巷道沖擊地壓模擬試驗(yàn)及其過程動(dòng)態(tài)演示*

梁娟 劉金海 朱權(quán)潔 高林生 孫世波

(1.防災(zāi)科技學(xué)院 河北三河 065201； 2.華北科技學(xué)院 河北三河 065201；3.淮南師范學(xué)院 安徽淮南 232038)

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巷道沖擊地壓模擬試驗(yàn)及其過程動(dòng)態(tài)演示*

梁娟1劉金海2朱權(quán)潔2高林生2孫世波3

(1.防災(zāi)科技學(xué)院 河北三河 065201； 2.華北科技學(xué)院 河北三河 065201；3.淮南師范學(xué)院 安徽淮南 232038)

以巷道沖擊地壓災(zāi)害為典型案例，通過對(duì)巷道類沖擊地壓事故機(jī)理的分析，設(shè)計(jì)了一項(xiàng)巷道沖擊地壓試驗(yàn)裝置，通過視頻剪輯和動(dòng)畫制作技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)沖擊地壓試驗(yàn)的全程記錄，并利用分頻、字幕說明等形式對(duì)沖擊地壓試驗(yàn)動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行了演示和說明。結(jié)果表明，該試驗(yàn)裝置結(jié)合了巷道沖擊地壓發(fā)生原理，以動(dòng)畫方式演示，具有直觀、簡(jiǎn)潔、易于理解的特點(diǎn)，為揭示沖擊地壓過程及其發(fā)生機(jī)制提供了一種新方法。

沖擊地壓 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn) 動(dòng)畫制作 動(dòng)態(tài)演示 巷道沖擊

0 引言

沖擊地壓是煤礦開采中典型的動(dòng)力災(zāi)害之一，通常是在煤、巖力學(xué)系統(tǒng)達(dá)到極限強(qiáng)度時(shí)，以突然、急劇、猛烈的形式釋放的彈性能，導(dǎo)致煤巖層瞬時(shí)破壞并伴隨有煤粉和巖石的沖擊，造成井巷的破壞及人身傷亡事故[1]。該災(zāi)害具有突發(fā)、瞬時(shí)和破壞巨大等特點(diǎn)，事故發(fā)生時(shí)急劇且短暫，沒有明顯的前兆信息，同時(shí)會(huì)有大量煤塊被拋出、堵塞巷道，且有巨大聲響和氣浪，造成設(shè)備損壞、人員傷亡以及巨大的經(jīng)濟(jì)損失。由此可見該災(zāi)害的復(fù)雜性，同時(shí)也亟待人們?nèi)ソ鉀Q。國(guó)內(nèi)專家學(xué)者為此研發(fā)了許多試驗(yàn)設(shè)備，并開展了眾多相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和機(jī)理研究。何滿潮等[2]通過深部花崗巖試樣巖爆過程實(shí)驗(yàn)研究，研究了花崗巖發(fā)生巖爆的階段劃分，并對(duì)巖爆的發(fā)生機(jī)制進(jìn)行探討；姜耀東等[3]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)沖擊案例，通過實(shí)驗(yàn)室細(xì)觀試驗(yàn)研究了煤巖體斷裂過程及失穩(wěn)機(jī)制。這些實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)探索了沖擊地壓的發(fā)生過程，對(duì)其發(fā)生機(jī)制及影響因素進(jìn)行了挖掘。

