一种煤与瓦斯突出物理模拟实验装置及实验方法与流程

本发明涉及煤与瓦斯突出模拟实验，尤其涉及一种煤与瓦斯突出物理模拟实验装置及实验方法。

背景技术：

1、煤炭作为我国兜底保障能源的地位和作用还很难改变。然而，我国煤矿瓦斯地质赋存条件复杂。随着开采深度的增加，深部岩体处于复杂的“三高一扰动”(高应力、高渗透压力、高温度和开采扰动)环境，给人民的生命和财产造成巨大损失。

2、物理力学实验模拟煤与瓦斯突出是一种有效的技术手段，可为事故调查和理论技术分析提供有效的数据支撑。煤与瓦斯突出发生的机理十分复杂，常用研究方法的包括现场监测、理论分析、数值模拟以及物理模拟实验。现场监测危险且数据不易获取；理论分析因煤与瓦斯突出机理尚无定论，难以建立准确的定量模型；数值模拟因本构模型缺失导致模拟结果不准确；物理模拟试验数据相对容易、过程可控、结果可重复，可以分析不同类型、不同控制因素下发生事故的直接原因和管理技术，是煤与瓦斯突出机理研究的重要验证方法。

3、现有的煤与瓦斯突出物理模拟实验装置经历了从小尺度向大尺度发展、地应力加载由一维向三维发展、由单一的应力场、渗流场向多场耦合发展、诱突装置由单一机械式向多样式发展的过程。但现有技术中，煤与瓦斯突出模拟装置的加卸载效率低，诱突方式通常较为单一，部分突出情形(如放炮诱突)难以准确模拟，且受设备尺寸或其他因素影响不能实现三向同步非连续非均匀同步加载/卸载技术。

4、因此，申请人认为需要提出一种煤与瓦斯突出物理模拟实验装置及实验方法用于解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

2、为达到上述目的，本发明提出了一种煤与瓦斯突出物理模拟实验装置，包括：真三轴加载系统、试验检测系统以及煤与瓦斯突出诱发系统；

3、所述真三轴加载系统包括主反力框架，所述主反力框架呈口字型设置，且在其内部形成移动加载腔，所述移动加载腔内滑移连接有高压密封试验盒，所述高压密封试验盒沿所述移动加载腔轴线走向一端设置有与主反力框架一体连接的牵引平台，所述牵引平台上设置有移动反力框架，所述牵引平台上设置有带动所述移动反力框架移动的牵引系统，所述主反力框架横梁以及任意一相邻侧壁上分别设置有第一加载液压缸组和第二加载液压缸组，所述移动反力框架与所述高压密封试验盒之间设置有第三加载液压缸组，所述高压密封盒对应第一加载液压缸组、第二加载液压缸组以及第三加载液压缸组中的每个液压缸位置均设置有密封孔，每个所述密封孔内均可移动设置有非连续加压件，所述高压密封试验盒背离所述移动反力框架一端与所述瓦斯突出诱发系统连接设置；

4、所述瓦斯突出诱发系统包括双爆破片诱突系统、钻进模拟开挖诱突系统和动力扰动诱突系统，以使在试验时任选其一与高压密封试验盒连接进行对应模拟诱突场景下的试验。

5、本发明可实现大尺寸岩样的真三维地应力多模式加载；3种诱突方式自由选择，同时保留突出口机械开启的原始方法；可模拟煤与瓦斯突出物在巷道中的运移路径；数据监测手段丰富，可获取突出全过程煤岩的应力应变、孔隙压力、温度、裂隙发育及演化、突出时的煤体位移变化等关键试验数据。

6、可选地，所述第一加载液压缸组与所述第二加载液压缸组均包括4条液压缸，且所述第一加载液压缸组为z向加载，所述第二液压缸组为y向加载，所述第三加载液压缸组包括2条加载液压缸，所述四条加载液压缸组为x向加载；

7、所述第一加载液压缸组最大载荷为7200.0kn，对试样作用压强为15mpa，每个加载液压缸动作最大行程为100.0mm；

8、所述第二加载液压缸组最大载荷为7200.0kn，对试样作用压强为15mpa，每个加载液压缸动作最大行程为100.0mm；

9、所述第三加载液压缸组最大载荷为4000.0kn，对试样作用压强为25mpa，每个加载液压缸动作最大行程为60.0mm；

10、所述第一加载液压缸组、所述第二加载液压缸组以及所述第三加载液压缸组中的每条加载液压缸均可独立运动，每条加载液压缸均连接有伺服控制器，用以实现多条加载液压缸之间的同步运动控制或异步运动控制，控制精度为最大力值的0.5％。

11、进一步地，所述非连续加压件包括在所述密封孔内可移动穿设的加压柱，所述加压柱朝向高压密封试验盒内的一端均设置加载板，对应同一加载液压缸组的多个加压柱长度均等设置，且相邻对应同一加载液压缸组的多个加载板之间可滑移抵接设置，多个所述加载板厚度均相等。

