高应力软岩地层在采动应力下变形模拟试验方法技术

本发明专利技术公开了一种高应力软岩地层在采动应力下变形模拟试验方法，通过选取细砂和粉质黏土按照重量比1:5配制好作为软岩地层模型材料，在试件箱内分层铺设并逐层压实，最大压制压力可达到10MPa，在每层材料的四个转角和中间位置处各埋设一个位移传感器，以模拟软岩地层；再将试件箱箱体吊装至转运架上，在施加真三轴预应力的基础上，进行采动应力的施加：维持水平的两向应力恒定，改变垂直方向不同压板的应力，进而模拟采动应力，设置4#压头的垂直应力为7MPa，3#压头的应力为20MPa，2#压头的应力为15MPa，1#压头的垂直应力为10MPa，实时监测采动过程中位移传感器监测到的位移数据，记录流量变形数据，能真实模拟高应力软岩底层在采动应力下的变形情况。采动应力下的变形情况。采动应力下的变形情况。

【技术实现步骤摘要】
高应力软岩地层在采动应力下变形模拟试验方法


[0001]本专利技术属于煤岩体力学性能测试试验设备
，具体涉及一种高应力软岩地层在采动应力下变形模拟试验方法。

技术介绍

[0002]随着煤炭资源的长期开发，我国煤炭开采深度以每年10～25m的速度逐步向深部发展，与浅部资源相比，深部开采所面临的瓦斯赋存条件更加复杂，煤与瓦斯突出危险性逐渐升级，煤矿瓦斯灾害将成为长期制约我国煤矿安全生产的关键问题，对我国能源可持续发展造成极大威胁。长期的实践及研究表明，实现深部煤层瓦斯的高效抽采是保障我国煤炭企业安全生产的重要问题，而低透气性瓦斯储层的增产改造则是其中的核心技术和热点问题。为此，要针对我国煤层气(煤矿瓦斯)储层高地应力、复杂地质构造、低透气性特点，进一步加强低渗透性煤层气(煤矿瓦斯)储层高效抽采关键技术装备研究，深化煤层气渗流机理等基础理论研究，加强深部低透气性煤层增透机制等重点课题研究。
[0003]随着煤矿开采深度的增加，近年来煤与瓦斯突出事故频发，突出强度越来越高，人员伤亡惨重，给煤炭生产造成了阴影。开展多场耦合作用下煤岩损伤破坏特性以及煤与瓦斯突出研究，不仅对揭示煤岩体的力学行为及其破坏失稳的力学机理，完善和发展岩体损伤力学、断裂力学等均具有丰富的理论内涵和学术价值，而且对矿业工程发展具有极其丰富的科学、技术与工程意义。然而，由于开展煤岩多场耦合作用研究的复杂性和艰巨性，此方面的工作仍是初步的、不全面的，已有的研究成果与工程应用也有较大的距离。因此，对煤与瓦斯突出灾害机制的研究也势在必行。
[0004]随着煤层开采深度的逐渐增加，高应力特别是软岩底层下，受煤层采动应力影响的软岩底层变形直接影响地下煤层的开采安全，现目前尚未有关于高应力软岩地层中采用应力下变形模拟试验方法研究，存在技术空白。