但是，沖擊地壓發(fā)生過程短暫、破壞性大，其發(fā)生過程很難被觀察到，常規(guī)圖片、文字也難以完全描述其特征，且現(xiàn)有試驗(yàn)設(shè)備緊缺，在安全教學(xué)、培訓(xùn)方面開展沖擊地壓試驗(yàn)產(chǎn)生的費(fèi)用較高。工程仿真模擬技術(shù)建模周期短、見效快，從經(jīng)濟(jì)角度考慮也具有相當(dāng)高的性價(jià)比，在國(guó)內(nèi)外有著廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)，尤其是在工程領(lǐng)域和基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，貫穿在初期構(gòu)思、設(shè)計(jì)、中期研究以及后期訓(xùn)練、演示等方面。如燕碧娟等[4]將仿真教學(xué)應(yīng)用于礦山機(jī)械課程體系之中；劉溪鴿等[5]將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和數(shù)值模擬應(yīng)用于采礦領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了礦山生產(chǎn)的三維可視化，并提供圍巖安全性信息等服務(wù)；梁強(qiáng)等[6]對(duì)爆炸現(xiàn)象和基本原理進(jìn)行了研究和分析，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)建模和逼真模擬，實(shí)現(xiàn)了對(duì)爆炸效果的仿真；梁娟等[7]利用Blender等軟件開發(fā)了簡(jiǎn)易版本的礦山三維實(shí)體模型和虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)，初步實(shí)現(xiàn)了礦山虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境和仿真系統(tǒng)。

基于上述考慮，本文提出一種巷道沖擊地壓模擬試驗(yàn)裝置及其動(dòng)態(tài)演示方法，結(jié)合沖擊地壓試驗(yàn)裝置和動(dòng)畫制作、視頻編輯技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了沖擊地壓實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、理論分析及動(dòng)畫演示，為高校教學(xué)、企業(yè)安全培訓(xùn)提供了一種新思路。

1 巷道沖擊地壓模擬裝置簡(jiǎn)介

隨著煤礦開采深度的增加，礦井深部開采面臨諸多問題，如原巖應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力等的增加與變化，極易形成高應(yīng)力區(qū)，而高應(yīng)力差的存在是誘導(dǎo)沖擊地壓的重要原因之一。以此為基礎(chǔ)，對(duì)巷道沖擊地壓的力學(xué)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，以垂直應(yīng)力加載為主，將煤體劃分為彈性區(qū)和塑性區(qū)兩部分，通過埋入煤體內(nèi)部的螺栓充當(dāng)彈性體為煤體蓄能。經(jīng)調(diào)研，沖擊地壓多發(fā)生于巷道內(nèi)。模擬巷道沖擊地壓發(fā)生過程是研究沖擊地壓發(fā)生機(jī)理及防治技術(shù)的基礎(chǔ)?；诖耍O(shè)計(jì)了一項(xiàng)用于模擬巷道沖擊地壓的裝置(如圖1所示)，用于建立“試驗(yàn)+理論分析+多媒體演示”的多元教學(xué)模式。

巷道沖擊地壓模擬裝置由加載系統(tǒng)、沖擊平臺(tái)和監(jiān)測(cè)裝置等3部分組成，如圖2所示。加載系統(tǒng)由手動(dòng)油泵和液壓油缸組成。通過搖動(dòng)油泵向液壓油缸內(nèi)注油，從而使液壓油缸延伸，達(dá)到向沖擊平臺(tái)施加垂直載荷的目的。

(a)正視圖

(b)俯視圖

(1)沖擊平臺(tái)主要由模擬巖層、沖擊體和蓄能結(jié)構(gòu)組成，如圖2(a)所示。利用液壓油缸向沖擊平臺(tái)施加垂直載荷，垂直載荷通過頂承壓板、模擬頂板巖層傳遞給沖擊體和模擬煤層。通過旋轉(zhuǎn)加長(zhǎng)螺栓，壓縮蓄能彈簧。隨著液壓油缸的延伸，沖擊體和模擬煤層中的垂直應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)沖擊體內(nèi)的垂直應(yīng)力超過其強(qiáng)度極限時(shí)，沖擊體發(fā)生破壞，進(jìn)而在蓄能彈簧的作用下向巷道內(nèi)沖擊。沖擊平臺(tái)中的側(cè)幫板、底座、頂梁均為Q235型槽鋼；模擬煤層為條狀或塊狀橡膠；模擬頂板巖層、底板巖層為木塊；沖擊體是由石膏等做成的脆性體。

