基于地質力學模型試驗的爆破模擬試驗裝置及方法與流程

本發明涉及一種爆破模擬試驗裝置和試驗方法，尤其涉及地質力學模型試驗與大尺寸真三維爆破模擬試驗相結合的試驗方法。

背景技術：
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隨著煤礦開采強度的不斷增大，中深孔控制爆破技術在煤礦生產中的應用越來越廣泛，如低透氣性煤層增透提高瓦斯抽采率、堅硬頂板強制放頂、厚煤層堅硬頂煤綜放開采、爆破掘進和石門揭煤等。

然而，爆破產生的震動會對煤巖體產生強烈的影響，應力迅速重新分布促使煤巖劣化容易誘發瓦斯動力災害。當爆破作業擾動到井下地質構造帶煤巖體時，更加容易誘發煤巖瓦斯動力災害的發生。例如，淮南礦業集團潘謝礦區共發生瓦斯突出56次，其中放炮誘發突出40次，占突出總數的71.43％。據近五年不完全統計，由爆破擾動到地質構造煤層誘發的瓦斯動力災害總共有8起，死亡83人。

只有充分認識爆破震動導致的煤巖體物理平衡狀態的破壞過程，解決瓦斯動力災害發生的關鍵科學問題，才能制定有效的控制爆破技術，達到安全運用爆破技術的同時預防爆破導致瓦斯動力災害發生的目的。

許多學者對爆破和巷道圍巖穩定性的關系進行了深入研究，把煤巖體作為均值連續介質來考慮。然而，實際煤巖介質多為不連續體，爆破過程中的力學問題屬于不連續介質力學問題，其爆破物理過程、爆破作用機制和效果受煤巖體中發育的節理、裂隙等結構面控制。

雖然爆破應力波在節理、結構面和軟弱夾層處傳播的模擬試驗研究已有先例，但模型尺寸較小，在試驗中沒有涉及地質體，也未能實現真三維應力加載。

鑒于此，在綜合參考爆破模擬試驗裝置和巖土工程多功能試驗裝置的基礎上，基于相似模擬試驗思想和地質力學模型試驗新技術思路，提出了一套基于相似模擬和地質力學模型試驗的爆破試驗裝置及試驗方法。

技術實現要素：
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本發明所要解決的問題為：現有的爆破模擬試驗使用的為各向同性均質材料進行重復性試驗，并且試驗裝置尺寸較小，不能實現真三維加載，沒有考慮地質構造、節理、結構面和軟弱夾層等對爆破效果的影響。

為解決上述問題，在地質力學模型試驗新技術的基礎上，通過設計大型真三維爆破模擬試驗裝置，構建地質構造帶煤巖體試驗模型，確立爆破模擬試驗的相似條件，利用微藥量控制爆破技術，以實現地質力學模型試驗和爆破模擬試驗的有機結合。

本發明是基于地質力學模型試驗技術的爆破模擬試驗新方法，公開了一種大型真三維爆破模擬試驗系統及其試驗方法，包括1套真三維液壓加載裝置和反力架，1個大型爆破模擬試驗箱體，1套數據監測系統和實驗室微藥量控制爆破技術。

本發明在進行爆破模擬試驗之前，首先根據礦區實際煤巖層的巖性分布和地質構造情況，在實驗室建立地質構造帶煤巖體試驗模型。

進一步，根據相似模擬試驗理論，確定試驗煤巖介質體與地質構造帶煤巖體的相似性，確定地質構造帶煤巖體的相似材料配比方案和制備工藝。

進一步，根據試驗礦區的地質柱狀圖和巖石力學參數測試的結果結合所建立的構造帶地質煤巖體的試驗模型，按照地質力學模型試驗方法和相似材料配比方案在試驗箱體中鋪設試驗模型。采用粒徑小于1.5mm的河砂作為骨料，石灰、石膏為膠結料作為相似材料模擬煤層頂底板巖層，煤層采用突出煤層中的原煤，構造帶煤層使用突出煤樣通過材料配比確定，節理與地質構造帶分界面均采用云母制取。

進一步，模型鋪設過程中，在試驗箱體的預定位置布置應力、爆破振動采集數據傳感器和金屬探針，安裝數據監測系統。

進一步，模型制作好之后，按照設計要求組裝三維液壓加載系統。保持固定載荷進行應力加載。垂直地應力值按式σ＝γh計算，垂直地質構造帶方向的地應力按1.5γh計算，水平構造應力按1.75倍模型材料抗壓強度施加。

