CN111175468B - 真三维应力下注水润湿煤岩卸压防冲试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种真三维应力下注水润湿煤岩卸压防冲试验方法，包括试样准备；安装注水管；原煤试样在真三轴试验测试装置上安装；施加三轴应力；卸压；模拟顶板来压；更换原煤试样，重复步骤二至步骤四；注水试验；重复步骤六，再次模拟顶板来压；整理试验数据。选用前表面带注水孔的六面体原煤试样进行试验，再将六面体试样置于专用的真三轴试验测试装置中，巧妙利用卸压过程中的应力加载方式的控制以及模拟顶板来压等步骤，进行真三维应力下注水润湿煤岩卸压防冲室内模拟试验方法，用于研究煤层在原生应力作用下注水防治冲击地压的机理，为科学选择相关工艺参数提供科学依据。
Description
技术领域
本发明属于煤岩室内试验技术领域，具体涉及一种真三维应力下注水润湿煤岩卸压防冲的试验方法。
背景技术
随着煤炭资源开采深度和开采强度的增加，矿井冲击地压等动力灾害日益加剧，严重地威胁着煤矿开采的安全。统计分析表明，各种类型的矿井都有冲击地压发生的报告，各类煤层都发生过冲击现象，地质构造从简单到复杂，煤层从薄到特厚，倾角从水平到急倾斜，砾岩、砂岩、灰岩、油母页岩顶板都发生过冲击地压。冲击地压是指井巷或工作面周围岩体，由于弹性变形能的瞬时释放而产生突然剧烈破坏的动力现象，常伴有煤岩体抛出、巨响及气浪等现象。它具有很大的破坏性，是煤矿重大灾害之一。
煤层注水预防冲击地压的方法简单易行，防治费用低，适应性广。即使是水不湿润的煤层，只需要加入很少量的湿润剂也可以适用，而且还具有降尘、降温及软化煤层的多种效果，一举数得，因而可以作为防治冲击地压的首选措施。煤层注水从20世纪的50年代初，就在原苏联煤矿中用于防治冲击地压。在世界各采煤国家中，采用煤层注水的方法，防治冲击地压已获得到了最广泛的应用。我国是在20世纪80年代初，首先在抚顺龙凤矿的冲击地压防治中成功应用了煤层注水。目前，煤层注水已在全国的冲击地压防治中得到推广。
煤层注水防治冲击地压虽然已经有很长的历史，但是迄今为止很少见到有关煤层注水预防冲击地压的机理和有关煤层注水防治冲击地压工艺参数选择研究的报道。煤层注水防治冲击地压的工艺参数选择缺乏科学依据，还没有一个基本上较为完整的方法，仍然依靠工程类比和经验进行确定。造成这一现状的最主要原因就是没有实用的试验装置及创新的试验方法对注水润湿煤岩卸压防冲机理进行试验支撑。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种真三维应力下注水润湿煤岩卸压防冲室内模拟试验方法，用于研究煤层在原生应力作用下注水防治冲击地压的机理，为科学选择相关工艺参数提供科学依据。
为此，本发明所采用的技术方案为：一种真三维应力下注水润湿煤岩卸压防冲试验方法，包括以下步骤：
步骤一、试样制备；
将原煤块体切割成六面体，然后通过磨床进行加工，使其端面平整度为±0.02mm以内，在105±15°温度下烘干24±4小时后，冷却至常温备用；
步骤二、安装注水管；
用钻机在六面体的原煤试样前表面居中位置处打水平盲孔作为注水孔，选取外径与注水孔直径相等，长度比注水孔深度小8—12mm的注水管，并在注水管外壁均匀涂抹硅橡胶，将注水管插入注水孔内，通过硅橡胶密封注水管外壁与注水孔之间的缝隙，然后在注水孔口部安装万向密封接头；
步骤三、原煤试样在真三轴试验测试装置上安装；
