[发明专利]仿真环境下煤矿瓦斯动力灾害模拟实验装置及实验方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种仿真环境下煤矿瓦斯动力灾害模拟实验装置及实验方法，尤其涉及模拟冲击地压诱发的突出过程的实验装置。

背景技术

煤与瓦斯突出是煤矿生产过程中一种十分严重的事故灾害，但煤与瓦斯突出发生的机理一直没有定论，目前仍处于假说解释阶段。

目前，主要的假说有瓦斯作用假说、地应力作用假说、化学本质作用假说以及综合作用假说等，目前对综合作用引发煤与瓦斯突出的假说支持者较多。

综合作用假说认为在矿井生产过程中，采掘活动导致煤层所受地应力及煤层瓦斯压力改变打破原本的平衡状态，最后地应力、瓦斯压力以及其他相关因素综合作用导致煤岩体破坏失稳，从而发生煤与瓦斯突出灾害。

数据统计资料显示，大多数的突出发生在放炮和落煤工序过程中，具体的说就是多数的煤与瓦斯突出均是由于放炮、地震波以及顶板垮落等因素造成对煤岩体的冲击载荷诱发引起的。因此要对煤与瓦斯突出突出现象进行模拟实验研究，就不能避开冲击载荷的诱发因素。

尽管国内外学者在煤与瓦斯突出相似模拟实验研究装置方面做了大量工作并取得了许多成就，但是所研发出来的模拟实验装置还存在一些问题和不足：

1）不能施加侧向载荷来模拟水平构造应力。真实煤体在井下所受应力主要包括垂直方向上覆岩层地应力、水平方向构造应力以及煤层瓦斯孔隙压力。目前多数模拟突出实验装置只能实现垂直应力加载以及供给一定瓦斯压力，不能实现侧向水平加载载荷。

2）不能实现模拟冲击载荷诱发突出过程。井下放炮、地震波以及顶板垮落等因素造成的冲击地压是诱发突出的主要原因，多数突出是在这种情况下发生了，但是目前大部分实验装置考虑外载应力作用，都是通过对实验煤样进行静压加载的方法来实现的，不能模拟煤岩体承受的静压载荷与承受冲击载荷的双重作用，模拟实验中不能同时考虑到承受静压载荷与冲击载荷导致失稳破坏这两种因素。

3）数据统计除了石门揭煤，76%的煤与瓦斯突出事故发生在煤层巷道中。也就是说，大多数的煤与瓦斯突出均是在煤层已经暴露在采掘空间后发生的，此时的煤层瓦斯不在原始煤层瓦斯压力，已经卸压并发生流动，存在瓦斯流场。而目前的煤与瓦斯突出模拟实验装置只能在煤体处于密闭空间条件下进行突出实验，不能在瓦斯流场条件下进行瓦斯突出模拟实验。

4）目前设备大多结构复杂，装卸煤样麻烦，实验周期长效率低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够模拟煤矿冲击地压、瓦斯流场、覆岩层地应力以及水平构造应力的煤矿瓦斯动力灾害模拟实验装置，使实验环境更加贴合煤矿的实际环境条件，使实验结果更加准确、更具有指导作用。

为实现上述目的，本发明的仿真环境下煤矿瓦斯动力灾害模拟实验装置以水平方向上相互垂直的两个方向分别为X向和Y向，以竖直方向为Z向；

本发明包括加载框架，加载框架包括四根立柱，四根立柱的水平截面围成正方形；四根立柱顶部之间固定连接有气动锤安装架，气动锤安装架上安装有气动锤；气动锤安装架下方的所述四根立柱之间固定连接有液压缸安装架，液压缸安装架上间隔设有两个Z向加载液压缸，两个Z向加载液压缸的活塞杆向下伸出液压缸安装架，两个Z向加载液压缸的活塞杆的底端之间固定连接有水平设置的Z向加载板；

两个Z向加载液压缸之间的液压缸安装架的中心位置设有上下贯通的竖向通孔，气动锤的伸出杆向下滑动穿过所述竖向通孔并正对所述Z向加载板；

所述加载框架底部固定连接有承载台，承载台固定连接有沿Y向设置的Y向底架和沿X向设置的X向底架；

承载台和Y向底架上设有Y向导轨，X向底架上设有X向导轨；Y向导轨上设有Y向轨道车，X向导轨上设有X向轨道车，Y向轨道车上设有突出缸体和Y向加载液压缸，X向轨道车上设有X向加载液压缸；

突出缸体顶部向上设有Z向加载口，Z向加载板与Z向加载口处的突出缸体内壁滑动密封连接； 突出缸体侧壁连接有沿Y向设置的Y向筒体，Y向加载液压缸的活塞杆伸入Y向筒体并连接有Y向加载板，Y向加载板与Y向筒体滑动密封连接；突出缸体的侧壁可拆卸连接有X向筒体，X向筒体固定连接在X向轨道车上，X向加载液压缸的活塞杆伸入X向筒体并连接有X向加载板，X向加载板与X向筒体滑动密封连接；X向筒体临近X向加载液压缸的端部上表面开设有突出口；所述突出口与突出缸体之间的X向筒体连接有第四管路，第四管路上设有第三压力表、第四阀门和流量计；第四管路末端敞口；