(a)沖擊平臺(tái)實(shí)物圖

(b)加載裝置實(shí)物圖

(2)監(jiān)測(cè)裝置由液壓傳感器、油壓泵、四通閥和數(shù)顯壓力表組成。液壓傳感器、四通閥、數(shù)顯壓力表串聯(lián)，油壓泵與四通閥側(cè)面油嘴連接。液壓傳感器通過鉆孔放置在模擬煤層中。通過油壓泵向液壓傳感器注油，給液壓傳感器初始?jí)毫?，然后旋緊四通閥螺栓，去掉油泵。隨著液壓油缸的延伸，沖擊體和模擬煤層中垂直應(yīng)力不斷增大，并通過液壓傳感器傳輸給數(shù)顯壓力表。從而由數(shù)顯壓力表可實(shí)時(shí)觀測(cè)到?jīng)_擊體和模擬煤層中垂直應(yīng)力的變化。

2 巷道沖擊地壓試驗(yàn)過程分析

巷道沖擊地壓試驗(yàn)過程如圖3所示，簡(jiǎn)述如下：(1)將側(cè)幫板通過螺栓固定在底座和頂梁上，有機(jī)玻璃板通過螺栓鉸接固定在側(cè)幫板上，從而組成模擬架。(2)在底座上側(cè)、側(cè)幫板內(nèi)側(cè)由下往上依次鋪設(shè)模擬底板巖層、模擬煤層、模擬頂板巖層；在模擬煤層鋪設(shè)過程中預(yù)留出巷道空間，在巷道兩側(cè)或一側(cè)安裝沖擊體。(3)在模擬頂板巖層上部安裝頂承壓板，并把液壓油缸放置在頂承壓板上。(4)將蓄能彈簧放入鉆孔內(nèi)，并通過旋進(jìn)加長(zhǎng)螺栓將蓄能彈簧頂入孔底。(5)將液壓傳感器放置在位于模擬煤層部位的監(jiān)測(cè)鉆孔內(nèi)，并將液壓傳感器與四通閥、數(shù)顯壓力表連接。(6)將油壓泵與四通閥側(cè)面油嘴連接，并通過搖動(dòng)油壓泵給液壓傳感器初始讀數(shù)，然后擰緊四通閥上的螺栓，撤掉油壓泵。(7)通過擰緊加長(zhǎng)螺栓壓縮蓄能彈簧，造成沖擊體與模擬煤層中的能量積聚。(8)通過搖動(dòng)液壓油泵使液壓油缸延伸，進(jìn)而壓縮模擬煤層和沖擊體，此時(shí)數(shù)顯壓力表讀數(shù)不斷增加，當(dāng)沖擊體和模擬煤層中的垂直應(yīng)力超過沖擊體的強(qiáng)度極限時(shí)，沖擊體破壞，并在蓄能彈簧作用下向巷道內(nèi)沖擊。

圖3 試驗(yàn)準(zhǔn)備階段及試驗(yàn)階段

通過上述步驟，可觀測(cè)到巷道沖擊地壓發(fā)生過程和模擬煤層中垂直應(yīng)力變化過程。

3 沖擊地壓試驗(yàn)過程的制作與動(dòng)態(tài)演示

沖擊地壓的發(fā)生過程是眾多采礦專業(yè)人士感興趣的問題，但由于其發(fā)生過程復(fù)雜、誘因眾多，通過課本知識(shí)或是現(xiàn)場(chǎng)表象很難了解其真實(shí)發(fā)生過程，為此，開展了巷道沖擊地壓試驗(yàn)過程的動(dòng)態(tài)演示研究。基于上述巷道沖擊地壓模擬裝置的研制，對(duì)沖擊地壓的發(fā)生過程進(jìn)行了實(shí)時(shí)錄像，并根據(jù)需求對(duì)試驗(yàn)過程進(jìn)行了剪輯和處理，從試驗(yàn)表象、內(nèi)在誘因等方面進(jìn)行直觀的展示，實(shí)現(xiàn)了沖擊地壓發(fā)生過程的動(dòng)態(tài)演示。該過程的直觀、生動(dòng)演示使礦山現(xiàn)場(chǎng)人員、在校學(xué)生等專業(yè)人員更容易理解和分析沖擊地壓的發(fā)生過程。

