煤巖工程多功能物理模擬試驗系統(tǒng)及煤巖模型試驗方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種煤巖工程多功能物理模擬試驗系統(tǒng)，其包括試驗腔、模型成型子系統(tǒng)、液壓加載控制子系統(tǒng)、測試子系統(tǒng)和抽注氣子系統(tǒng)，試驗腔包括加載框架和可拆卸式連接于加載框架一端的反力蓋，加載框架和反力蓋同軸安裝于一底座上，底座上沿加載框架的軸向設置有導軌，導軌上安裝有可沿導軌滑行的支撐座，加載框架和反力蓋的底部分別安裝有支撐座；模型成型子系統(tǒng)與試驗腔之間可拆卸式連接有用于輸送模型的軌道輸送子系統(tǒng)。本發(fā)明還提供了一種煤巖模型試驗方法。本發(fā)明能夠模擬在地應力和瓦斯壓力及綜合多因素作用下鉆孔、造縫、壓裂、煤與瓦斯突出、地下工程開挖支護等作業(yè)，對加強煤礦與瓦斯突出相關發(fā)生機理、預測與控制等提供試驗驗證手段。
【專利說明】
煤巖工程多功能物理模擬試驗系統(tǒng)及煤巖模型試驗方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及地質力學模型試驗加載設備，具體是一種煤巖工程多功能物理模擬試驗系統(tǒng)及方法。
【背景技術】
[0002]隨著經濟建設快速發(fā)展，國家對能源的需求越來越大，地下淺層的化石能源越來越少，向深地下發(fā)展已經成為世界范圍內巖土工程建設和開發(fā)的共同趨勢。
[0003]目前國內外在煤與瓦斯突出發(fā)生機理、預測與控制等方面的研究尚未形成完整的理論體系。由于煤巖材料本構關系難以精確地描述，因此數值模擬方法的結果尚不能被行業(yè)廣泛認可，也并不能直接指導行業(yè)的生產實際，只能被作為輔助研究手段。加之地下空間多物理場、多參數互相耦合，有限的現場監(jiān)測手段也很難完全地解釋工程中出現的現象和問題。物理模擬試驗方法在科學研究和解決工程實際問題方面具有特殊的優(yōu)勢，它能針對工程的某一影響因素，突出主要矛盾以真實地模擬主要影響因素對工程影響的程度，從而在機理研究尚不完全清楚的情況下避開“材料本構的數學描述”，直接利用物理實體的內置機理自然地形成試驗過程和結果，為理論研究提供有力的參考依據。另外物理模型試驗研究更加突出重點，研究的初始條件純粹而簡明，其試驗過程、試驗結果與初始條件間具有直接關聯(lián)性，而這恰恰是現場試驗研究的困難之處。從而，物理模擬試驗有著數值模擬與現場試驗所不具備的很多優(yōu)勢，其研究結果可為建立新的理論及其數學模型提供可靠的依據并能與之相互印證。
[0004]因此，物理模擬試驗技術在國內外已得到廣泛應用，并在工程科研、設計及論證中發(fā)揮了重要作用。如中國礦業(yè)大學、煤炭科學研究院建井所、中國科學院地質與地球物理研究所、武漢巖土力學研究所等一些從事采礦工程和巖土工程問題研究的科研單位和教學單位都先后開展了物理模型試驗的研究工作，并研制了規(guī)模不等的配套模型試驗設備。
[0005]如CN103983756 A公開的一種深部巷道圍巖破裂模擬裝置，該裝置包括:縱向加載系統(tǒng)、水平加載系統(tǒng)、模型承載框架;其通過模擬地下的地質應力環(huán)境，獲取數據進行分析，從而實現對深部巷道圍巖破裂機理進行研究分析。如CN 103398861 A公開的及一種用于深埋隧洞的真三軸巖爆物理模擬試驗系統(tǒng)，其由反力架，垂直加載系統(tǒng)、水平前后加載系統(tǒng)和水平左右加載系統(tǒng)組成的真三軸加載系統(tǒng)組成，其可提供三向獨立的、大噸位的荷載滿足深埋高應力條件下的模型試驗的加載要求，以及模擬爆破擾動，可應用于深埋隧洞的巖爆物理模擬實驗研究中。又如CN 103471926 A公開的一種煤巖真三軸細觀力學試驗裝置，在試驗裝置內開設有具有開口的試驗腔，試驗腔內的下部安裝有活動墊塊，所述試驗腔的上部和左右兩側均設有活動壓塊，三個所述活動壓塊和所述活動墊塊圍成一個四邊形框架，且所述活動壓塊和活動墊塊互相錯位，該裝置可對煤巖進行真三軸細觀力學試驗，較好地模擬了現場實際煤層耦合所處的環(huán)境。
[0006]但是隨著煤炭開采深度的越來越大，出現的工程問題更加復雜，如高地應力和高氣體壓力聯(lián)合作用下煤層中瓦斯氣體吸附解吸過程和瓦斯流動規(guī)律，瓦斯煤滲透率與有效應力、溫度和瓦斯壓力之間的關系等研究；另一方面對科研設計水平和計算精度的要求越來越高，現有試驗設備在功能、加載方式、模型內所形成的應變場范圍和均勻程度等方面已不能很好地滿足工程實踐的需要。因此，迫切需要研制一種性能優(yōu)良、技術先進、功能多樣化的試驗設備，以滿足深部煤巖工程及地下工程研究的需要。

