本发明专利技术公开了一种模拟井下冲击地压三维动态加载装置及冲击地压预测方法，该装置包括围压动态加载装置和围压保持机构，该方法包括步骤：一、模拟井下钻进过程中冲击地压动态过程；二、保持钻机的钻进参数一致，获取不同围压下的钻机扭矩；三、计算钻机扭矩下的煤岩体试件抗剪强度；四、建立围压与煤岩体试件抗剪强度的关系；五、采集井下实际钻进过程中的钻机扭矩大小，预测冲击地压。本发明专利技术采用模拟井下冲击地压三维动态加载装置模拟煤岩体冲击地压动态过程，随后进行钻进试验，定时定量获取钻进过程中不同围压状态下的随钻响应数据，建立不同围压下随钻响应数据与煤岩体试件抗剪强度映射关系，定量化预测煤岩冲击地压的变化，保证生产安全。保证生产安全。保证生产安全。
【技术实现步骤摘要】
模拟井下冲击地压三维动态加载装置及冲击地压预测方法
[0001]本专利技术属于冲击地压预测
，具体涉及一种模拟井下冲击地压三维动态加载装置及冲击地压预测方法。
技术介绍
[0002]高地应力和高地温等复杂地质环境促使煤岩释放出巨大能量，进而诱发冲击地压的发生，致使煤矿安全生产面临着新的严峻挑战。在井下掘进过程中，冲击地压具有瞬时性、破坏力强，强度难以预测等特征，现场难以观察其发生全过程，然而查明冲击地压变化是井下施工的基础。目前冲击地压预测的方法有钻屑法、微震监测、应力监测法等。上述方法在冲击地压预测中发挥了重要作用，但也存在一些问题，例如钻屑法在收集钻屑的过程中，收集碎屑精度会对预测结果的准确性产生影响。微震监测受施工工序、施工环境影响，导致不能高精度测量冲击地压大小。随钻监测是一种不影响钻进工艺且可靠煤层岩体信息探测手段，利用随钻监测信息预测煤岩冲击地压会使预测过程更加安全便捷。但是目前还没有一套完整可行的方法能够利用随钻监测信息预测冲击地压。此外，目前模拟井下冲击地压三维动态加载装置中的煤岩体试件在变形过程中由于试验装置的缺陷无法一直处于保压状态，也就无法有效模拟钻进过程中冲击地压动态环境，导致后续预测结果不准确。
技术实现思路
[0003]本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种模拟井下冲击地压三维动态加载装置，通过设置弹性侧板使侧板的高度可根据煤岩体试样受压后的变形量进行自动调整，使顶板能够时刻与煤岩体试样顶部贴合，从而避免顶板变形，使得煤岩体试样在变形过程中也能精确保压，同时可以有效防止顶板、底板和弹性侧板之间的挤压问题，可以有效的模拟井下钻进时的工作环境，获得的数据也更具有参考价值。
[0004]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种模拟井下冲击地压三维动态加载装置，其特征在于：包括围压动态加载装置、钻机装置和显示控制器，所述围压动态加载装置包括侧开口的箱体、设置在箱体上的轴向液压加载装置和径向液压加载装置，以及设置在箱体内的围压保持机构，所述围压保持机构包括顶板、底板和两个相对设置的弹性侧板，轴向液压加载装置穿过箱体与顶板连接，所述弹性侧板包括滑动设置在底板上的基础侧板和竖向插设在基础侧板上的弹板，弹板底部设置有弹性机构，径向液压加载装置穿过箱体安装在所述基础侧板外侧，弹板顶部与顶板底面贴合，弹板的内侧面与基础侧板的内侧面齐平。
[0005]上述的模拟井下冲击地压三维动态加载装置及冲击地压预测方法，其特征在于：所述弹板底部具有多个插设在基础侧板上的支脚，支脚的内侧面与基础侧板的内侧面齐平，所述基础侧板内侧壁上开设有与弹板和支脚的形状相匹配的凹槽，所述弹性机构包括支撑在支脚底部与凹槽槽底之间的弹簧。
[0006]上述的模拟井下冲击地压三维动态加载装置及冲击地压预测方法，其特征在于：
所述基础侧板的底面、弹板的顶面和内侧壁、以及支脚的内侧壁上均涂覆有润滑剂层。
[0007]上述的模拟井下冲击地压三维动态加载装置及冲击地压预测方法，其特征在于：所述钻机装置包括横向布设的钻机和钻进参数监测传感器组，所述钻进参数监测传感器组与显示控制器电连接，所述钻进参数监测传感器组包括转速传感器、钻进压力传感器以及钻机扭矩传感器。
[0008]同时，本专利技术还公开了一种利用模拟井下冲击地压三维动态加载装置进行冲击地压预测的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
[0009]步骤一、模拟井下钻进过程中冲击地压动态过程：
[0010]在模拟井下冲击地压三维动态加载装置中放置煤岩体试件，对煤岩体试件施加动态围压，随后进行钻进，钻进过程中使煤岩体试件处于保压状态；
[0011]步骤二、钻机持续钻进过程中，保持钻机的转速和钻进压力均为对应的设定值，同时使围压呈梯度增加，获取不同围压P下的钻机扭矩T；
[0012]步骤三、计算钻机扭矩T下的煤岩体试件抗剪强度σ
s
:
[0013]根据公式计算钻机扭矩T下的煤岩体试件抗剪强度σ
s
；其中，∫dr为积分符号，r为积分自变量，i
*
为钻头的切削刃数量，R为钻头的外半径，L为钻头的切削刃长度，d为钻头进尺，α为钻头的切削刃与煤岩体试样破裂面之间的夹角，ω