所述真三轴试验测试装置包括主机、主机支撑组件、滑轨、滑轨支撑组件和伺服油缸，六套所述伺服油缸布置在主机外的上下、左右、前后方向，所述滑轨在主机下方前后延伸设置，且穿过主机后通过滑轨支撑组件支撑在地面上，所述主机包括铸造成型的整体环形框架，所述整体环形框架的前后两侧开孔，并在每个开孔位置外侧配备有盖板，所述整体环形框架和盖板围成主机壳，主机内腔用于放置试样，试样的上、下、左、右、前、后侧外分别配备有试样垫块，位于下侧的所述试样垫块下方设置有能在滑轨上前后移动的试样移动支架；前后侧的伺服油缸下方均设置有能在滑轨上前后移动的油缸移动支架，所述盖板能随着对应侧的伺服油缸一起移动，上下左右侧的伺服油缸固设在整体环形框架的对应侧外，伺服油缸的活塞杆前端居中位置处设置有载荷传感器，所述载荷传感器的前端穿过主机壳后安装有压头；
将试样放入六块试样垫块围成的腔体内并通过快锁组合安装后再结合试样垫块接缝处的棱边密封胶密封成一个试样密封垫，从而将试样密封其中；所述棱边密封胶采用在需要密封的棱边刷涂液态硅橡胶，待硅橡胶固化后便能实现试样垫块之间的密封；
首先将试样密封垫安装在下压头上，再控制上压头下移与万向密封接头安装在一起，同时上压头与试样密封垫上表面贴合，最后分别控制前、后、左、右四个压头移动，使对应的压头分别贴合到试样密封垫的对应表面；
步骤四、施加三轴应力；
通过前、后、左、右、上、下六个压头对试样施加应力至预定值；
步骤五、卸压；
保持上压头的应力加载方式为恒定力加载，将左、右、前三个压头的应力加载方式转换为恒定刚度加载，下压头的应力加载方式转换恒定位移加载，再控制后压头向卸力方向后退，直至离原煤试样后表面的距离达到20±5mm；
步骤六、模拟顶板来压；
对上压头以恒定加载速率增大压力直至原煤试样发生破坏，记录各压头的应力与位移变化，计算试验过程能量演化情况；
步骤七、更换原煤试样，重复步骤二至步骤四；
步骤八、注水试验；
通过原煤试样前表面的注水孔，以预定注水速率对原煤试样内部进行注水，达到预定注水时间后停止；
步骤九、重复步骤六，再次模拟顶板来压；
步骤十、同组其它试验，更换原煤试样，改变原煤试样的硬度，或者改变注水速率、三轴压力、前压头卸压速率，重复步骤一至步骤九；
步骤十一、整理试验数据。作为上述方案的优选，所述六面体原煤试样试样为正方体，试样尺寸为200mm×200mm×200mm。
进一步优选为，所述原煤试样中注水孔的孔径为12mm，孔深为105mm；注水管外径为12mm，长度为95mm；注水孔底部的半圆直径为10mm。
本发明的有益效果：
(1)采用新的真三轴试验测试装置，相比传统的内外层框架围成的腔体结构，本测试装置主机上仅设置铸造成型的整体环形框架，由设置在试样外的六个试样垫块围成一个试样密封垫用于容纳试样，从而省略了传统内外层之间形成的单独的耐压腔体，压头穿过主机壳后直接抵在对应侧的试样垫块上，能腾出更多的空间布置尺寸、厚度更大的整体环形框架，因此使得腔体能承受的压力更大，能满足更复杂环境的模拟测试试验；
(2)由于省略了内层框架，伺服油缸直接施加力于试样各面，不需要穿过耐压腔体，伺服油缸穿过耐压腔体还需要考虑动密封，因此简化了结构，降低了成本，且可靠性更高；同时由于传统的内层框架相比外层框架更薄，压力较大时内层框架易产生膨胀变形，进一步影响内框架与伺服油缸之间的密封性；
(3)本测试装置中压头和试样垫块分离设计，对试样垫块连接处涂液态硅橡胶固化后密封，使得注入流体不会渗到外部区域；