【發(fā)明內容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種煤巖工程多功能物理模擬試驗系統(tǒng)及煤巖模型試驗方法，其能夠對模型施加不均勻受力，適用于大尺寸、高應力的實驗。
[0008]本發(fā)明的技術方案如下:
[0009]—種煤巖工程多功能物理模擬試驗系統(tǒng)，包括試驗腔、模型成型子系統(tǒng)、液壓加載控制子系統(tǒng)、測試子系統(tǒng)和抽注氣子系統(tǒng)，所述試驗腔內設液壓式多維應力加載組件，多維應力加載組件連接有伺服油源，所述液壓加載控制子系統(tǒng)控制連接伺服油源和抽注氣子系統(tǒng)，測試子系統(tǒng)與液壓加載控制子系統(tǒng)通信連接。所述試驗腔包括加載框架和可拆卸式連接于加載框架一端的反力蓋，所述加載框架和反力蓋同軸安裝于一底座上，所述底座上沿加載框架的軸向設置有導軌，所述導軌上安裝有可沿導軌滑行的支撐座，所述加載框架和反力蓋的底部分別安裝有支撐座;所述模型成型子系統(tǒng)與試驗腔之間可拆卸式連接有用于輸送模型的軌道輸送子系統(tǒng)。
[0010]進一步的，所述加載框架包括與反力蓋同軸的后加載蓋和加載環(huán)組，加載環(huán)組與后加載蓋、反力蓋可拆卸式密封連接且位于后加載蓋和反力蓋之間。所述加載環(huán)組內的底側設置有水平承放模型的試件臺，多維應力加載組件包括設置在加載環(huán)組內壁分別對應模型左、右、上表面的均布加載器陣列以及后加載蓋對應模型后表面的均布加載器陣列，反力蓋對應模型的前表面設置有前反力板。
[0011]進一步的，所述加載環(huán)組與后加載蓋之間連接有過渡環(huán)，后加載蓋、過渡環(huán)、加載環(huán)組和反力蓋的外環(huán)部分通過拉桿沿軸向串接，所述拉桿圍繞試驗腔的軸心均勻分布有多只，拉桿的兩端設置有拉拔器，且后加載蓋、過渡環(huán)、加載環(huán)和反力蓋間均設置有定位環(huán)和密封環(huán)；
[0012]進一步的，加載環(huán)組和過渡環(huán)的壁上設置有油路密封連接口和引線密封連接口，均布加載器陣列通過油路密封連接口與伺服油源連接，測試子系統(tǒng)包括由設置在試驗腔內的位移傳感器、油壓傳感器、氣體壓力傳感器、溫度傳感器和應力傳感器組成的傳感器測試組，傳感器測試組通過引線密封連接口與液壓加載控制子系統(tǒng)、抽注氣子系統(tǒng)通信連接。所述反力蓋設有中心孔，所述中心孔內襯管套，所述管套的一端與前反力板連接，管套的另一端可拆卸式密封連接有端蓋。
[0013]進一步的，所述軌道輸送子系統(tǒng)包括軌道支架，所述軌道支架上設置有相互垂直的橫向軌道和縱向軌道，縱向軌道位于橫向軌道的上方，縱向軌道包括一端對應模型成型子系統(tǒng)的縱向輸送軌，所述縱向輸送軌上設置有可運行于橫向軌道、縱向軌道上的驅動小車以及承載模型的平板拖車，驅動小車驅動連接平板拖車，所述縱向輸送軌的另一端連接有轉向軌。所述橫向軌道包括腔內軌和橫向輸送軌，所述腔內軌設置在試驗腔內承載模型的試件臺的兩側，橫向輸送軌的一端與腔內軌連接，軌道支架從橫向輸送軌的另一端延伸至轉向軌的正下方，轉向軌的正下方設置有可90°往返旋轉的升降旋轉臺，所述升降旋轉臺位于轉向軌正下方的導軌支架中且頂部與轉向軌的底部固定。所述腔內軌的底部設置有升降油缸，腔內軌的升降行程大于平板拖車的底面在腔內軌上升至上限時高出試件臺上表面的距離。
[0014]進一步的，所述模型成型子系統(tǒng)包括模具箱和反力架，所述反力架通過支柱安裝于一底臺上，反力架包括分配梁，所述分配梁的上面安裝有加壓油缸，分配梁的下面設有壓頭，所述加壓油缸與壓頭通過穿過分配梁的連接桿連接;所述底臺位于壓頭正下方的部分為一凸臺，所述支柱連接于分配梁與底臺凸臺兩側的臺階之間，所述凸臺的兩側與支柱之間各設有一升降軌，所述升降軌與反力架外的軌道輸送子系統(tǒng)接軌;所述模具箱的底板為平板拖車的底板，模具箱四周的側板可拆卸式安裝在平板拖車的底板上;升降軌的升降行程大于平板拖車的底面在升降軌上升至上限時高出凸臺上表面的距離。
