一种穿煤隧道掘进诱发煤与瓦斯突出的试验装置及方法

技术领域

本发明属于隧道施工技术领域，尤其涉及一种穿煤隧道掘进诱发煤与瓦斯突出的试验装置及方法。

背景技术

我国正在进一步推进国家基础设施，特别是公路建设更是在迅速发展，公路总里程不断增加，同时公路隧道数量也在不断增长。这主要是因为我国的许多地区地势多为山地，地质条件相对复杂，因此建设隧道是解决这些问题的重要选择之一。然而，在隧道建设过程中可能会面临多种复杂的地质条件，有时不得不穿越煤系地层。煤系地层作为一种特殊的岩土体，具有岩质较弱、结构易破碎、遇水易软化以及工程力学性能较差的特点，同时富含瓦斯气体，对隧道施工安全构成了巨大威胁。此外，历经开采的煤系地层通常存在采空区或含水层，这也是隧道施工安全的重要隐患。正因为煤系地层具备上述特点，导致穿越煤系地层的隧道施工难度较大。因此，该问题已经成为隧道施工领域的重要研究方向。

而在穿越煤系地层的隧道施工过程中，为了防止煤和瓦斯的突出以及相关的瓦斯灾害发生，必须寻求一种有效的防突措施。常见的做法是在煤层与开挖面之间预留一定厚度的稳定岩柱，使隧道停止掘进，等待对具有突出危险性的煤层进行防突措施施工后再进行预留岩柱的开挖，同时对瓦斯隧道进行通风，以防止瓦斯事故的发生，确保施工的安全性。因此通过分析隧道在揭煤前应预留岩柱的厚度、突出前兆特征以及临界瓦斯压力等进行探讨，对于隧道安全施工，预防煤与瓦斯突出具有一定的理论与工程实际意义。

国内已公开的专利及文献对于穿煤隧道施工做了一定研究。申请号为CN201910646185.6的中国发明专利公开了一种复杂构造条件下连续多次穿煤隧道揭煤防突作业流程。该发明以“四位一体”区域综合防突和局部综合防突措施为依托，在提前实施多方位的瓦斯突出安全保障体系情况下，一次性穿透所有煤层实施综合超前地质预报、区域预测、抽放和验证的综合防突措施、局部综合防突措施，有效确保复杂构造条件下连续多次穿煤隧道揭煤安全。然而开展现场研究周期长、工作量大，且一旦发生不可控的煤与瓦斯突出或突水灾害，对工人和设备的危险性极高，如果能在室内开展相关物理试验研究，则能大大缩短研究周期、有效降低工作量、确保研究的安全。申请号为CN201320325402.X的中国实用新型专利公开了一种隧道掘进机模拟实验装置，该实用新型主要是模拟隧道掘进机TBM在隧道掘进的施工工艺和施工流程，借此来研究TBM施工后围岩的卸载过程、损伤特征，对围岩稳定性控制进行研究。然而注浆过程会有管道堵塞的问题，该施工流程针对穿煤隧道施工中煤与瓦斯突出危险并未进行研究，且对煤岩层赋存状态并未进行模拟。

发明内容

本发明的目的是提供一种穿煤隧道掘进诱发煤与瓦斯突出的试验装置及方法，以解决上述问题，达到对穿煤隧道掘进诱发煤与瓦斯突出情况进行准确模拟的目的。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种穿煤隧道掘进诱发煤与瓦斯突出的试验装置，包括：

试验箱，所述试验箱内填充有试验样品，所述试验样品中设置有岩层、煤层和含水层；

模拟开挖组件，所述模拟开挖组件包括钻进件，所述钻进件用于向试验样品中钻进；

加载组件，所述加载组件设置在所述试验箱内，所述加载组件用于对试验样品进行三维加压加载，以模拟施工现场的地质条件；

混料泵送件，所述混料泵送件用于泵送喷浆用的混合料；

水泵送件，所述水泵送件用于在开挖过程中泵送冷却水；

第一喷射件，所述第一喷射件设置在所述模拟开挖组件上，所述第一喷射件与所述混料泵送件、水泵送件连通，用于向采空区侧壁上喷洒水或混合料；

监测组件，所述监测组件设置在所述模拟开挖组件、试验箱上。

优选的，所述第一喷射件包括第一注浆喷头和第二注浆喷头，所述混料泵送件和所述水泵送件分别与所述第一注浆喷头、第二注浆喷头连通。

优选的，还包括第二喷射件，所述第二喷射件包括注水喷头，所述水泵送件与所述注水喷头连通，所述注水喷头用于对所述模拟开挖组件进行降温。

优选的，所述混料泵送件包括混合料储罐和封料泵机，所述混合料储罐和所述封料泵机的进料口之间通过第一输送混合料管路连通，所述第一输送混合料管路上连通有第一阀门，所述封料泵机的出料口与所述第一注浆喷头、第二注浆喷头之间通过第二输送混合料管路连通。