(4)整体环形框架的前后两侧开孔，并在每个开孔位置外侧配备有盖板，共同围成主机壳，对于试样前侧零部件的安装更加方便；而传统结构仅在后侧开孔配备盖板，前侧零部件需要检修或装拆试样，需要通过试样移动支架将试样移出整体环形框架，非常麻烦；
(5)选用前表面带注水孔的六面体原煤试样进行试验，再将六面体试样置于专用的真三轴试验测试装置中，巧妙利用卸压过程中的应力加载方式的控制以及模拟顶板来压等步骤，进行真三维应力下注水润湿煤岩卸压防冲室内模拟试验方法，用于研究煤层在原生应力作用下注水防治冲击地压的机理，为科学选择相关工艺参数提供科学依据。
附图说明
图1为本发明所采用的真三轴试验测试装置的结构示意图(含试样装入和取出两种状态)。
图2为图1中主机和主机支撑组件的左视图。
图3为六块试样垫块围成的试样密封垫的立体图。
图4为图3的剖视状态的正视图。
图5为图3的剖视状态的俯视图。
图6为试样垫块棱边密封采用硅橡胶固化后的状态。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图，对本发明作进一步说明：
一种真三维应力下注水润湿煤岩卸压防冲试验方法，包括以下步骤：
步骤一、试样制备；
将原煤块体切割成六面体，然后通过磨床进行加工，使其端面平整度为±0.02mm以内，在105±15°温度下烘干24±4小时后，冷却至常温备用；六面体原煤试样最好为正方体，试样尺寸为200mm×200mm×200mm为宜。
步骤二、安装注水管；
如图5所示，用钻机在六面体的原煤试样前表面居中位置处打水平盲孔作为注水孔15，选取外径与注水孔15直径相等，长度比注水孔15深度小8 —12mm的注水管，并在注水管外壁均匀涂抹硅橡胶，将注水管插入注水孔15 内，通过硅橡胶密封注水管外壁与注水孔15之间的缝隙，然后在注水孔15 口部安装万向密封接头16。
最好是，原煤试样中注水孔15的孔径为12mm，孔深为105mm；注水管外径为12mm，长度为95mm。
步骤三、原煤试样在真三轴试验测试装置上安装；
如图1—图5所示，真三轴试验测试装置主要由主机A、主机支撑组件B、滑轨C、滑轨支撑组件D和伺服油缸E组成。主机A通过主机支撑组件B支撑在地面上，六套伺服油缸E布置在主机A外的上下、左右、前后方向(即XYZ 三个方向)。滑轨C在主机A下方前后延伸设置，且滑轨C穿过主机A后通过滑轨支撑组件D支撑在地面上。
整体环形框架1采用铸造成型，整体环形框架1的前后两侧开孔，并在每个开孔位置外侧配备有盖板2。整体环形框架1和两个盖板2共同围成主机壳。在主机壳的上、下壁上各左右间隔地对称安装有至少两个加热棒17，必要时向主机壳内的试样加热。主机内腔用于放置试样3，试样3的上、下、左、右、前、后侧外分别配备有试样垫块4，共需六个试样垫块4。位于下侧的试样垫块4下方设置有能在滑轨C上前后移动的试样移动支架5。
前后侧的伺服油缸E设置在对应侧的盖板2外，且前后侧的伺服油缸E 下均设置有能在滑轨C上前后移动的油缸移动支架6，盖板2能随着对应侧的伺服油缸E一起移动。上下左右侧的伺服油缸E设置在整体环形框架对应侧外。
伺服油缸E的活塞杆7前端居中位置处设置有载荷传感器8，载荷传感器 8最好采用嵌入安装。载荷传感器8的前端设置有压头9，载荷传感器8的前端穿过主机壳后安装有压头9。对试样3加载时，压头9直接抵在对应侧的试样垫块4上。在进行试验前，将试样垫块4安装在试样3外，再在试样垫块4 连接处进行密封，完成密封后，将试样3放置在试样移动支架5上，并将试样移动支架5及后侧的油缸移动支架6依次推入到主机内腔内并固定，使所有压头9均直接抵在对应侧的试样垫块4之后再进行试验。
