深井煤岩瓦斯动力灾害模拟实验系统
发布时间：2021-08-04 17:24
深井煤炭资源的开采正日益成为行业的重点需求,然而高地应力、高瓦斯压力、高地温等深部环境下的煤岩瓦斯动力灾害的耦合伴生更加复杂,对这一科学问题的大尺度物理模拟分析研究是目前最适用的研究方法。因此,围绕高地应力、高瓦斯压力、高地温3个核心影响因素,理论分析了超千米深井环境对突出模拟系统加载能力、系统刚度、瓦斯压力和温度等的指标要求,提出了适用的临界指标。研究设计了由加载系统、密封系统为主体的超千米深井煤岩瓦斯动力灾害模拟实验系统,其垂直加载能力≥25 MPa、水平加载能力≥16 MPa、系统刚度30 GN/m、瓦斯压力6 MPa、地温控制60℃,可满足在相似比为0.6～1.0条件下,1 000～1 500 m深井煤层赋存环境模拟。应用该系统对淮南丁集煤矿4·19动力灾害事故的发生进行了模拟分析,得到:突出过程突出孔洞后方不同位置处的煤体应力-气压耦合演变规律不同,大致可划分为突出孔洞所在区域、前突出影响区、后突出影响区以及未受影响区域等4个区域;在突出激发形成最初的孔洞后,突出影响区域内瓦斯解吸渗流速度将影响突出的进一步发展,应力主导下的突出持续时间较短,抛出煤量较少;实验共抛出煤样15....
【文章来源】：煤炭学报. 2020,45(01)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
实验机-煤样系统力学模型
为符合实验加载能力需求,通过调研分析设计了如下的加载系统反力架方案:反力架由上、下横梁、侧立柱组成,侧立柱通过拉杆螺母固定构成一个能够三维加载的自平衡受力系统,如图2所示。其中上下横梁、侧立柱采用Q235-A钢材,拉杆螺母采用45号钢。该加载系统可进行垂直3 000 t加载以及水平对称2 000 t加载,基于相似模型尺寸需要垂直压头的最大行程空间为2 m,水平压头的最大行程为1.6 m。通过在压板下方增加弹性材料模拟顶底板,实现顶板弹性能的可控模拟。采用多组小流量高压泵可实现力大小及加载速度的精确控制,控制精度为±1%。为保证反力架能够满足实验强度和刚度要求,采用有限元分析软件ANSYS对反力架结构进行计算分析。由于实验目的不同,在实验过程中可能需要对试件施加不同条件的荷载。在计算分析时主要考虑反力架承受垂直方向最大3 000 t荷载工况。为了便于分析计算忽略了对分析没有影响的结构和特征,获得的几何模型如图2(b)所示。
为保证反力架能够满足实验强度和刚度要求,采用有限元分析软件ANSYS对反力架结构进行计算分析。由于实验目的不同,在实验过程中可能需要对试件施加不同条件的荷载。在计算分析时主要考虑反力架承受垂直方向最大3 000 t荷载工况。为了便于分析计算忽略了对分析没有影响的结构和特征,获得的几何模型如图2(b)所示。该模型在地脚螺钉圆柱面施加固定约束,液压缸充液面施加25 MPa均布面压。下横梁上表面承载区施加竖直向下的3 000 t作用力。下横梁大拉杆施加750 t预紧力,其余拉杆施加320 t预紧力。加载3 000 t时加载系统反力架的变形情况如图3所示。由图3可以看出,在单轴压缩情况下,垂直方向变形最大值大致在反力架上、下梁中部,压头中心位置。水平方向变形最大值处于侧立柱垂直方向中部。可以计算得到实验机纵向刚度为18.9 GN/m,横向刚度为41.7 GN/m,基本满足设计需求。
【参考文献】：
期刊论文
[1]中国煤矿井下地应力数据库及地应力分布规律[J]. 康红普,伊丙鼎,高富强,吕华文. 煤炭学报. 2019(01)
[2]中等尺度煤与瓦斯突出物理模拟装置研制与验证[J]. 聂百胜,马延崑,孟筠青,胡守涛. 岩石力学与工程学报. 2018(05)
[3]煤与瓦斯突出动力效应的模拟研究[J]. 曹偈,孙海涛,戴林超,孙东玲,王波,苗法田. 中国矿业大学学报. 2018(01)
[4]煤与瓦斯突出脉动式发展过程的试验研究[J]. 许江,耿加波,彭守建,袁梅,张超林,罗小航. 中国矿业大学学报. 2018(01)
[5]煤与瓦斯突出过程中气压时空演化规律[J]. 张超林,彭守建,许江,耿加波,杨红伟,罗小航. 岩土力学. 2017(01)
[6]Control of coal and gas outbursts in Huainan mines in China: A review[J]. Liang Yuan. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2016(04)
