【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及煤矿开采，尤其涉及一种构造-应力-瓦斯耦合诱发煤与瓦斯突出试验装置及方法。
技术介绍
1、我国大地构造主要特点包括由复杂小陆块经多次旋回构造运动拼合而成和位于活跃板块交界地带，主要表现为稳定性差和活动性强。我国煤田地质构造条件因此变得复杂，煤与瓦斯突出等矿井动力灾害的防治问题十分严峻。地质构造在形成和演化过程中，因活跃程度差异，将会在煤岩体内产生节理、裂隙、断层(正、逆和平移断层)和褶皱(背斜和向斜褶皱)，造成煤岩体的非均质性，影响着煤岩体的应力状态、煤的物理力学性质、瓦斯在煤岩层中的赋存形式和运移特征等。在这种构造-应力-瓦斯耦合的非均质环境中进行煤矿开采活动，将会加剧煤岩体中的非均质特征。一旦外界扰动产生的非线性特征超过临界值时，便会以煤与瓦斯突出等形式达到新的平衡状态。因此，认识构造-应力-瓦斯耦合作用下煤岩体的非均质特征及其形成过程，从本质上研究煤与瓦斯突出的发生发展过程，才能对煤矿灾害采取有效预测预防措施。
2、查阅现有相关文献得知：国内已公开的专利及文献对于不同地质构造下的煤与瓦斯突出模拟做了一定研究。申请号为201910281874.1的中国专利技术专利公开了含断层煤系岩层煤与瓦斯突出模拟试验方法。该专利技术主要利用相似材料和相似模型制备含断层煤系岩层，采用先静载后动载的加载方式，以多种应力波加载煤岩体，能实现二维动静组合应力加载诱导突出。然而断层煤系岩层需要按照相似模型进行制备，制作较为复杂且模拟的地质环境较为单一，且无法真实模拟构造的形成及演化过程。申请号为202110835584.9
3、因此，为模拟构造应力对煤岩层不同地质环境的形成及不同地质构造中的突出模拟，亟需提出构造-应力-瓦斯耦合诱发煤与瓦斯突出试验装置及方法。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种构造-应力-瓦斯耦合诱发煤与瓦斯突出试验装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题。
2、为实现上述目的，本专利技术提供了一种构造-应力-瓦斯耦合诱发煤与瓦斯突出试验装置，包括箱体，所述箱体的内部填充有岩样和煤样，所述箱体上安装有加载装置，所述岩样和所述煤样通过所述加载装置进行成型并形成煤岩层，且所述加载装置用于控制所述煤岩层的轴向压力和围压；所述箱体的箱壁上设置有若干个注气孔，所述箱体通过管路和若干个所述注气孔连通有高压气瓶和真空泵；所述箱体的内部设置有气囊，所述气囊分别设置于所述煤岩层的顶部和底部，所述气囊用于填充所述箱体与所述煤岩层之间的空隙；所述箱体的一侧壁上开设有用于安装传感器的传感器孔；所述箱体的一端安装有具有突出口的底座，所述底座与施加轴向压力的所述加载装置相对设置；所述箱体的外侧设置有计算机，所述加载装置、所述传感器均与所述计算机电性连接。
3、优选的，所述加载装置包括用于对所述煤岩层施加轴向压力的液压加载装置以及用于对所述煤岩层施加围压的液压加载装置。
4、优选的，所述气囊采用对气体不具有吸附作用的材质制作。
5、优选的，所述传感器包括温度传感器、气体压力传感器、应力传感器、位移传感器和孔隙压力传感器。
6、一种使用构造-应力-瓦斯耦合诱发煤与瓦斯突出试验装置的方法，包括以下步骤：
7、s1、原位模拟构造形成及演化；
8、在箱体内铺设煤岩层所需的岩样和煤样，并在煤岩层的预定位置铺设炸药，利用加载装置对铺设的岩样和煤样进行成型；
9、在箱体上安装传感器，利用加载装置对煤岩层施加试验所需应力，模拟不同地质构造环境；
10、s2、非均质气体环境模拟；