将试样放入六块试样垫块4围成的腔体内并通过快锁14组合安装后，再结合试样垫块4接缝处的棱边密封胶密封成一个试样密封垫，从而将试样3 密封其中；棱边密封胶采用在需要密封的棱边刷涂液态硅橡胶，待硅橡胶固化后便能实现试样垫块4之间的密封(如图6所示)。在硅橡胶固化后实现预密封，在试验时，通过主机内腔的围压，使硅橡胶紧贴试样，不仅能实现试样垫块4相邻表面之间的密封，还能减弱棱边处的边界效应。最好是，伺服油缸E内设置有油缸位移传感器10，上下左右侧的伺服油缸E通过端盖11 固定安装在整体环形框架1上，前后侧的伺服油缸E通过盖板2固定安装在整体环形框架1上，所有活塞杆7穿过主机壳的位置处均设置有衬套，以保证主机内腔的密封性。
最好是，在六个试样垫块4围成的密封腔外的XYZ方向上，成对配备有试样变形位移传感器12，试样变形位移传感器12通过位移传感器加长杆13 安装在试样垫块4的棱边外，且同一方向上的一对试样变形位移传感器12呈对角错开设置，能实现真三轴条件下不平衡不均匀变形的测量。
最好是，还配备有两套电液伺服增压器，分别为主机内腔提供围压、为试样提供注水压或渗透压，让围压、注水压或渗透压分别控制，可完成复杂的试验条件。电液伺服增压器内的控制高压阀门的工作压力大于增压最高输出的压力，为了保证工作的高可靠性和长使用寿命。
最好是，还配备有轴向柱塞泵液压源，且液压源带高低压转换，便于试验时，高低压的顺利切换。
先将试样装入六块试样垫块4围成的试样密封垫内，再在棱边刷涂液态硅橡胶，待硅橡胶固化后，通过试样移动支架5将试样推入到主机内腔中，最后通过油缸移动支架6将前后侧的盖板2安装在整体环形框架1上，安装时保证主机内腔的密封，之后开始试验。
首先将试样密封垫安装在下压头上，再控制上压头下移与万向密封接头16安装在一起，同时上压头与试样密封垫上表面贴合，最后分别控制前、后、左、右四个压头移动，使对应的压头分别贴合到试样密封垫的对应表面。
步骤四、施加三轴应力；
通过前、后、左、右、上、下六个压头对试样施加应力至预定值。
步骤五、卸压；
保持上压头的应力加载方式为恒定力加载，将左、右、前三个压头的应力加载方式转换为恒定刚度加载，下压头的应力加载方式转换恒定位移加载，再控制后压头向卸力方向后退，直至离原煤试样后表面的距离达到20±5mm。
步骤六、模拟顶板来压；
对上压头以恒定加载速率增大压力直至原煤试样发生破坏，记录各压头的应力与位移变化，计算试验过程能量演化情况。
步骤七、更换原煤试样，重复步骤二至步骤四。
步骤八、注水试验；
通过原煤试样前表面的注水孔，以预定注水速率对原煤试样内部进行注水，达到预定注水时间后停止。
步骤九、重复步骤六，再次模拟顶板来压。
步骤十、同组其它试验，更换原煤试样，改变原煤试样的硬度，或者改变注水速率、三轴压力、前压头卸压速率，重复步骤一至步骤九。
步骤十一、整理试验数据。下表为试验过程中的记录数据，其中破坏强度是指煤岩试件发生破坏时上压头的作用力大小。
Claims (3)
1.一种真三维应力下注水润湿煤岩卸压防冲试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、试样制备；
将原煤块体切割成六面体，然后通过磨床进行加工，使其端面平整度为±0.02mm以内，在105±15°温度下烘干24±4小时后，冷却至常温备用；
步骤二、安装注水管；