進一步，在地質構造帶煤巖體物理模型鋪設完成和施加三向應力載荷之后，在預先設定的位置通過電鉆按照設計的炮孔深度打炮眼，按照Froude比例法，在炮眼內裝填黑索金炸藥或者導爆索和雷管，采用黃泥封孔。通過發爆器引爆雷管便可進行爆破擾動地質構造帶煤巖體的相似模擬試驗。

綜上所述，本發明的有益效果：試驗裝置實現了真三維液壓加載，融煤體、巖體和復雜地質構造為一體，可以實現不同節理、結構面和軟弱夾層以及斷層、褶曲等復雜的地質構造帶在不同應力賦存狀態下的爆破模擬試驗，探索復雜地質構造帶爆破擾動條件下煤巖動力失穩機理，為研究地質構造帶安全高效爆破理論提供了一條新的思路和試驗方法。

附圖說明：

圖1為本發明的爆破模擬試驗裝置系統機構示意圖。

圖2為本發明的爆破模擬試驗箱體前視圖及具體尺寸。

圖3為本發明的爆破模擬試驗箱體側視圖及具體尺寸。

圖4為本發明的爆破模擬試驗箱體俯視圖及具體尺寸。

圖5為本發明的爆破模擬試驗箱體活塞桿和壓力板及具體尺寸。

圖6為本發明的爆破模擬試驗裝置反力架和液壓千斤頂及具體尺寸。

圖7為本發明的微藥量控制爆破技術裝藥模式。

圖8為本發明的基于地質力學模型試驗的爆破模擬試驗實例。

其中：1-反力架；2-液壓千斤頂；3-大型三維爆破模擬試驗裝置箱體；4-地質構造帶煤巖體；5-微藥量控制爆破藥柱；6-數據監測傳感器接線口；7-圓柱形加壓活塞桿；8-活塞底座；9-活塞壓力加壓板；10-微藥量控制爆破技術雷管導線出口及爆破孔；11-螺栓；12-反力架上橫梁；13-反力架中橫梁；14-反力架加強筋；15-反力架底橫梁；16-液壓千斤頂法蘭盤；17-黑索金炸藥或導爆索；18-雷管；19-黃泥；20-雷管引線；21-應變磚；22-應力測線；23-金屬探針；24-掘進巷道。

具體實施方式：

下面結合附圖與爆破擾動構造帶地質弱面煤巖相似模擬試驗例對本發明進行詳細說明。

實施例：如圖1-圖8所示，該大型三維爆破模擬試驗裝置，主要包括液壓加載系統(1)和(2)，試驗箱體(3)；所述數據監測傳感器接線口(6)布置在試驗箱體(3)的右下側；所述微藥量控制爆破技術，向爆破孔內裝填黑索金炸藥或者導爆索(17)并連接雷管(18)，采用黃泥封孔，通過發爆器引爆雷管進行爆破模擬試驗。

本實施例，通過分析構造運動對地質弱面煤體發育的控制作用，選取煤層結構破壞的構造帶區域為爆破擾動地質弱面煤巖體的試驗模型，建立的構造帶地質煤體試驗模型(4)。以不同粒度的煤粉為骨料，腐植酸鈉水溶液為膠結劑制備型煤試件，根據正交試驗方法對試件進行吸附解吸和力學參數測試，考察試件與地質弱面煤體的相似性，確定構造帶地質弱面煤體的相似材料配比方案和制備工藝。

本實施例，按照地質力學模型試驗方法和相似材料配比方案在試驗箱體(3)中鋪設試驗模型。模型鋪設過程中，按照設計位置預留爆破孔并在試驗箱體的開挖巷道上方布置4條應力測線(22)，測點所埋設的應變磚(21)尺寸為20mm×20mm×20mm，采用SDY2107A超動態應變數據采集系統實時采集爆破過程應變數據，并反演該點應力值；在炸藥上方等間距布置7條直徑0.14mm的漆包銅線(23)作為傳感器材料，用BSW-3A型智能爆速儀對裂紋擴展速度進行測試，用DasView2.0軟件進行分析。

本實施例，模型制作好之后，保持固定載荷進行應力加載。垂直地應力值按式σ＝γh計算，模型和原型相似比為1:40，煤層埋深設為900m，垂直逆斷層方向的地應力按1.5γh計算，水平應力按1.75倍模型材料抗壓強度施加。

本實施例，利用液壓加載系統施加應力預加載半個月，保持其他條件不變，裝填炸藥、雷管和導爆索，使用黃泥封孔，通過發爆器引爆雷管便可進行爆破擾動構造帶地質弱面煤巖體的相似模擬試驗。