11、在箱体顶端和底端放置气囊，安装具有突出口的底座，检查箱体气密性合格后，对箱体抽真空，然后膨胀气囊充填至箱体剩余空间，并向煤岩层注入气体至预定压力，模拟地质构造中气体非均质分布特征；
12、s3、动载扰动形式主动诱发突出；
13、引爆炸药以动载形式主动诱发突出；
14、s4、试验后处理；
15、拆除试验装置，并记录煤岩层的变形特征和突出孔洞特征，清理箱体中的煤岩层。
16、优选的，所述模拟不同地质构造环境，其中，地质构造环境为正断层、逆断层、平移断层、背斜褶皱及向斜褶皱中的一种。
17、优选的，所述在箱体内铺设煤岩层所需的岩样和煤样，其中，岩样和煤样通过对原岩和原煤破碎、筛分处理后，按试验需求加入相关材料制成。
18、优选的，所述引爆炸药以动载形式主动诱发突出，若不发生时，改变s1中构造的应力分布，直至突出发生。
19、优选的，所述引爆炸药以动载形式主动诱发突出，若不发生时，改变s2中初始气压及构造中气压分布，直至突出发生。
20、优选的，所述引爆炸药以动载形式主动诱发突出，若不发生时，改变煤岩层的强度和硬度以及炸药能量，直至突出发生。
21、与现有技术相比，本专利技术具有如下优点和技术效果：
22、1、本专利技术提出了一种真实模拟不同地质环境下含构造-应力-瓦斯耦合诱发煤与瓦斯突出试验装置及方法，该装置能模拟原位应力对煤岩层中断层和褶皱形成时的加载破坏情况、构造应力的演化过程、构造中的原位应力分布特征、背斜和向斜出现应力集中时的应力分区特征及瓦斯在地质环境中非均质分布特征，该试验装置的应力、瓦斯压力和煤岩层的变形等试验参数可根据试验需要调整，进而确定不同地质环境下动载诱发突出的临界应力、临界瓦斯压力和煤岩层的变形特征。
23、2、对气体不具有吸附性的气囊放置箱体顶部和底部，气囊膨胀后易变形，能随构造的变化而变化以保证始终填满箱体的剩余空间，使气体以游离、渗流和吸附等形式赋存于煤岩层中，模拟不同地质环境下气体的赋存形式，可调整注气孔的位置、注气速率和吸附时间，模拟地质构造环境中瓦斯的非均质分布特征。
24、3、试验过程考虑不同构造下应力与瓦斯耦合对突出的影响，引爆煤岩层中预定位置铺设的炸药，破坏煤岩层和起密封作用的原煤，在构造-应力-瓦斯耦合作用中，以动载形式主动诱发突出，试验可探究不同构造、应力分布、瓦斯分布、炸药能量和原煤物理性质等因素对煤与瓦斯突出的影响。
25、4、传感器孔可安装温度传感器、压力传感器、应力传感器、位移传感器和孔隙压力传感器，可实时监测原位模拟煤岩层不同地质环境形成时构造应力演化过程及试验过程中温度、压力、应力、煤岩层位移和孔隙压力等参数变化，分析动载扰动下煤岩层孔裂隙变化特征、煤岩层的连续失稳破坏特征和能量演化特征，进而为实际不同地质环境下的煤矿安全开采提供指导。
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1.一种构造-应力-瓦斯耦合诱发煤与瓦斯突出试验装置，其特征在于，包括箱体(1)，所述箱体(1)的内部填充有岩样和煤样，所述箱体(1)上安装有加载装置，所述岩样和所述煤样通过所述加载装置进行成型并形成煤岩层(36)，且所述加载装置用于控制所述煤岩层(36)的轴向压力和围压；所述箱体(1)的箱壁上设置有若干个注气孔，所述箱体(1)通过管路和若干个所述注气孔连通有高压气瓶(31、32)和真空泵(33)；所述箱体(1)的内部设置有气囊(34、35)，所述气囊(34、35)分别设置于所述煤岩层(36)的顶部和底部，所述气囊(34、35)用于填充所述箱体(1)与所述煤岩层(36)之间的空隙；所述箱体(1)的一侧壁上开设有用于安装传感器的传感器孔(39～47)；所述箱体(1)的一端安装有具有突出口(38)的底座，所述底座与施加轴向压力的所述加载装置相对设置；所述箱体(1)的外侧设置有计算机(48)，所述加载装置、所述传感器均与所述计算机(48)电性连接。