[7]深地下工程模型试验加卸载装置的研制[J]. 李浪,王明洋,范鹏贤,程怡豪,李治中,蒋海明. 岩土力学. 2016(01)
[8]地应力在石门揭构造软煤诱发煤与瓦斯突出中的作用[J]. 高魁,刘泽功,刘健. 岩石力学与工程学报. 2015(02)
[9]三维应力下煤与瓦斯突出模拟试验研究[J]. 唐巨鹏,潘一山,杨森林. 岩石力学与工程学报. 2013(05)
[10]含瓦斯煤动态破坏模拟实验设备的研制与应用[J]. 袁瑞甫,李怀珍. 煤炭学报. 2013(S1)
本文编号：3322099
【文章来源】：煤炭学报. 2020,45(01)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
实验机-煤样系统力学模型
为符合实验加载能力需求,通过调研分析设计了如下的加载系统反力架方案:反力架由上、下横梁、侧立柱组成,侧立柱通过拉杆螺母固定构成一个能够三维加载的自平衡受力系统,如图2所示。其中上下横梁、侧立柱采用Q235-A钢材,拉杆螺母采用45号钢。该加载系统可进行垂直3 000 t加载以及水平对称2 000 t加载,基于相似模型尺寸需要垂直压头的最大行程空间为2 m,水平压头的最大行程为1.6 m。通过在压板下方增加弹性材料模拟顶底板,实现顶板弹性能的可控模拟。采用多组小流量高压泵可实现力大小及加载速度的精确控制,控制精度为±1%。为保证反力架能够满足实验强度和刚度要求,采用有限元分析软件ANSYS对反力架结构进行计算分析。由于实验目的不同,在实验过程中可能需要对试件施加不同条件的荷载。在计算分析时主要考虑反力架承受垂直方向最大3 000 t荷载工况。为了便于分析计算忽略了对分析没有影响的结构和特征,获得的几何模型如图2(b)所示。
为保证反力架能够满足实验强度和刚度要求,采用有限元分析软件ANSYS对反力架结构进行计算分析。由于实验目的不同,在实验过程中可能需要对试件施加不同条件的荷载。在计算分析时主要考虑反力架承受垂直方向最大3 000 t荷载工况。为了便于分析计算忽略了对分析没有影响的结构和特征,获得的几何模型如图2(b)所示。该模型在地脚螺钉圆柱面施加固定约束,液压缸充液面施加25 MPa均布面压。下横梁上表面承载区施加竖直向下的3 000 t作用力。下横梁大拉杆施加750 t预紧力,其余拉杆施加320 t预紧力。加载3 000 t时加载系统反力架的变形情况如图3所示。由图3可以看出,在单轴压缩情况下,垂直方向变形最大值大致在反力架上、下梁中部,压头中心位置。水平方向变形最大值处于侧立柱垂直方向中部。可以计算得到实验机纵向刚度为18.9 GN/m,横向刚度为41.7 GN/m,基本满足设计需求。
【参考文献】：
期刊论文
[1]中国煤矿井下地应力数据库及地应力分布规律[J]. 康红普,伊丙鼎,高富强,吕华文. 煤炭学报. 2019(01)
[2]中等尺度煤与瓦斯突出物理模拟装置研制与验证[J]. 聂百胜,马延崑,孟筠青,胡守涛. 岩石力学与工程学报. 2018(05)
[3]煤与瓦斯突出动力效应的模拟研究[J]. 曹偈,孙海涛,戴林超,孙东玲,王波,苗法田. 中国矿业大学学报. 2018(01)
[4]煤与瓦斯突出脉动式发展过程的试验研究[J]. 许江,耿加波,彭守建,袁梅,张超林,罗小航. 中国矿业大学学报. 2018(01)
[5]煤与瓦斯突出过程中气压时空演化规律[J]. 张超林,彭守建,许江,耿加波,杨红伟,罗小航. 岩土力学. 2017(01)
[6]Control of coal and gas outbursts in Huainan mines in China: A review[J]. Liang Yuan. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2016(04)
[7]深地下工程模型试验加卸载装置的研制[J]. 李浪,王明洋,范鹏贤,程怡豪,李治中,蒋海明. 岩土力学. 2016(01)
[8]地应力在石门揭构造软煤诱发煤与瓦斯突出中的作用[J]. 高魁,刘泽功,刘健. 岩石力学与工程学报. 2015(02)
[9]三维应力下煤与瓦斯突出模拟试验研究[J]. 唐巨鹏,潘一山,杨森林. 岩石力学与工程学报. 2013(05)
[10]含瓦斯煤动态破坏模拟实验设备的研制与应用[J]. 袁瑞甫,李怀珍. 煤炭学报. 2013(S1)
本文编号：3322099
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