[0015]進一步的，所述液壓加載控制子系統(tǒng)包括POP-M型多通道控制器以及帶有PLC控制器用于電液伺服油源開關量控制的電控柜，多通道控制器的每一控制通道對應控制一個均布加載器的油腔壓力。所述測試子系統(tǒng)還包括靜態(tài)應變測試平臺和光纖光柵應變測試平臺，每個均布加載器包括多個加載活塞，同一個均布加載器的多個加載活塞共用一個位移傳感器和一對進、回油腔的油壓傳感器。
[0016]更進一步，本系統(tǒng)還包括可視化子系統(tǒng)，可視化子系統(tǒng)包括設置在試驗腔內的照明設備和通信連接有數據采集器的電腦顯示器，數據采集器與測試子系統(tǒng)通信連接。
[0017]更進一步，所述抽注氣子系統(tǒng)包括控制器、用于抽氣的真空栗和抽氣電動球閥、以及用于注氣的二氧化碳鋼瓶和注氣電動球閥，所述真空栗和抽氣電動球閥管道連接后再與試驗腔管道連接，氧化碳鋼瓶經注氣電動球閥與試驗腔連接，控制器控制連接真空栗和注氣電動球閥。
[0018]本發(fā)明對應上述試驗系統(tǒng)，還提供了一種煤巖模型試驗方法，包括以下步驟:
[0019]a:在試驗腔內完成應力傳感器、應變傳感器、溫度傳感器、瓦斯壓力傳感器和聲發(fā)射傳感器的布設，上述所有傳感器所測信號為測試子系統(tǒng)實時連續(xù)采集的應力、應變、溫度和瓦斯壓力參數。
[0020]b:在模型成型子系統(tǒng)中成型模型，將模型通過軌道輸送子系統(tǒng)傳送至試驗腔內的試件臺上，封閉試驗腔。
[0021 ] c:對模型同步施加三向應力，三向應力按每級IMPa逐級加載至1MPa，并通過真空栗對試驗腔抽真空，抽真空時間在12h以上，使試驗腔的真空度小于lOOPa，關閉真空栗，檢驗試驗腔的氣密性，啟動測試子系統(tǒng)。
[0022]d:向試驗腔內注入純度大于99.9%的瓦斯氣體至氣壓5MPa，維持該氣壓48小時以上，使模型完全吸附瓦斯氣體，完成注氣過程。
[0023]e:對反力蓋的中心位置設置模擬開挖通道，由鉆機通過模擬開挖通道對模型進行模擬鉆孔，進行水力割縫、水力壓裂和水力沖孔驗。
[0024]f:依次卸除施加到模型的氣壓、應力，關閉測試子系統(tǒng)，試驗結束。
[0025]本系統(tǒng)集模型的制作、輸送、加載、監(jiān)測和分析為一體，實現了加載噸位高、模型尺寸大、功能最全面的三維大型綜合物理模擬平臺。本方案試驗腔采用加載環(huán)組與后加載蓋、反力蓋沿導軌式可拆卸連接的結構，方面對模型進行操作和在實驗腔內進行傳感器的布置;并結合由多個單獨控制的均布加載器組成的均布加載器陣列對模型進行應力加載，較好地避免了傳統(tǒng)的試驗系統(tǒng)中采用千斤頂加載壓力均勻性偏差較大，采用柔性囊加載行程偏小、強度偏低的的缺點，能夠精準穩(wěn)定地實現三向荷載獨立的均勻或非均勻加載。
[0026]本方案通過油路密封連接口和引線密封連接口的密封引出設計，以及后加載蓋、過渡環(huán)、加載環(huán)和反力蓋間的定位環(huán)和密封環(huán)，保證了試驗腔的密封性，保載時間長，結合抽注氣子系統(tǒng)實現瓦斯壓力的模擬環(huán)境。通過反力蓋的中心孔結構，實現模擬鉆孔、造縫、開挖、支護等作業(yè)。模型成型子系統(tǒng)一來方便制作不同尺寸的模型，其結構合理，方便模型的制作和送出；結合軌道輸送子系統(tǒng)的轉送機制，安裝就位準確方便，即使是大噸位的模型，也輸送連貫平穩(wěn)，無需采用吊車等大型設備。
[0027]本方案還采用智能化POP-M型多通道控制器和測試子系統(tǒng)，智能化控制程度高，信號檢測準確性高。并通過可視化子系統(tǒng)的照明設備，方便實驗觀察;通過數據采集器實時獲取檢測信息并通過電腦顯示器直觀現實。
[0028]本發(fā)明能夠模擬在地應力和瓦斯壓力及綜合多因素作用下鉆孔、造縫、壓裂、煤與瓦斯突出、地下工程開挖支護等作業(yè)，通過大型模型探索煤層中瓦斯氣體吸附解吸過程和瓦斯流動規(guī)律，研究瓦斯煤滲透率與有效應力、溫度和瓦斯壓力之間關系進行試驗;對加強煤礦與瓦斯突出相關發(fā)生機理、預測與控制等方面的基礎研究提供科學的試驗驗證手段，并對建設“煤礦災害動力學與控制”國家重點實驗室的研究內容及方向提供可靠的試驗平臺支撐。
【附圖說明】
[0029]圖1為本發(fā)明模擬試驗系統(tǒng)的整體結構的俯視圖；
[0030]圖2為圖1中試驗腔的結構正視圖；
[0031 ]圖3為本發(fā)明模擬試驗系統(tǒng)的側面結構剖視圖；