优选的，所述水泵送件包括第一水储罐和第一输水泵机，所述第一水储罐和所述第一输水泵机的进料口之间通过第一输水管路连通，所述第一输水管路上连通有第二阀门，所述第一输水泵机的出料口通过第二输水管路分别连通有第三输水管路和第四输水管路的一端，所述第三输水管路的另一端与所述第一注浆喷头、第二注浆喷头连通，所述第四输水管路的另一端与所述注水喷头连通，所述第三输水管路上连通有第三阀门，所述第四输水管路上连通有第四阀门。

优选的，还包括注水组件，所述注水组件包括第二输水泵机和第二水储罐，所述第二水储罐和所述第二输水泵机的进水口之间通过第三输水管路连通，所述第三输水管路上连通有第七阀门，所述第二输水泵机的出水口与所述试验箱之间用过第四输水管路连通，所述含水层与所述第四输水管路对应设置。

优选的，还包括瓦斯供给组件，所述瓦斯供给组件包括气瓶、真空泵和接口，所述接口与所述试验箱连通且与所述煤层对应设置，所述接口上连通有第六阀门，所述真空泵与所述接口之间通过第二充气管路连通，所述气瓶通过第一充气管路与所述接口连通，所述气瓶上连通有第五阀门。

优选的，所述试验箱的侧壁上固定连接有废料回收箱，所述废料回收箱用于收集试验过程中产生的固、气、液废料。

一种穿煤隧道掘进诱发煤与瓦斯突出的试验方法，包括如下步骤：

S1、收集现场岩块和煤块，制作试验样品放入到试验箱中；

S2、启动加载组件对岩石样品和煤块样品进行三维加载；

S3、设置模拟开挖组件的参数，对试验样品进行钻进，并通过监测组件进行各项数据监测；

S4、钻进过程中如果发生煤与瓦斯突出，立即停止试验，观测煤与瓦斯突出是否进一步诱发突水灾害，并测定安全岩柱预留厚度和临界突出前兆信号，若未发生突出，则通过第一喷射组件对采空区进行喷浆处理，之后继续掘进；

S5、重复步骤S4，直至诱发煤与瓦斯的突出或突水，立即停止钻进，测定安全岩柱预留厚度和临界突出前兆信号；

S6、重复上述步骤，以0.MPa梯度逐级降低煤块样品中的瓦斯压力，模拟实施瓦斯抽采措施后的钻进过程，启动钻进件，直至钻进煤块样品时不发生突出，得出突出临界瓦斯压力；

S7、对试验过程中的数据进行处理；

S8、拆除装置并进行维护保养。

优选的，若钻进件钻进至煤块样品中时仍未发生煤与瓦斯突出，则停止钻进，改变试验参数进行下一次试验，直至诱发煤与瓦斯突出。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

1.本发明同时考虑了煤与瓦斯突出可能进一步诱发的突水二次灾害，本发明试验装置的各种参数可根据试验需求进行调整，进而可测定多种不同参数试验条件下的安全岩柱预留厚度。

2.注浆组件可对采空区进行快速喷浆加固处理，模拟隧道掘进施工过程中对采空区的支护处理，从而避免钻机掘进过程中岩石样品的位移变形对试验过程中的影响。

3.刀盘上设置监测组件可实时监测掘进过程中岩石样品中的参数变化，并可以得出试验过程中的瓦斯涌出特征突出预警指标及临界值，进而为实际穿煤隧道掘进施工过程中预测煤与瓦斯突出危险性提供指导。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明含倾斜煤层和含水层的穿煤隧道掘进试验示意图；