3.1 試驗(yàn)過程的內(nèi)容和分屏演示

為了完整展示整個(gè)“巷道沖擊地壓模擬試驗(yàn)”，對(duì)試驗(yàn)背景、試驗(yàn)裝置及工作原理、試驗(yàn)過程分別進(jìn)行了介紹，并對(duì)沖擊試驗(yàn)的過程進(jìn)行了分屏動(dòng)態(tài)演示。整個(gè)動(dòng)態(tài)演示過程可以分為“系統(tǒng)開發(fā)背景”、“試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)”、“試驗(yàn)裝置制作”和“工作過程”4部分，其中試驗(yàn)裝置制作分別對(duì)加載系統(tǒng)、沖擊平臺(tái)和監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行了展示和介紹。

分屏顯示示意如圖4所示，通過屏幕可以看到煤體上部加載、手動(dòng)加載以及媒體內(nèi)部應(yīng)力變化情況。

3.2 沖擊地壓試驗(yàn)的動(dòng)態(tài)演示

一般情況下，巖石的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以分為下列5個(gè)階段(見圖5)：第Ⅰ階段：屬于壓密階段，由細(xì)微裂隙受壓閉合造成；第Ⅱ階段：屬于彈性階段，應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系曲線為直線；第Ⅲ階段：屬于彈性與塑性過渡階段，有部分細(xì)微裂隙產(chǎn)生；第Ⅳ階段：屬于塑性性狀階段，開始強(qiáng)烈地形成新的細(xì)微裂隙；第Ⅴ階段：屬于破壞階段，裂隙逐漸貫通最后導(dǎo)致破裂性滑移。通過對(duì)比該過程的應(yīng)力應(yīng)變曲線與聲發(fā)射活動(dòng)，可以看出，當(dāng)應(yīng)力大小進(jìn)入第Ⅰ階段時(shí)，巖體被進(jìn)一步壓實(shí)，巖體內(nèi)部出現(xiàn)細(xì)微破裂，集中于試件底部，這與試件內(nèi)部裂隙分布和底部平整度等有關(guān)；當(dāng)進(jìn)入第Ⅱ階段或第Ⅲ階段時(shí)，巖體發(fā)生彈性應(yīng)變，即產(chǎn)生彈性波(微地震波)，此階段隨著外部載荷的持續(xù)加載，試件內(nèi)部出現(xiàn)大量微破裂，并呈現(xiàn)出破裂面；當(dāng)進(jìn)入第Ⅳ階段或第Ⅴ階段時(shí)，巖體發(fā)生塑性應(yīng)變或徹底破裂，微震事件劇減。

圖5 煤巖體加載破壞的應(yīng)力應(yīng)變曲線

根據(jù)煤巖體破壞過程的應(yīng)力狀態(tài)，將其劃分為煤體壓密、煤體承壓、裂隙產(chǎn)生與擴(kuò)展、沖擊發(fā)生等階段，與這些階段對(duì)應(yīng)著相應(yīng)的外部變化特征，如圖6中所示為試驗(yàn)各階段的動(dòng)畫截圖。

試驗(yàn)裝置組裝完成后，應(yīng)力監(jiān)測(cè)裝置顯示為0 MPa，如圖6(a)，煤體上方外部垂直載荷為0 MPa(設(shè)定的初始載荷)，此時(shí)煤體完好。當(dāng)外部油泵加壓時(shí)，上部千斤頂向煤體施壓，應(yīng)力值緩慢增加至5 MPa，如圖6(b)～(c)，這與煤體本身性質(zhì)有關(guān)。加載前期煤體孔隙被填補(bǔ)密實(shí)，煤體的“反向抵抗”較弱，因此，在試驗(yàn)進(jìn)行到第2，3階段(3～5 min)時(shí)，手動(dòng)加載較輕盈，煤體內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)較低。

