一种新型煤与瓦斯突出物理模拟系统研制与应用

刘永茜; 霍中刚; 李宏艳; 舒龙勇; 孙中学; 汪东; 刘学; 史兴旺

doi:10.13225/j.cnki.jccs.2023.0513

摘要：物理力学实验模拟是研究煤与瓦斯突出机理和发育规律的重要技术方法之一.研发一种新型煤与瓦斯突出模拟系统,旨在借助现有先进监测技术和装备,结合具体瓦斯地质模拟条件,开发出先进的实验设计方案,实现复杂场景下的煤与瓦斯突出现象模拟,助推煤与瓦斯突出机理研究.本模拟系统由应力加载子系统、实验箱体子系统、动力牵引子系统、气压控制子系统、诱突装备子系统、模拟巷道子系统和测控子系统7部分构成,在各个子系统设计过程中都不同程度地实现了技术方法提升,整个系统形成了标志性创新成果.模拟系统有如下特点:①完善了三轴同步连续非均匀加载技术装备的高载荷加/卸载功能.试件加载由X、Y和Z方向的10个独立压头完成,试件尺寸为400 mm×400 mm×1 200 mm,载荷强度最大25 MPa,最大密闭气压6.0 MPa,上述10个压头中的任意个体可根据指令独立或同步完成行程内的加/卸载任务,并实现了水平应力分层加卸载.②形成了系统制样、装样、密封、加载一体化工艺.实验箱体为新型分体式结构,由动力牵引系统辅助实验箱体完成试件成型、应力加载和模拟材料搬运,且箱体结构平移量控制精准.③集成多种诱突技术于同一模拟平台,完成了包括箱体、突出窗口等多项技术装备功能创新,完成了动力诱突、二级爆破片联动诱突、变径钻进诱突等多种诱突技术及装备研制,且在动力诱突和变径钻进诱突技术装备上实现了原始创新,并经过了实验模拟验证.④实现了关键装置结构体的设计创新.双层钢板箱体缓解了同步加载的应力集中并提高箱体结构气密性,突出口的内腔设计提高了诱突效率,模拟巷道端头结构与管道"软包硬"结构设计提高了系统安全性,变径钻头结构实现了Rouleauxs triangle理论的工程化应用.⑤多元信息监测及数据融合实现了模拟测试的精准化.采用了先进的数据采集系统(应力、气压、温度等数据)和包括声发射、高速摄像机等监控技术装备,实现了煤与瓦斯突出的多元数据精准监测.⑥工程案例模拟证实了系统应用的可靠性.通过平煤"3·22"突出案例模拟,完成了系统功能的整体检验,并发现了突出过程中断层构造对地应力、气体压力和温度的影响规律,证实了本物理力学模拟系统性能可靠,可为煤与瓦斯突出机理研究提供平台支撑作用.