[0032]圖4為本發(fā)明后加載蓋的側面結構剖視圖；
[0033]圖5為本發(fā)明加載環(huán)的側面結構剖視圖；
[0034]圖6為本發(fā)明反力蓋的側面結構剖視圖；
[0035]圖7為本發(fā)明軌道輸送子系統(tǒng)的側面視圖；
[0036]圖8為本發(fā)明模型成型子系統(tǒng)的側面視圖；
[0037]圖9為圖8中反力架的結構正視圖；
[0038]圖10為本發(fā)明的抽注氣子系統(tǒng)的結構圖。
[0039]【附圖說明】:10—底座；11 一拉拔器；12—后加載蓋；13—過渡環(huán)；14一加載環(huán)組；15—反力蓋；16 —試件臺；17—均布加載器陣列；18 —導軌；19一拉桿;20—模具箱;21—反力架;22—支柱；23 —底臺；24—壓頭；25—連接桿;26—凸臺；27 —升降軌；28 —模型；29 —加壓油缸；30 —軌道支架；31 —平板拖車；32 —驅動小車；33 —縱向輸送軌；34 —轉向軌；35 —升降旋轉臺；36 —升降油缸;37 —橫向輸送軌；38 —腔內軌;50 —安全閥；51 —控制器；52—真空栗;53 —抽氣電動球閥；54 —分球閥；55 —集裝格;56 —全開閥；57 —穩(wěn)壓閥；58 —注氣電動球閥；59—壓力傳感器;60 —溫度傳感器；120—圓形鋼板；121—加強筋架；122 —環(huán)帶鋼板；123—工程油缸；130—油路密封連接口； 131—引線密封連接口； 140—加載環(huán)；141 一支撐座；142 —滾輪；150—前反力板；151 —端蓋；152—中心孔；153 —管套；190—拉桿孔;201 —側板;210—分配梁;350 —托盤;351—限位板;352 —擋銷。
【具體實施方式】
[0040]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的描述。
[0041]—種煤巖工程多功能物理模擬試驗系統(tǒng)，其模型成型子系統(tǒng)制作完成模型后，由軌道輸送子系統(tǒng)輸送至試驗腔處，試驗腔內設液壓式多維應力加載組件，多維應力加載組件連接有伺服油源，伺服油源受液壓加載控制子系統(tǒng)控制，進而控制多維應力加載組件施加在模型上的應力。與試驗腔連通的還有抽注氣子系統(tǒng)，用于對腔內的氣壓進行調控，以真實模擬煤巖工程中處于瓦斯等氣體下的工況。試驗腔內模型的應力變化、腔內氣壓以及多維應力加載組件的施力情況，均通過測試子系統(tǒng)進行檢測并反饋至液壓加載控制子系統(tǒng)和抽注氣子系統(tǒng)。本系統(tǒng)試驗腔的結構采用臥式，由加載框架和可拆卸式連接于加載框架一端的反力蓋15圍成腔體，加載框架和反力蓋15同軸安裝于底座10上，底座10上的導軌18沿加載框架的軸向設置，加載框架和反力蓋15的底部分別安裝有支撐座141，支撐座141可沿導軌18滑行，通過上述設置，使得加載框架與反力蓋15圍成的腔體開閉方便。在加載框架與反力蓋15相離時，模型28通過軌道輸送子系統(tǒng)送至腔內，模型28安裝就位后，移除軌道輸送子系統(tǒng)，密封連接加載框架與反力蓋15，進行試驗。
[0042]作為一種具體實施例，本系統(tǒng)的試驗腔如圖1、2、3所示，其加載框架主體上由后加載蓋12和加載環(huán)組14構成，后加載蓋12、加載環(huán)組14和反力蓋15同軸可拆卸式密封連接，加載環(huán)組14內側底部為試件臺16，模型28水平承放在其上面。在該實施例中，對模型28施加應力的組件選用液壓式式的均布加載器。為適應均勻以及非均勻要求的應力加載，采取陣列排布的均布加載器陣列17對應模型28單個面的施力。模型28—般米用方形體結構，以模型28對應后加載蓋12的一面為后表面，加載環(huán)組14對應模型的左、右、上表面各設一個均布加載器陣列17，后加載蓋12對應模型28的后表面設置一個均布加載器陣列17，反力蓋15不施力，只通過前反力板150起向后的反力作用。
[0043]加載環(huán)組14具體是由多個加載環(huán)140密封串連而成，后加載蓋12的均布加載器陣列17向前凸出，為契合安裝，在加載環(huán)組14與后加載蓋12之間增加一個內部不帶加載器的過渡環(huán)13，用于尺寸上的匹配連接。為保證試驗腔各部件間連接的牢固性和密封性，后加載蓋12、過渡環(huán)13、加載環(huán)140和反力蓋15間均設置有定位環(huán)和密封環(huán)，且通過整周均布多個軸向的拉桿孔190，各個加載環(huán)140的拉桿孔190對齊后通過拉桿19沿軸向串接到一起。由于試驗時在應力較大的情況下容易導致結構變形，影響密封性，因此拉桿19的兩端設置拉拔器11防止軸向擴張拉伸。