*
为钻头钻入煤岩体试样时，其与煤岩体试样接触的区域的顶部横向边沿长度；
[0014]步骤四、建立围压P与煤岩体试件抗剪强度σ
s
的关系：
[0015]基于摩尔库伦定律，建立围压P与煤岩体试件抗剪强度σ
s
的半经验公式σ
s
＝a*P+b，其中，a为第一拟合系数，b为第二拟合系数；
[0016]步骤五、采集井下实际钻进过程中的钻机扭矩大小，结合公式σ
s
＝a*P+b，预测井下实际煤岩体围压，即冲击地压。
[0017]本专利技术与现有技术相比具有以下优点：
[0018]1、本专利技术采用模拟井下冲击地压三维动态加载装置可实现煤岩体三相围压动态加载，使煤岩体试件在变形过程中也能一直处于保压状态，有效模拟钻进过程中冲击地压动态环境。
[0019]2、本专利技术通过机岩信息互馈感知机制，建立不同围压状态下随钻响应数据与煤岩体试件抗剪强度理论映射关系，定量化预测煤岩冲击地压的变化，保证生产安全。
[0020]下面通过附图和实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0021]图1为本专利技术模拟井下冲击地压三维动态加载装置的结构示意图。
[0022]图2为本专利技术采用的围压保持机构的结构示意图。
[0023]图3为本专利技术采用的弹板与基础侧板的安装关系示意图。
[0024]附图标记说明:
[0025]1‑
顶板；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ2‑
底板；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ3‑
轴向液压加载装置；
[0026]4‑
基础侧板；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ5‑
弹板；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ6‑
径向液压加载装置；
[0027]7‑
支脚；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ8‑
凹槽；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ9‑
弹簧；
[0028]10
‑
围压动态加载装置； 11
‑
钻机装置；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
12
‑
显示控制器；
[0029]13
‑
箱体；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
14
‑
围压保持机构；
ꢀꢀꢀꢀꢀ
15
‑
钻机。
具体实施方式
[0030]如图1至图3所示，本专利技术的一种模拟井下冲击地压三维动态加载装置，其特征在于：包括围压动态加载装置10、钻机装置11和显示控制本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种模拟井下冲击地压三维动态加载装置，其特征在于：包括围压动态加载装置(10)、钻机装置(11)和显示控制器(12)，所述围压动态加载装置(10)包括侧开口的箱体(13)、设置在箱体(13)上的轴向液压加载装置(3)和径向液压加载装置(6)，以及设置在箱体(13)内的围压保持机构(14)，所述围压保持机构(14)包括顶板(1)、底板(2)和两个相对设置的弹性侧板，轴向液压加载装置(3)穿过箱体(13)与顶板(1)连接，所述弹性侧板包括滑动设置在底板(2)上的基础侧板(4)和竖向插设在基础侧板(4)上的弹板(5)，弹板(5)底部设置有弹性机构，径向液压加载装置(6)穿过箱体(13)安装在所述基础侧板(4)外侧，弹板(5)顶部与顶板(1)底面贴合，弹板(5)的内侧面与基础侧板(4)的内侧面齐平。2.按照权利要求1所述的模拟井下冲击地压三维动态加载装置及冲击地压预测方法，其特征在于：所述弹板(5)底部具有多个插设在基础侧板(4)上的支脚(7)，支脚(7)的内侧面与基础侧板(4)的内侧面齐平，所述基础侧板(4)内侧壁上开设有与弹板(5)和支脚(7)的形状相匹配的凹槽(8)，所述弹性机构包括支撑在支脚(7)底部与凹槽(8)槽底之间的弹簧(9)。3.按照权利要求1所述的模拟井下冲击地压三维动态加载装置及冲击地压预测方法，其特征在于：所述基础侧板(4)的底面、弹板(5)的顶面和内侧壁、以及支脚(7)的内侧壁上均涂覆有润滑剂层。4.按照权利要求1所述的模拟井下冲击地压三维动态加载装置及冲击地压预测方法，其特征在于：所述钻机装置(11)包括横向布设的钻机(15)和钻进参数监测传感器组...
【专利技术属性】
技术研发人员：胡俭，任建喜，王珂，岳东，冯上鑫，霍小泉，
申请(专利权)人：西安科技大学陕西陕煤铜川矿业有限公司，
类型：发明
国别省市：
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