[发明专利]一种模拟掘进扰动情况下煤岩体三轴加载试验装置及方法

说明书

本发明公开了一种模拟掘进扰动情况下煤岩体三轴加载试验装置及方法，属于煤岩体渗流损伤破坏特性研究的技术领域。本发明提供了一种能够更加真实模拟掘进扰动作用，煤岩体损伤破坏过程可视的三轴加载试验装置，同时该装置能够实现不同水压、不同加载方式以及不同扰动作用对煤岩体的破坏及渗流特性的影响的研究。该发明可实现掘进扰动作用下，煤岩体裂隙扩展的全过程监测，及煤岩体中应力变化，渗流压力变化的实时动态监测，进而定量化研究掘进扰动煤岩体渗流损伤破坏特性，对掘进工作面突水做出科学预判，减少掘进工作面突水灾害的发生。

技术领域

本发明涉及一种模拟掘进扰动情况下煤岩体三轴加载试验装置及方法，属于煤岩体受掘进扰动影响下渗流损伤破坏特性研究的技术领域。

背景技术

在煤矿重大事故中，突水已成为煤矿生产过程中最具威胁的灾害之一。而突水事故多发生在掘进工作面。目前针对井下突水灾害，主要通过超前布设探水钻孔进行积水疏排和注浆堵水措施，进行井下水害防治。现有防治措施多依据防治水规程制定，对突水机理研究不足，缺少相应的科学预警指标，遇到水文地质极其复杂的采区，防治水工作面临严峻的挑战。

现有研究手段中，把煤层巷道掘进、岩层断裂等的动力源扰动简化为应力波，具有一定的合理性，但与真实的扰动环境仍有较大区别。通过检索发现，目前还没有模拟研究掘进扰动下岩体裂隙扩展的试验装置。针对现有不足，有必要设计考虑掘进扰动载荷影响的三轴加载试验装置，深入研究掘进扰动条件下，围岩应力、强度、裂隙发育等特征，揭示掘进扰动影响下，在水压地压联合作用下的围岩裂隙发育，为治理掘进工作面突水灾害提供科学指导。

发明内容

本发明旨在提供一种模拟掘进扰动情况下煤岩体三轴加载试验装置及方法。本发明结构简单、操作方便，实现了掘进扰动影响下对煤岩体稳定性的研究；本发明还提供了掘进扰动作用下煤岩体稳定性的试验方法。

本发明提供了一种模拟掘进扰动情况下煤岩体三轴加载试验装置，包括试件加载腔体；试件加载腔体为长方体结构，在试件加载腔体的顶部设有轴向加载装置，在左侧和后侧分别设有侧向加载装置，在右侧设有侧向扰动装置；侧向加载装置和侧向扰动装置，通过两侧承载柱固定；

轴向加载装置包括轴向加压板、轴向加载推杆和轴向加载油缸；轴向加载油缸通过轴向加载活塞与轴向加载推杆连接，轴向加载推杆内设有折形进水管路，进水管路下端与轴向加压板进水孔紧密对接，轴向加压板为长方体板，内部设有空腔，该空腔上部与进水孔相连，下部与漏水孔相连；

侧向加载装置包括左侧加压板、左侧加载推杆和左侧加载油缸、后侧加压板、后侧推杆和后侧加载油缸；左侧加载油缸通过左侧加载活塞与左侧加载推杆连接，左侧加载推杆连接左侧加圧板，左侧加压板位于试件加载腔体的内部侧壁上；后侧加载油缸通过后侧加载活塞与后侧加载推杆连接，后侧加载推杆连接后侧加圧板，后侧加压板位于试件加载腔体的内部侧壁上；

试件加载腔体的上盖、左侧壁、后侧壁的中心位置均设有推杆孔；轴向加载油缸、左侧加载油缸、后侧加载油缸通过计算机系统进行电液伺服控制，实现加载端位移及压力的精准控制及相应的数据记录功能；

侧向扰动装置包括扰动钻杆和扰动加载电机，在试件加载腔体的右侧面中心位置设有腔体扰动钻头孔，扰动钻杆穿过右侧腔体扰动钻头孔与扰动加载电机相连，加载电机施加钻动和冲击两种扰动载荷，分别模拟实际煤层掘进中综掘机掘进巷道和爆破掘进两种掘巷方式对煤层产生的扰动；

所述轴向加载推杆内设有与腔体内部相通的进水口，腔体进水口与轴向加压板中心进水孔通过铜管相通；腔体底部中心处设有与腔体内部相通的出水口。

上述装置中，所述试件加载腔体的内部尺寸为：长300mm、宽100mm、高300mm，用于放置加载试块；试件加载腔体的前侧壁采用10mm厚的透明有机玻璃材料，能承受130MPa的压强，其余方向壁面采用10mm厚的钢板或金属板。