[0044]測試子系統(tǒng)的位移傳感器、油壓傳感器、氣體壓力傳感器、溫度傳感器和應力傳感器均布置在試驗腔內壁或模型上，這些傳感器的引線需要引出到腔外以信息反饋，因此，在加載環(huán)140和過渡環(huán)13的壁上開設引線密封連接口 131，引線密封連接口 131采用中部貫穿接線柱式的法蘭結構，法蘭盤與試驗腔壁螺栓密封連接，接線柱與法蘭主體玻璃燒結密封，傳感器的引線即通過接線柱引出到腔外。均布加載器的油路需要與伺服油源連通，在加載環(huán)140和過渡環(huán)13的壁上開設油路密封連接口 130，類似結構的也采用法蘭結構，線柱式對應設計為輸油管即可。
[0045]本系統(tǒng)由于噸位較大，為此，在試驗腔等框架結構上有所考慮，加載環(huán)140、后加載蓋12以及反力蓋15，均避免采用整體鑄造的結構，而是采用鋼板焊接成型，在減輕質量的同時保證強度。如圖4所示的后加載蓋12，其主要由圓形鋼板120、環(huán)帶鋼板122和焊接在圓形鋼板120的后表面朝后凸出的蜘蛛網狀加強筋架121組成，環(huán)帶鋼板122的內側面與加強筋架121的各端部焊接，環(huán)帶鋼板122前端與圓形鋼板120焊接。同樣的，支撐座141也通過鋼板焊接成型，支撐座141的上表面為一段圓弧帶狀，便于與加載環(huán)組14、后加載蓋12的圓弧底面貼合式螺栓緊固。圖5所示為單個加載環(huán)140的側面剖視圖。關閉試驗腔時，為拉攏加載環(huán)組14與反力蓋15，在支撐座141的底部對應導軌18設置滾輪142，并且將加載環(huán)組14的支撐座141和反力蓋15的支撐座141沿導軌18的兩個側部分別通過一工程油缸123連接，利用工程油缸123的強大拉力，拉攏兩部件。
[0046]為方便對模型28進行鉆孔、開挖、造縫等作業(yè)，進一步的實施例，前反力蓋15設有中心孔152，中心孔152內襯管套153，所述管套153的一端與前反力板150連接，管套153的另一端可拆卸式密封連接有端蓋151，如圖6所示。
[0047]軌道輸送子系統(tǒng)的一種實施例結構，其由軌道支架30以及軌道支架30上相互垂直的橫向軌道和縱向軌道構成，縱向軌道位于橫向軌道的上方?？v向軌道和橫向軌道分時利用轉向軌34，轉向軌34為縱向軌道與橫向軌道豎直空間看交錯的一段可轉向的軌道?？v向軌道除轉向軌34還有一端對應模型成型子系統(tǒng)的縱向輸送軌33，平板拖車31在驅動小車32驅動下，由模型成型子系統(tǒng)一端的縱向輸送軌33前進到轉向軌34上，此時轉向軌34為縱向軌道的一部分。橫向軌道還有腔內軌38和橫向輸送軌37，腔內軌38是設置在試件臺16的兩側不超出試驗腔的一段軌道，橫向輸送軌37為腔內軌38與轉向軌34的過渡，轉向軌34在升降旋轉臺35的轉動下，轉過90°后下降，與橫向輸送軌37接軌，落在軌道支架30上。為盡量少的搬動模型28，在腔內軌38的底部設置升降油缸36，平板拖車31行駛到試件臺16正上方后，腔內軌38下降，平板拖車31的底板完全落在試件臺16的上表面上，不需要再撤掉平板拖車31即可進行試驗。圖7為軌道輸送子系統(tǒng)單獨的一個結構示意圖，圖中的升降旋轉臺35除連接轉向軌34的托盤350外，還設置下降過程中的限位板351，對應限位板351，軌道支架30上還設置擋銷352。試驗腔密封前，拆除加載環(huán)組14與反力蓋15間的橫向輸送軌37和軌道支架30等。
[0048]模型成型子系統(tǒng)的一種實施例，其包括模具箱20和反力架21，所述反力架21通過支柱22安裝于一底臺23上，反力架21包括分配梁210，所述分配梁210的上面安裝有加壓油缸29，分配梁210的下面設有壓頭24，所述加壓油缸29與壓頭24通過穿過分配梁210的連接桿25連接。所述底臺23位于壓頭24正下方的部分為一凸臺26，所述支柱22連接于分配梁210與底臺23凸臺26兩側的臺階之間，所述凸臺26的兩側與支柱22之間各設有一升降軌27，升降軌27同樣采用升降油缸36結構，升降軌27與反力架21外的軌道輸送子系統(tǒng)接軌。所述模具箱20的底板為平板拖車31的底板，模具箱20四周的側板201可拆卸式安裝在平板拖車31的底板上，以便調節(jié)不同尺寸的模型28。平板拖車31在升降軌27處進行模型制作時，升降軌27在下降過程中應保證平板拖車31的底板能完全落在凸臺26上，在模型送出時，升降軌27再上升使平板拖車31能夠駛出。圖8和圖9為本實施例中模型成型子系統(tǒng)的結構圖。
