齿轮齿条传动机构的齿条主视和俯视结构图；
[0036]图7为竖向可伸缩支架主视结构图；
[0037]附图标记说明：
[0038]1—力学加载装置；2—刚性垫块；3—承载架前端钢板；4—钻孔机；5—纵齿条；6—限位块；7—伺服电机；8—竖向齿条；9—竖向本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种煤层钻孔卸压室内模拟试验系统，其特征在于，包括：力学加载装置(1)、钻孔装置、外部监测装置(27)，所述力学加载装置的测试平台上设置有刚性垫块(2)，所述刚性垫块(2)与钻孔装置固定相连，所述钻孔装置钻头垂直于力学加载装置的应力加载方向，所述钻头的高度和水平位置可调，钻头可前后移动；所述外部监测装置(27)位于钻孔装置一侧，实时采集钻孔处应变场演化特征。2.如权利要求1所述的煤层钻孔卸压室内模拟试验系统，其特征在于，所述钻孔装置包括钻孔机(4)、纵向齿轮齿条传动机构(28)、横向齿轮齿条传动机构(29)和竖向齿轮齿条传动机构(30)；所述的横向齿轮齿条传动机构(29)的齿轮套(26)外边固定设置有竖向齿轮齿条传动机构(30)，所述竖向齿轮齿条传动机构(30)的齿轮套(9)前端与所述钻孔机(4)相连，所述横向齿轮齿条传动机构(29)的两端分别与纵向齿轮齿条传动机构(28)的齿轮相连。3.如权利要求1所述的煤层钻孔卸压室内模拟试验系统，其特征在于，所述纵向齿轮齿条传动机构(28)包括两条平行设置的齿条，每条齿条(5)与齿轮啮合，所述齿轮的轴承与伺服电机(7)相连，所述齿轮外侧设置有齿轮套(25)，所述齿条的两端设置有限位块(6)。4.如权利要求1所述的煤层钻孔卸压室内模拟试验系统，其特征在于，所述横向齿轮齿条传动机构(29)和竖向齿轮齿条传动机构(30)分别由齿条(13、8)、齿轮、手动把手(31、32)、齿轮套(9、26)组成；所述齿条(13、8)...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵武胜，秦长坤，陈卫忠，钟坤，高厚，
申请(专利权)人：中国科学院武汉岩土力学研究所，
类型：发明
国别省市：