用钻机在六面体的原煤试样前表面居中位置处打水平盲孔作为注水孔(15)，选取外径与注水孔(15)直径相等，长度比注水孔(15)深度小8—12mm的注水管，并在注水管外壁均匀涂抹硅橡胶，将注水管插入注水孔(15)内，通过硅橡胶密封注水管外壁与注水孔(15)之间的缝隙，然后在注水孔(15)口部安装万向密封接头(16)；
步骤三、原煤试样在真三轴试验测试装置上安装；
所述真三轴试验测试装置包括主机(A)、主机支撑组件(B)、滑轨(C)、滑轨支撑组件(D)和伺服油缸(E)，六套所述伺服油缸(E)布置在主机(A)外的上下、左右、前后方向，所述滑轨(C)在主机(A)下方前后延伸设置，且穿过主机(A)后通过滑轨支撑组件(D)支撑在地面上，所述主机(A)包括铸造成型的整体环形框架(1)，所述整体环形框架(1)的前后两侧开孔，并在每个开孔位置外侧配备有盖板(2)，所述整体环形框架(1)和盖板(2)围成主机壳，主机内腔用于放置试样(3)，试样(3)的上、下、左、右、前、后侧外分别配备有试样垫块(4)，位于下侧的所述试样垫块(4)下方设置有能在滑轨(C)上前后移动的试样移动支架(5)；前后侧的伺服油缸(E)下方均设置有能在滑轨(C)上前后移动的油缸移动支架(6)，所述盖板(2)能随着对应侧的伺服油缸(E)一起移动，上下左右侧的伺服油缸(E)固设在整体环形框架(1)的对应侧外，伺服油缸(E)的活塞杆(7)前端居中位置处设置有载荷传感器(8)，所述载荷传感器(8)的前端穿过主机壳后安装有压头(9)；
将试样放入六块试样垫块(4)围成的腔体内并通过快锁(14)组合安装后再结合试样垫块(4)接缝处的棱边密封胶密封成一个试样密封垫，从而将试样(3)密封其中；所述棱边密封胶采用液态硅橡胶，刷涂在需要密封的棱边上，待硅橡胶固化后便能实现试样垫块(4)之间的密封；
首先将试样密封垫安装在下压头上，再控制上压头下移与万向密封接头(16)安装在一起，同时上压头与试样密封垫上表面贴合，最后分别控制前、后、左、右四个压头移动，使对应的压头分别贴合到试样密封垫的对应表面；
步骤四、施加三轴应力；
通过前、后、左、右、上、下六个压头对试样施加应力至预定值；
步骤五、卸压；
保持上压头的应力加载方式为恒定力加载，将左、右、前三个压头的应力加载方式转换为恒定刚度加载，下压头的应力加载方式转换恒定位移加载，再控制后压头向卸力方向后退，直至离原煤试样后表面的距离达到20±5mm；
步骤六、模拟顶板来压；
对上压头以恒定加载速率增大压力直至原煤试样发生破坏，记录各压头的应力与位移变化，计算试验过程能量演化情况；
步骤七、更换原煤试样，重复步骤二至步骤四；
步骤八、注水试验；
通过原煤试样前表面的注水孔，以预定注水速率对原煤试样内部进行注水，达到预定注水时间后停止；
步骤九、重复步骤六，再次模拟顶板来压；
步骤十、同组其它试验，更换原煤试样，改变原煤试样的硬度，或者改变注水速率、三轴压力、前压头卸压速率，重复步骤一至步骤九；
步骤十一、整理试验数据。
2.按照权利要求1所述的真三维应力下注水润湿煤岩卸压防冲试验方法，其特征在于：所述六面体原煤试样为正方体，试样尺寸为200mm×200mm×200mm。
3.按照权利要求2所述的真三维应力下注水润湿煤岩卸压防冲试验方法，其特征在于：所述原煤试样中注水孔(15)的孔径为12mm，孔深为105mm；注水管外径为12mm，长度为95mm。
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