[0049]在控制方面，液壓加載控制子系統(tǒng)包括POP-M型多通道控制器以及帶有PLC控制器用于電液伺服油源開關量控制的電控柜，多通道控制器的每一控制通道對應控制一個均布加載器的油腔壓力，實現均布加載器陣列的不均勻施力?？蛇x用現成的成套系統(tǒng)，如杭州邦威機電控制工程有限公司的液壓加載控制系統(tǒng)系列。
[0050]在監(jiān)測方面，測試子系統(tǒng)還包括靜態(tài)應變測試平臺和光纖光柵應變測試平臺，每個均布加載器包括多個加載活塞，同一個均布加載器的多個加載活塞共用一個位移傳感器和一對進、回油腔的油壓傳感器。靜態(tài)應變測試平臺和光纖光柵應變測試平臺兩套平臺可根據試驗需要選用其一或同時使用。靜態(tài)應變測試平臺可選用江蘇東華測試技術股份有限公司的DH3816型靜態(tài)電阻應變儀;光纖光柵應變測試平臺主要由光纖傳感器、光纖分路器、通道擴展儀、光纖動態(tài)解調儀及計算機組成。
[0051]為使試驗人員能夠直觀清楚的分析試驗過程，本系統(tǒng)還引入了可視化子系統(tǒng)，可視化子系統(tǒng)包括設置在試驗腔內的照明設備和通信連接有數據采集器的電腦顯示器，數據采集器采集測試子系統(tǒng)中傳感器檢測到的信號。
[0052]本系統(tǒng)的抽注氣子系統(tǒng)如圖10所示，包括控制器51、用于抽氣的真空栗52和抽氣電動球閥53、以及用于注氣的二氧化碳鋼瓶和注氣電動球閥58。真空栗52和抽氣電動球閥53管道連接后再與試驗腔管道連接;二氧化碳鋼瓶提供氣源，并將數個二氧化碳鋼瓶作為一組集中到一個集裝格55中，每個集裝格55的出氣管一路并通過一個分球閥54與注氣電動球閥58連接，注氣電動球閥58再與試驗腔連接。對試驗腔還設置壓力傳感器59和溫度傳感器60，其作為檢測但愿反饋給控制器51實時參數，控制器51從而控制真空栗52和注氣電動球閥58，實現抽注氣功能。
[0053]為避免試驗中氣體壓力過大造成潛在危險，管路中設置安全閥50。并且分兩路設置注氣電動球閥58與試驗腔連接，一路上設穩(wěn)壓閥57，一路上設全開閥56，以保證注氣壓力的均勻性和穩(wěn)定性。常規(guī)條件下，深部煤巖具有較大的瓦斯氣體壓力，當在模擬煤與瓦斯突出等過程中，需要做到氣體的持續(xù)和及時補充，本子系統(tǒng)提供實驗過程中的氣體抽放及補充任務，是模擬深部煤巖工程中模擬瓦斯氣體壓力所不可或缺的一環(huán)，真正意義上做到深部煤巖工程的模擬。
[0054]對應上述試驗系統(tǒng)進行煤巖模型試驗的方法，包括以下步驟:
[0055]a:在試驗腔內完成應力傳感器、應變傳感器、溫度傳感器、瓦斯壓力傳感器和聲發(fā)射傳感器的布設，上述所有傳感器所測信號為測試子系統(tǒng)實時連續(xù)采集的應力、應變、溫度和瓦斯壓力參數。
[0056]b:在模型成型子系統(tǒng)中成型模型28，將模型28通過軌道輸送子系統(tǒng)傳送至試驗腔內的試件臺16上，封閉試驗腔。
[0057]c:對模型28同步施加三向應力，三向應力按每級IMPa逐級加載至lOMPa，每級加載應力的穩(wěn)壓時間為5?1min;并通過真空栗52對試驗腔抽真空，抽真空時間在12h以上，使試驗腔的真空度小于lOOPa，關閉真空栗52，檢驗試驗腔的氣密性，啟動測試子系統(tǒng)。
[0058]d:向試驗腔內注入純度大于99.9 %的瓦斯氣體至氣壓5MPa，維持該氣壓48小時以上，使模型28完全吸附瓦斯氣體，完成注氣過程。
[0059]e:對反力蓋15的中心位置設置模擬開挖通道，由鉆機通過模擬開挖通道對模型28進行模擬鉆孔，進行水力割縫、水力壓裂和水力沖孔驗。
[0060]f:依次卸除施加到模型28的氣壓、應力，關閉測試子系統(tǒng)，試驗結束。
[0061]模型28在模型成型子系統(tǒng)中成型，成型包括以下步驟:I)組裝好模具箱20;2)用吊車、吊籃向模具箱20內添加物料，實驗人員進入模具箱20內，攤平材料并人工夯實，與此同時根據試驗方案布置好應力、應變、溫度、瓦斯壓力等傳感器;3)實驗人員撤出模具箱20后，模具箱20通過驅動小車32沿軌道進入反力架21下方，通過壓頭24、加壓油缸29施加5MPa的成型壓力；4)模型材料壓實后，壓頭24收回，模具箱20退出反力架21下方，人員再次進入模具箱20內，將已壓實的模型材料表面劃松，再重復2)、3)步驟，直至模型28制作完畢。
