深井煤炭資源的開采正日益成為行業(yè)的重點需求,然而高地應力、高瓦斯壓力、高地溫等深部環(huán)境下的煤巖瓦斯動力災害的耦合伴生更加復雜,對這一科學問題的大尺度物理模擬分析研究是目前最適用的研究方法。因此,圍繞高地應力、高瓦斯壓力、高地溫3個核心影響因素,理論分析了超千米深井環(huán)境對突出模擬系統(tǒng)加載能力、系統(tǒng)剛度、瓦斯壓力和溫度等的指標要求,提出了適用的臨界指標。研究設計了由加載系統(tǒng)、密封系統(tǒng)為主體的超千米深井煤巖瓦斯動力災害模擬實驗系統(tǒng),其垂直加載能力≥25 MPa、水平加載能力≥16 MPa、系統(tǒng)剛度30 GN/m、瓦斯壓力6 MPa、地溫控制60℃,可滿足在相似比為0.6～1.0條件下,1 000～1 500 m深井煤層賦存環(huán)境模擬。應用該系統(tǒng)對淮南丁集煤礦4·19動力災害事故的發(fā)生進行了模擬分析,得到:突出過程突出孔洞后方不同位置處的煤體應力-氣壓耦合演變規(guī)律不同,大致可劃分為突出孔洞所在區(qū)域、前突出影響區(qū)、后突出影響區(qū)以及未受影響區(qū)域等4個區(qū)域;在突出激發(fā)形成最初的孔洞后,突出影響區(qū)域內(nèi)瓦斯解吸滲流速度將影響突出的進一步發(fā)展,應力主導下的突出持續(xù)時間較短,拋出煤量較少;實驗共拋出煤樣15.... 

【文章來源】：煤炭學報. 2020,45(01)北大核心EICSCD

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【部分圖文】：

實驗機-煤樣系統(tǒng)力學模型

為符合實驗加載能力需求,通過調(diào)研分析設計了如下的加載系統(tǒng)反力架方案:反力架由上、下橫梁、側(cè)立柱組成,側(cè)立柱通過拉桿螺母固定構成一個能夠三維加載的自平衡受力系統(tǒng),如圖2所示。其中上下橫梁、側(cè)立柱采用Q235-A鋼材,拉桿螺母采用45號鋼。該加載系統(tǒng)可進行垂直3 000 t加載以及水平對稱2 000 t加載,基于相似模型尺寸需要垂直壓頭的最大行程空間為2 m,水平壓頭的最大行程為1.6 m。通過在壓板下方增加彈性材料模擬頂?shù)装?實現(xiàn)頂板彈性能的可控模擬。采用多組小流量高壓泵可實現(xiàn)力大小及加載速度的精確控制,控制精度為±1%。為保證反力架能夠滿足實驗強度和剛度要求,采用有限元分析軟件ANSYS對反力架結構進行計算分析。由于實驗目的不同,在實驗過程中可能需要對試件施加不同條件的荷載。在計算分析時主要考慮反力架承受垂直方向最大3 000 t荷載工況。為了便于分析計算忽略了對分析沒有影響的結構和特征,獲得的幾何模型如圖2(b)所示。

為保證反力架能夠滿足實驗強度和剛度要求,采用有限元分析軟件ANSYS對反力架結構進行計算分析。由于實驗目的不同,在實驗過程中可能需要對試件施加不同條件的荷載。在計算分析時主要考慮反力架承受垂直方向最大3 000 t荷載工況。為了便于分析計算忽略了對分析沒有影響的結構和特征,獲得的幾何模型如圖2(b)所示。該模型在地腳螺釘圓柱面施加固定約束,液壓缸充液面施加25 MPa均布面壓。下橫梁上表面承載區(qū)施加豎直向下的3 000 t作用力。下橫梁大拉桿施加750 t預緊力,其余拉桿施加320 t預緊力。加載3 000 t時加載系統(tǒng)反力架的變形情況如圖3所示。由圖3可以看出,在單軸壓縮情況下,垂直方向變形最大值大致在反力架上、下梁中部,壓頭中心位置。水平方向變形最大值處于側(cè)立柱垂直方向中部�？梢杂嬎愕玫綄嶒灆C縱向剛度為18.9 GN/m,橫向剛度為41.7 GN/m,基本滿足設計需求。

【參考文獻】：
期刊論文
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本文編號：3322099