當(dāng)加載進(jìn)行到第4階段(7 min)時(shí)，模型中左側(cè)巷道出現(xiàn)裂紋(片幫跡象)，裂紋由與頂板相接區(qū)域向下部底板延伸，并隨著加載的繼續(xù)而逐步擴(kuò)展，此時(shí)加載載荷已經(jīng)達(dá)到10 MPa的高值。

在第5階段(8 min)時(shí)，煤巖體內(nèi)應(yīng)力增加到極限(外部載荷10 MPa)，在巷道臨空面由于沒有軸向作用力，能量向此方面瞬間釋放，煤巖體破壞并被拋出，視頻中還伴隨有如悶雷破壞聲。如圖6(e)中所示，左側(cè)巷幫已完全破壞，煤體片幫嚴(yán)重，沖擊出的煤渣分布巷道內(nèi)。

由于人為加載、加載速度及載荷大小等因素直接影響了沖擊地壓的發(fā)生，不同產(chǎn)生的沖擊形態(tài)不盡相同，但從產(chǎn)生機(jī)制和現(xiàn)象角度而言，試驗(yàn)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)巷道沖擊地壓孕育、發(fā)生的直觀反映，可用于高校教學(xué)、企業(yè)安全培訓(xùn)等。

(a)初始階段 (b)第2階段 (c)第3階段

(d)第4階段 (e)第5階段 (f)終止階段

圖6 巷道沖擊地壓發(fā)生過程全記錄

4 結(jié)語

以巷道沖擊地壓災(zāi)害為典型案例，通過對(duì)巷道類沖擊地壓事故機(jī)理的分析，設(shè)計(jì)了一項(xiàng)巷道沖擊地壓試驗(yàn)裝置，通過視頻剪輯和動(dòng)畫制作技術(shù)，對(duì)沖擊地壓試驗(yàn)進(jìn)行全程記錄，并利用分頻、字幕說明等形式對(duì)沖擊地壓試驗(yàn)動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行了演示和說明，基本實(shí)現(xiàn)了“利用模擬仿真方式揭示沖擊地壓發(fā)生過程及其發(fā)生機(jī)制”的目標(biāo)。

[1]劉曄，姜福興，馮宇. 巷道誘發(fā)型沖擊地壓的發(fā)生機(jī)制及危險(xiǎn)性分析[J].巖土力學(xué)，2015，36(S2)：201-207.

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Roadway Rockburst Simulator and Its Process Dynamic Demonstration

LIANG Juan1LIU Jinhai2ZHU Quanjie2GAO Linsheng2SUN Shibo3

(1.InstituteofDisasterPreventionSanhe，Hebei065201)

Taking tunnel burst disaster as a typical case, a test device is designed through the analysis of the mechanism of roadway coal and rock bursts accidents. The full process of rockburst test dynamic evolution has been recorded by using the video editing and animation production technology, demonstrated and explained using the divider, captions and other forms. Results show the design combination of the principle of roadway rock burst and it has the characteristics of intuitive, simple, dynamic demonstration, easy to be understood, which can provide a new way for describing the rock burst process and its happening mechanisms.

rockburst laboratory tests animation production dynamic demo roadway impact

國(guó)家自然科學(xué)基金 (51504096)，中國(guó)博士后科學(xué)基金 (2016T90037)，河北省自然科學(xué)基金 (E2015508050)，河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(QN2014329)，廊坊市軟科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2016023085)。

梁娟，女，1986年生，助教，碩士研究生，2014年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)設(shè)計(jì)藝術(shù)學(xué)專業(yè)，主要從事動(dòng)畫設(shè)計(jì)、視頻制作等方面的工作。

劉金海，男，1982年生，副教授，博士，2013年畢業(yè)于北京科技大學(xué)采礦工程專業(yè)，主要從事煤巖動(dòng)力災(zāi)害的監(jiān)測(cè)與防治等方面的研究。

2016-01-25)