[0062]在對試驗腔抽真空后，根據真空壓力指示數的變化情況來判定試驗腔的氣密性，當真空壓力在停止抽真空后的Ih內指示數保持不變，即認為試驗腔的氣密性可滿足試驗要求。然后啟動測試子系統(tǒng)，并開始向試驗腔注入瓦斯氣體。
[0063]反力蓋15的中心位置原本有補芯填補其中心孔152，在模型28完全吸附瓦斯后，卸除補芯形成模擬開挖通道，將鉆機調整到相應位置，安裝好自動切換式割縫器和鉆頭，其中割縫器位于鉆頭和鉆桿之間，在連接好高壓水栗、水箱和管路后，按照設計好的鉆孔參數，采用栗壓(此時自動切換式割縫器處于關閉狀態(tài))進行鉆孔施工，在鉆至設計深度時，停止鉆進但保持鉆桿的旋轉狀態(tài)。升高栗壓，使自動切換式割縫器處于工作狀態(tài)，對模型28進行割縫，在縫槽半徑達到設計值時，停止割縫，割縫時間根據模型28的力學參數、鉆桿轉速和工作栗壓計算得出，在完成該縫槽的割縫后，鉆桿向外退出，進行下一個縫槽的切割，直至切割完畢。在鉆孔和切割縫槽期間，始終保持對應力、應變、溫度、瓦斯壓力等參數的實時連續(xù)采集，直至試驗結束。在縫槽切割完成后，先關閉高壓水栗并撤出鉆桿，然后開始卸除氣壓，氣壓卸除后分10級、每級IMPa來分級卸除模型28的三向應力，三向應力卸除后關閉測試子系統(tǒng)，試驗結束。
【主權項】
1.一種煤巖工程多功能物理模擬試驗系統(tǒng)，包括試驗腔、模型成型子系統(tǒng)、液壓加載控制子系統(tǒng)、測試子系統(tǒng)和抽注氣子系統(tǒng)，所述試驗腔內設液壓式多維應力加載組件，多維應力加載組件連接有伺服油源，所述液壓加載控制子系統(tǒng)控制連接伺服油源，測試子系統(tǒng)與液壓加載控制子系統(tǒng)通信連接，其特征在于:所述試驗腔包括加載框架和可拆卸式連接于加載框架一端的反力蓋，所述加載框架和反力蓋同軸安裝于一底座上，所述底座上沿加載框架的軸向設置有導軌，所述導軌上安裝有可沿導軌滑行的支撐座，所述加載框架和反力蓋的底部分別安裝有支撐座;所述模型成型子系統(tǒng)與試驗腔之間可拆卸式連接有用于輸送模型的軌道輸送子系統(tǒng)。2.根據權利要求1所述的煤巖工程多功能物理模擬試驗系統(tǒng)，其特征在于:所述加載框架包括與反力蓋同軸的后加載蓋和加載環(huán)組，加載環(huán)組與后加載蓋、反力蓋可拆卸式密封連接且位于后加載蓋和反力蓋之間； 所述加載環(huán)組內的底側設置有水平承放模型的試件臺，多維應力加載組件包括設置在加載環(huán)組內壁分別對應模型左、右、上表面的均布加載器陣列以及后加載蓋對應模型后表面的均布加載器陣列，反力蓋對應模型的前表面設置有前反力板。3.根據權利要求2所述的煤巖工程多功能物理模擬試驗系統(tǒng)，其特征在于:所述加載環(huán)組與后加載蓋之間連接有過渡環(huán)，后加載蓋、過渡環(huán)、加載環(huán)組和反力蓋的外環(huán)部分通過拉桿沿軸向串接，所述拉桿圍繞試驗腔的軸心均勻分布有多只，拉桿的兩端設置有拉拔器，且后加載蓋、過渡環(huán)、加載環(huán)和反力蓋間均設置有定位環(huán)和密封環(huán)； 加載環(huán)組和過渡環(huán)的壁上設置有油路密封連接口和引線密封連接口，均布加載器陣列通過油路密封連接口與伺服油源連接，測試子系統(tǒng)包括由設置在試驗腔內的位移傳感器、油壓傳感器、氣體壓力傳感器、溫度傳感器和應力傳感器組成的傳感器測試組，傳感器測試組通過引線密封連接口與液壓加載控制子系統(tǒng)、抽注氣子系統(tǒng)通信連接。4.根據權利要求3所述的煤巖工程多功能物理模擬試驗系統(tǒng)，其特征在于:所述加載環(huán)組由鋼板焊接成型的加載環(huán)密封串連而成;所述后加載蓋包括圓形鋼板，圓形鋼板的后表面焊接有朝后凸出的蜘蛛網狀的加強筋架，后加載蓋的外側部包括一環(huán)帶鋼板，環(huán)帶鋼板前端與圓形鋼板焊接，環(huán)帶鋼板的內側面與加強筋架的各端部焊接； 支撐座通過鋼板焊接成型，支撐座的上表面與加載環(huán)組、后加載蓋的圓弧底面均為貼合式螺栓緊固，支撐座的底部對應導軌設置有滾輪，加載環(huán)組的支撐座和反力蓋的支撐座沿導軌的兩個側部分別通過一工程油缸連接； 所述反力蓋設有中心孔，所述中心孔內襯管套，所述管套的一端與前反力板連接，管套的另一端可拆卸式密封連接有端蓋。