技术实现思路

[0005]本专利技术拟提供一种高应力软岩地层在采动应力下变形模拟试验方法，能真实模拟采动应力下高应力软岩地层的变形情况。
[0006]为此，本专利技术所采用的技术方案为：一种高应力软岩地层在采动应力下变形模拟试验方法，包括以下步骤：
[0007]步骤一、试样准备；
[0008]选取细砂和粉质黏土按照重量比1:5配制好作为软岩地层模型材料，将模型材料在试件箱内分层铺设并逐层压实，最大压制压力可达到10MPa，并在每层材料的四个转角和中间位置处各埋设一个位移传感器；再将试件箱箱体吊装至转运架上；
[0009]步骤二、准备多场耦合煤岩体动力灾害防控技术模拟系统安装；
[0010]多场耦合煤岩体动力灾害防控技术模拟系统包括主体模型和转运架；所述主体模型具有真三轴模拟实验功能，包括真三轴加载系统和步骤一中的试件箱；X方向具有独立液
压加载装置进行加压，最大加载压力5000kN；Y、Z两个方向均有4组独立的液压加载装置进行加压，单组液压加载装置最大加载压力3000kN，每组液压加载装置能单独控制，并实现1000mm长度方向不同作用力加载，能够更加真实地模拟地下储层三轴应力状态；
[0011]将试件箱通过转运架送入真三轴加载系统中，使试件箱体的应力加载垫块与真三轴加载系统中的压头一一对应；
[0012]步骤三、施加真三轴预应力；
[0013]根据实测的地层地应力，利用真三轴加载系统对模拟地层施加地应力，在加载应力的过程中，首先移动压头，使压头与加载垫块接触，并施加一定的预应力以达到σ
x
＝σ
y
＝σ
z
的静水压力状态，然后以阶梯型的方式逐一加载Z、Y、X三个方向应力达到预定的地应力值；
[0014]步骤四、模拟施加真三轴采动应力；
[0015]维持水平的两向应力恒定，改变垂直方向不同压板的应力，进而模拟采动应力，设置4#压头的垂直应力为7MPa，3#压头的应力为20MPa，2#压头的应力为15MPa，1#压头的垂直应力为10MPa，实时监测采动过程中位移传感器监测到的位移数据，并记录流量变形数据；
[0016]步骤五、同组其他试验；
[0017]更换软岩地层模型材料试件，或者改变真三轴采动应力的加载速率，重复步骤一至步骤四；
[0018]步骤六、试验结束；
[0019]试验完成后需将力负荷卸载为零，然后将液压系统切换至低压，将试件卸下，关闭计算机及控制器，切断电源，试验结束。
[0020]作为上述方案的优选，所述多场耦合煤岩体动力灾害防控技术模拟系统，包括主体高压腔模块和试件箱模块，所述主体高压腔模块的外壳是采用圆环、左圆端盖、右圆端盖结合螺栓围成的外圆内圆的高压封闭压力仓结构，在圆环内壁的前后上下分别安装有前垫块、后垫块、上垫块和下垫块，且前垫块、后垫块、上垫块和下垫块围成一个矩形腔正好供试件箱模块放入，所述左圆端盖上贯穿安装有轴向液压缸，所述右圆端盖分为冲孔型、渗流型、突出型，右圆端盖的中部分别贯穿安装有冲孔、渗流、突出接口，左圆端盖、右圆端盖上分别贯穿开有线束管路引出孔，下垫块顶部左右间隔地设槽安装有一列升降器，所述升降器能突出下垫块外，也能沉入下垫块内；
[0021]所述试件箱模块是采用左侧板、底板、顶板、右侧板、前侧板、后侧板结合螺栓围成的矩形试件容纳腔，且矩形试件容纳腔与高压封闭压力仓的轴心线共线，在矩形试件容纳腔内的左侧安装有左压板、顶部左右依次安装有若干上压板、前部左右依次安装有若干前压板，所述轴向液压缸能穿过左侧板与左压板相连，每个上压板通过贯穿安装在顶板上的上垫块与顶部液压缸相连，每个前压板通过贯穿安装在前侧板上的侧垫块与侧向液压缸相连，所述上压板、前压板、底板、后侧板上开孔安装有若干加热管和控温探头，上压板、前压板、左压板、底板、后侧板、右侧板上开孔安装有若干超声波探头，所述试件箱模块的底部通过衬板左右间隔地安装有一列滚轮，当试件箱模块推入主体高压腔模块内时，升降器支撑在滚轮下方；
[0022]在所述底板的正上方设置有与上压板一一对应的防窜流板，所述防窜流板上开设有中心进气孔和若干环绕中心进气孔的环形槽，且所有环形槽与中心进气孔通过呈发散状
分布的联络槽连通，进气管横向穿过试件箱模块的侧壁接入所述中心进气孔的底部，所述防窜流板的上方安装有透气隔板，在试件的左右两端安装过滤板，在试件的上下前后安装密封垫。
[0023]多场耦合煤岩体动力灾害防控技术模拟系统具有的特点：