12、进一步地，所述高压密封试验盒包括盖板和壳体，所述盖板与所述壳体之间采用两级密封架构可拆卸密封连接，所述壳体还包括内腔与外层，所述外层与移动反力框架一体铸造成型，所述内腔为由若干加载板和高压密封试验盒内壁围成的长方体腔室，所述高压密封试验盒背离移动反力框架一端贯穿外层与内腔开设有预留突出口，所述高压密封试验盒可承载6mpa气体压力密封。

13、进一步地，还包括试验监测系统，所述试验监测系统包括声发射装置、应力传感器、气体压力传感器、温度传感器、姿态传感器以及传感器数据采集仪，所述高压密封试验盒正对第二加载液压缸组的侧壁上设置有电子通讯插口，所述试验检测系统与所述电子通讯插口电连接设置，用以对设置于高压密封试验盒内的各个传感器信号引出。

14、进一步地，还包括气体吸附系统，所述气体吸附系统包括设置在高压密封试验盒内底部的“回”型槽，所述“回”型槽上设置有透气板，所述“回”型槽连接有气体管路，所述气体管路另一端连通有高压气瓶，所述高压气瓶至“回”型槽之间沿气体走向依次在气体管路上设置有第一阀门、进口压力传感器、气体增压恒压控制装置、出口压力传感器、气体流量计以及第二阀门；

15、所述气体管路朝向“回”型槽一端位于第二阀门之前段还连通有爆破压差室以及自由空气，所述气体管路在连通至爆破压差室之前位置设置有第三阀门，所述气体管路在连通至自由空气之前位置处设置有第四阀门。

16、进一步地，所述瓦斯突出诱发系统包括爆破片诱突装置，所述爆破片诱突装置包括设置在突出口的低压爆破片和高压爆破片，所述低压爆破片以及所述高压爆破片通过夹持器固定在突出口中。

17、进一步地，所述瓦斯突出诱发系统包括模拟开挖诱突装置，所述模拟开挖诱突装置包括设置于高压密封试验盒对应突出口一端的支持平台，所述支持平台上设置有钻机，所述钻机钻头贯穿所述突出口伸入至高压密封试验盒内腔。

18、进一步地，所述瓦斯突出诱发系统包括动力扰动诱突装置，所述动力扰动诱突装置包括设置于高压密封试验盒对应突出口一端的可移动平台，所述可移动平台上设置有轻气炮发射室，所述轻气炮发射室的输出端与所述突出口之间通过炮管连接设置，所述炮管内设置有冲击子弹。

19、进一步地，还包括巷道管路系统，所述巷道管路系统包括与所述突出口连通设置的模拟巷道管路，所模拟巷道管路沿远离突出口方向依次设置有流量传感器和压力传感器，且在所述模拟巷道管路旁设置有用于拍摄煤与瓦斯突出过程的颗粒物体运动过程的高速摄像机。

20、进一步地，所述声发射装置包括声发射传感器，所述高压密封试验盒内压板朝向试样一端设置有安装孔，所述声发射传感器设置于所述安装孔中，所述声发射传感器背离试样一端与所述安装孔底端之间设置有用于固定支撑所述声发射传感器的柔性弹簧，所述电子通讯插口包括高压密封航空插头，所述高压密封航空插头插设于高压密封试验盒外壁且贯穿所述高压密封试验盒外壁与声发射传感器电连接设置，所述高压密封航空插头电连接有声发射分析仪；

21、所述应力传感器、所述气体压力传感器以及所述温度传感器均通过高压密封航空插头与所述传感器数据采集仪电连接，所述姿态传感器在煤样内部预埋设置，且与所述传感器数据采集仪无线连接设置，所述传感器数据采集仪外接有计算机。

22、进一步地，还包括用于全时全同步采集各个系统动作点力值以及各个传感器数值的电器动力控制系统，并发出动作命令的电器动力控制系统，所述电器动力控制系统包括人机交互界面，以对控制模式进行调整，所述人机交互界面电连接有多个伺服控制器，且所述人机交互界面设置有外接加载传输端。

23、本发明还提供一种煤与瓦斯突出物理模拟实验装置的实验方法，包括以下步骤：

24、s1、对需要模拟的场景进行预设，并根据预设场景进行实验方案的制定；

25、s2、根据实验方案，进行试验煤样制备，在高压密封试验盒内进行煤样铺设以及传感器的设置，并对试验监测系统的装备以及气源装备进行试验前检测调试；

26、s3、根据实验方案，选择诱突设备进行布置，并对诱突设备进行检测调试；

27、s4、在人机交互界面加载试验方案，诱突试验开始实施，并对整个过程进行监测记录。

28、本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。