5.根據權利要求1至4中任一項所述的煤巖工程多功能物理模擬試驗系統(tǒng)，其特征在于:所述軌道輸送子系統(tǒng)包括軌道支架，所述軌道支架上設置有相互垂直的橫向軌道和縱向軌道，縱向軌道位于橫向軌道的上方，縱向軌道包括一端對應模型成型子系統(tǒng)的縱向輸送軌，所述縱向輸送軌上設置有可運行于橫向軌道、縱向軌道上的驅動小車以及承載模型的平板拖車，驅動小車驅動連接平板拖車，所述縱向輸送軌的另一端連接有轉向軌； 所述橫向軌道包括腔內軌和橫向輸送軌，所述腔內軌設置在試驗腔內承載模型的試件臺的兩側，橫向輸送軌的一端與腔內軌連接，軌道支架從橫向輸送軌的另一端延伸至轉向軌的正下方，轉向軌的正下方設置有可90°往返旋轉的升降旋轉臺，所述升降旋轉臺位于轉向軌正下方的導軌支架中且頂部與轉向軌的底部固定； 所述腔內軌的底部設置有升降油缸，腔內軌的升降行程大于平板拖車的底面在腔內軌上升至上限時高出試件臺上表面的距離。6.根據權利要求5所述的煤巖工程多功能物理模擬試驗系統(tǒng)，其特征在于:所述模型成型子系統(tǒng)包括模具箱和反力架，所述反力架通過支柱安裝于一底臺上，反力架包括分配梁，所述分配梁的上面安裝有加壓油缸，分配梁的下面設有壓頭，所述加壓油缸與壓頭通過穿過分配梁的連接桿連接;所述底臺位于壓頭正下方的部分為一凸臺，所述支柱連接于分配梁與底臺凸臺兩側的臺階之間，所述凸臺的兩側與支柱之間各設有一升降軌，所述升降軌與反力架外的軌道輸送子系統(tǒng)接軌;所述模具箱的底板為平板拖車的底板，模具箱四周的側板可拆卸式安裝在平板拖車的底板上;升降軌的升降行程大于平板拖車的底面在升降軌上升至上限時高出凸臺上表面的距離。7.根據權利要求1、2、3、4、6中任一項所述的煤巖工程多功能物理模擬試驗系統(tǒng)，其特征在于:所述液壓加載控制子系統(tǒng)包括POP-M型多通道控制器以及帶有PLC控制器用于電液伺服油源開關量控制的電控柜，多通道控制器的每一控制通道對應控制一個均布加載器的油腔壓力； 所述測試子系統(tǒng)還包括靜態(tài)應變測試平臺和光纖光柵應變測試平臺，每個均布加載器包括多個加載活塞，同一個均布加載器的多個加載活塞共用一個位移傳感器和一對進、回油腔的油壓傳感器。8.根據權利要求7所述的煤巖工程多功能物理模擬試驗系統(tǒng)，其特征在于:還包括可視化子系統(tǒng)，可視化子系統(tǒng)包括設置在試驗腔內的照明設備和通信連接有數據采集器的電腦顯示器，數據采集器與測試子系統(tǒng)通信連接。9.根據權利要求8所述的煤巖工程多功能物理模擬試驗系統(tǒng)，其特征在于:所述抽注氣子系統(tǒng)包括控制器、用于抽氣的真空栗和抽氣電動球閥、以及用于注氣的二氧化碳鋼瓶和注氣電動球閥，所述真空栗和抽氣電動球閥管道連接后再與試驗腔管道連接，氧化碳鋼瓶經注氣電動球閥與試驗腔連接，控制器控制連接真空栗和注氣電動球閥。10.—種利用權利要求9所述的煤巖工程多功能物理模擬試驗系統(tǒng)進行煤巖模型試驗的方法，其特征在于:包括以下步驟: a:在試驗腔內完成應力傳感器、應變傳感器、溫度傳感器、瓦斯壓力傳感器和聲發(fā)射傳感器的布設，上述所有傳感器所測信號為測試子系統(tǒng)實時連續(xù)采集的應力、應變、溫度和瓦斯壓力參數； b:在模型成型子系統(tǒng)中成型模型，將模型通過軌道輸送子系統(tǒng)傳送至試驗腔內的試件臺上，封閉試驗腔； c:對模型同步施加三向應力，三向應力按每級IMPa逐級加載至1MPa，并通過真空栗對試驗腔抽真空，抽真空時間在12h以上，使試驗腔的真空度小于lOOPa，關閉真空栗，檢驗試驗腔的氣密性，啟動測試子系統(tǒng)； d:向試驗腔內注入純度大于99.9 %的瓦斯氣體至氣壓5MPa，維持該氣壓48小時以上，使模型完全吸附瓦斯氣體，完成注氣過程； e:對反力蓋的中心位置設置模擬開挖通道，由鉆機通過模擬開挖通道對模型進行模擬鉆孔，進行水力割縫、水力壓裂和水力沖孔驗；f:依次卸除施加到模型的氣壓、應力，關閉測試子系統(tǒng)，試驗結束。
【文檔編號】G01N15/08GK106018105SQ201610326802
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月17日
【發(fā)明人】李曉紅, 顧金才, 盧義玉, 夏彬偉, 明治清, 葛兆龍, 湯積仁, 王海洋
【申請人】重慶大學