深井煤炭資源的開采正日益成為行業(yè)的重點(diǎn)需求,然而高地應(yīng)力、高瓦斯壓力、高地溫等深部環(huán)境下的煤巖瓦斯動(dòng)力災(zāi)害的耦合伴生更加復(fù)雜,對(duì)這一科學(xué)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(yīng)力、高瓦斯壓力、高地溫3個(gè)核心影響因素,理論分析了超千米深井環(huán)境對(duì)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(biāo)要求,提出了適用的臨界指標(biāo)。研究設(shè)計(jì)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(dòng)力災(zāi)害模擬實(shí)驗(yàn)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(yīng)用該系統(tǒng)對(duì)淮南丁集煤礦4·19動(dòng)力災(zāi)害事故的發(fā)生進(jìn)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(yīng)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(gè)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(jìn)一步發(fā)展,應(yīng)力主導(dǎo)下的突出持續(xù)時(shí)間較短,拋出煤量較少;實(shí)驗(yàn)共拋出煤樣15.... 

【文章來(lái)源】：煤炭學(xué)報(bào). 2020,45(01)北大核心EICSCD

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實(shí)驗(yàn)機(jī)-煤樣系統(tǒng)力學(xué)模型

為符合實(shí)驗(yàn)加載能力需求,通過調(diào)研分析設(shè)計(jì)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(gòu)成一個(gè)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(hào)鋼。該加載系統(tǒng)可進(jìn)行垂直3 000 t加載以及水平對(duì)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(shí)現(xiàn)頂板彈性能的可控模擬。采用多組小流量高壓泵可實(shí)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(shí)驗(yàn)強(qiáng)度和剛度要求,采用有限元分析軟件ANSYS對(duì)反力架結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析。由于實(shí)驗(yàn)?zāi)康牟煌?在實(shí)驗(yàn)過程中可能需要對(duì)試件施加不同條件的荷載。在計(jì)算分析時(shí)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(jì)算忽略了對(duì)分析沒有影響的結(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn)強(qiáng)度和剛度要求,采用有限元分析軟件ANSYS對(duì)反力架結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析。由于實(shí)驗(yàn)?zāi)康牟煌?在實(shí)驗(yàn)過程中可能需要對(duì)試件施加不同條件的荷載。在計(jì)算分析時(shí)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(jì)算忽略了對(duì)分析沒有影響的結(jié)構(gòu)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(yù)緊力,其余拉桿施加320 t預(yù)緊力。加載3 000 t時(shí)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�(jì)算得到實(shí)驗(yàn)機(jī)縱向剛度為18.9 GN/m,橫向剛度為41.7 GN/m,基本滿足設(shè)計(jì)需求。

【參考文獻(xiàn)】：
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