2.根据权利要求1所述的构造-应力-瓦斯耦合诱发煤与瓦斯突出试验装置，其特征在于，所述加载装置包括用于对所述煤岩层(36)施加
3.根据权利要求1所述的构造-应力-瓦斯耦合诱发煤与瓦斯突出试验装置，其特征在于，所述气囊(34、35)采用对气体不具有吸附作用的材质制作。
4.根据权利要求1所述的构造-应力-瓦斯耦合诱发煤与瓦斯突出试验装置，其特征在于，所述传感器包括温度传感器、气体压力传感器、应力传感器、位移传感器和孔隙压力传感器。
5.一种使用权利要求1-4任一项所述的构造-应力-瓦斯耦合诱发煤与瓦斯突出试验装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的使用构造-应力-瓦斯耦合诱发煤与瓦斯突出试验装置的方法，其特征在于，所述模拟不同地质构造环境，其中，地质构造环境为正断层、逆断层、平移断层、背斜褶皱及向斜褶皱中的一种。
7.根据权利要求5所述的使用构造-应力-瓦斯耦合诱发煤与瓦斯突出试验装置的方法，其特征在于，所述在箱体(1)内铺设煤岩层(36)所需的岩样和煤样，其中，岩样和煤样通过对原岩和原煤破碎、筛分处理后，按试验需求加入相关材料制成。
8.根据权利要求5所述的使用构造-应力-瓦斯耦合诱发煤与瓦斯突出试验装置的方法，其特征在于，所述引爆炸药以动载形式主动诱发突出，若不发生时，改变S1中构造的应力分布，直至突出发生。
9.根据权利要求5所述的使用构造-应力-瓦斯耦合诱发煤与瓦斯突出试验装置的方法，其特征在于，所述引爆炸药以动载形式主动诱发突出，若不发生时，改变S2中初始气压及构造中气压分布，直至突出发生。
10.根据权利要求5所述的使用构造-应力-瓦斯耦合诱发煤与瓦斯突出试验装置的方法，其特征在于，所述引爆炸药以动载形式主动诱发突出，若不发生时，改变煤岩层(36)的强度和硬度以及炸药能量，直至突出发生。
...【技术特征摘要】
1.一种构造-应力-瓦斯耦合诱发煤与瓦斯突出试验装置，其特征在于，包括箱体(1)，所述箱体(1)的内部填充有岩样和煤样，所述箱体(1)上安装有加载装置，所述岩样和所述煤样通过所述加载装置进行成型并形成煤岩层(36)，且所述加载装置用于控制所述煤岩层(36)的轴向压力和围压；所述箱体(1)的箱壁上设置有若干个注气孔，所述箱体(1)通过管路和若干个所述注气孔连通有高压气瓶(31、32)和真空泵(33)；所述箱体(1)的内部设置有气囊(34、35)，所述气囊(34、35)分别设置于所述煤岩层(36)的顶部和底部，所述气囊(34、35)用于填充所述箱体(1)与所述煤岩层(36)之间的空隙；所述箱体(1)的一侧壁上开设有用于安装传感器的传感器孔(39～47)；所述箱体(1)的一端安装有具有突出口(38)的底座，所述底座与施加轴向压力的所述加载装置相对设置；所述箱体(1)的外侧设置有计算机(48)，所述加载装置、所述传感器均与所述计算机(48)电性连接。
2.根据权利要求1所述的构造-应力-瓦斯耦合诱发煤与瓦斯突出试验装置，其特征在于，所述加载装置包括用于对所述煤岩层(36)施加轴向压力的液压加载装置(18)以及用于对所述煤岩层(36)施加围压的液压加载装置(2～9、10～17、19～22、23～26)。
3.根据权利要求1所述的构造-应力-瓦斯耦合诱发煤与瓦斯突出试验装置，其特征在于，所述气囊(34、35)采用对气体不具有吸附作用的材质制作。
4.根据权利要求1所述的构造-...
【专利技术属性】
技术研发人员：张超林，李运富，王恩元，李忠辉，刘晓斐，刘泉霖，张奇明，田贺，刘璐，陈佳伟，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：
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