[0024](1)主体高压腔模块的外壳是采用圆环、左圆端盖、右圆端盖结合螺栓围成的外圆内圆的高压封闭压力仓，与传统由六块板围成的外方内方的压力仓结构截然不同；同时，由于试件箱模块本身为矩形，为满足试件箱模块的安装，创造性地在高压封闭压力仓内壁的前后上下分别安装异形的前、后、上和下垫块，并通过前、后、上和下垫块围成一个正好供试件箱模块放入的矩形腔，从而形成外圆内方的试件箱模块安装环境，内部耐压能力更强，密封能力更好，能提供的内部耐压高达10MPa，为多场耦合煤岩体动力灾害防控模拟试验提供更好的试验环境；
[0025](2)右本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高应力软岩地层在采动应力下变形模拟试验方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、试样准备；选取细砂和粉质黏土按照重量比1:5配制好作为软岩地层模型材料，将模型材料在试件箱内分层铺设并逐层压实，最大压制压力可达到10MPa，并在每层材料的四个转角和中间位置处各埋设一个位移传感器；再将试件箱箱体吊装至转运架上；步骤二、准备多场耦合煤岩体动力灾害防控技术模拟系统安装；多场耦合煤岩体动力灾害防控技术模拟系统包括主体模型和转运架；所述主体模型具有真三轴模拟实验功能，包括真三轴加载系统和步骤一中的试件箱；X方向具有独立液压加载装置进行加压，最大加载压力5000kN；Y、Z两个方向均有4组独立的液压加载装置进行加压，单组液压加载装置最大加载压力3000kN，每组液压加载装置能单独控制，并实现1000mm长度方向不同作用力加载，能够更加真实地模拟地下储层三轴应力状态；将试件箱通过转运架送入真三轴加载系统中，使试件箱体的应力加载垫块与真三轴加载系统中的压头一一对应；步骤三、施加真三轴预应力；根据实测的地层地应力，利用真三轴加载系统对模拟地层施加地应力，在加载应力的过程中，首先移动压头，使压头与加载垫块接触，并施加一定的预应力以达到σ
x
＝σ
y
＝σ
z
的静水压力状态，然后以阶梯型的方式逐一加载Z、Y、X三个方向应力达到预定的地应力值；步骤四、模拟施加真三轴采动应力；维持水平的两向应力恒定，改变垂直方向不同压板的应力，进而模拟采动应力，设置4#压头的垂直应力为7MPa，3#压头的应力为20MPa，2#压头的应力为15MPa，1#压头的垂直应力为10MPa，实时监测采动过程中位移传感器监测到的位移数据，并记录流量变形数据；步骤五、同组其他试验；更换软岩地层模型材料试件，或者改变真三轴采动应力的加载速率，重复步骤一至步骤四；步骤六、试验结束；试验完成后需将力负荷卸载为零，然后将液压系统切换至低压，将试件卸下，关闭计算机及控制器，切断电源，试验结束。2.按照权利要求1所述的高应力软岩地层在采动应力下变形模拟试验方法，其特征在于：所述多场耦合煤岩体动力灾害防控技术模拟系统包括主体高压腔模块和试件箱模块，所述主体高压腔模块的外壳(1)是采用圆环(3)、左圆端盖(4)、右圆端盖(5)结合螺栓围成的外圆内圆的高压封闭压力仓结构，在圆环(3)内壁的前后上下分别安装有前垫块(2)、后垫块(9)、上垫块(10)和下垫块(11)，且前垫块(2)、后垫块(9)、上垫块(10)和下垫块(11)围成一个矩形腔正好供试件箱模块放入，所述左圆端盖(4)上贯穿安装有轴向液压缸(6)，所述右圆端盖(5)分为冲孔型、渗流型、突出型，右圆端盖(5)的中部分别贯穿安装有冲孔、渗流、突出接口，左圆端盖(4)、右圆端盖(5)上分别贯穿开有线束管路引出孔(7)，下垫块(11)顶部左右间隔地设槽安装有一列升降器(8)，所述升降器(8)能突出下垫块(11)外，也能沉入下垫块(11)内；所述试件箱模块是采用左侧板(12)、底板(13)、顶板(14)、右侧板(15)、前侧板(23)、后侧板(24)结合螺栓围成的矩形试件容纳腔，且矩形试件容纳腔与高压封闭压力仓的轴心线
共线，在矩形试件容纳腔内的左侧安装有左压板(16)、顶部左右依次安装有若干上压板(17)、前部左右依次安装有若干前压板(18)，所述轴向液压缸(6)能穿过左侧板(12)与左压板(16)相连，每个上压板(17)通过贯穿安装在顶板(14)上的上垫块(19)与顶部液压缸(20)...

【专利技术属性】
技术研发人员：张建国，张东明，王满，杨国和，余北辰，杜苇航，李新建，
申请(专利权)人：重庆大学中国平煤神马控股集团有限公司，
类型：发明
国别省市：