图2为本发明含断层地质构造的穿煤隧道掘进试验准备示意图；

图3为本发明含断层地质构造的穿煤隧道掘进试验过程示意图；

图4为本发明钻头处放大示意图；

其中，1、钻机；2、钻杆；3、刀盘；4、刀具；5、岩层；6、试验箱；7、煤层；8、含水层；9、废料回收箱；10、密封口；11、液压泵站；12a、第一液压控制管路；12b、第二液压控制管路；13a、第一加载板；13b、第二加载板；14、混合料储罐；15、第一水储罐；16、封料泵机；17、第一输水泵机；18a、第一阀门；18b、第二阀门；19a、第三阀门；19b、第四阀门；20a、第一输送混合料管路；20b、第二输送混合料管路；21a、第一输水管路；21b、第二输水管路；21c、第三输水管路；21d、第四输水管路；22a、第一注浆喷头；22b、第二注浆喷头；23、注水喷头；24、气瓶；25、真空泵；26a、第一充气管路；26b、第二充气管路；27a、第五阀门；27b、第六阀门；28、第二输水泵机；29、第二水储罐；30、第七阀门；31a、第三输水管路；31b、第四输水管路；32、气密性检测仪；33、第一压力传感器；34、第二压力传感器；35、集成式传感器；36、数据处理中心。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1-图4，本发明提供了一种穿煤隧道掘进诱发煤与瓦斯突出的试验装置，包括：

试验箱6，试验箱6内填充有试验样品，试验样品中设置有岩层5、煤层7和含水层8；

模拟开挖组件，模拟开挖组件包括钻进件，钻进件用于向试验样品中钻进；

加载组件，加载组件设置在试验箱6内，加载组件用于对试验样品进行三维加压加载，以模拟施工现场的地质条件；

混料泵送件，混料泵送件用于泵送喷浆用的混合料；

水泵送件，水泵送件用于在开挖过程中泵送冷却水；

第一喷射件，第一喷射件设置在模拟开挖组件上，第一喷射件与混料泵送件、水泵送件连通，用于向采空区侧壁上喷洒水或混合料；

监测组件，监测组件设置在模拟开挖组件、试验箱6上。

模拟开挖组件的主要作用是向试验箱6内的试验样品中进行钻进，模拟隧道开挖；第一喷射件的主要作用是在钻进一段距离后对采空区进行喷浆加固；监测组件的主要作用是对试验过程中的各项数据进行检测和记录。整体上，本发明除可以模拟煤与瓦斯突出的情况外，还可以模拟突水的情况，同时记录不同试验条件下掘进过程中的各项数据，分析不同工况条件下各项参数的演化规律，对于穿煤隧道诱发煤与瓦斯突出的监测预警具有一定的指导意义。

进一步优化方案，试验箱6的侧壁上开设有密封口10，刀具4通过密封口10向试验箱6中的试验样品进行钻进。

进一步优化方案，第一喷射件包括第一注浆喷头22a和第二注浆喷头22b，混料泵送件和水泵送件分别与第一注浆喷头22a、第二注浆喷头22b连通。

进一步优化方案，还包括第二喷射件，第二喷射件包括注水喷头23，水泵送件与注水喷头23连通，注水喷头23用于对模拟开挖组件进行降温。

进一步优化方案，混料泵送件包括混合料储罐14和封料泵机16，混合料储罐14和封料泵机16的进料口之间通过第一输送混合料管路20a连通，第一输送混合料管路20a上连通有第一阀门18a，封料泵机16的出料口与第一注浆喷头22a、第二注浆喷头22b之间通过第二输送混合料管路20b连通。

如图4所示，由于第一注浆喷头22a和第二注浆喷头22b之间相互连通，第二输送混合料管路20b远离封料泵机16的一端可同时与第一注浆喷头22a、第二注浆喷头22b连通。

进一步优化方案，水泵送件包括第一水储罐15和第一输水泵机17，第一水储罐15和第一输水泵机17的进料口之间通过第一输水管路21a连通，第一输水管路21a上连通有第二阀门18b，第一输水泵机17的出料口通过第二输水管路21b分别连通有第三输水管路21c和第四输水管路21d的一端，第三输水管路21c的另一端与第一注浆喷头22a、第二注浆喷头22b连通，第四输水管路21d的另一端与注水喷头23连通，第三输水管路21c上连通有第三阀门19a，第四输水管路21d上连通有第四阀门19b。

如图4所示，第三输水管路21c可同时和第一注浆喷头22a、第二注浆喷头22b连通。打开第三阀门19a，关闭第四阀门19b，第一输水泵机17可将第一水储罐15中的水通过第二输水管路21b和第三输水管路21c最终泵送到第一注浆喷头22a、第二注浆喷头22b中喷出；同理，关闭第三阀门19a，打开第四阀门19b，水通过第二输水管路21b和第四输水管路21d进入到注水喷头23中，并从注水喷头23中喷出。

进一步优化方案，进一步优化方案，模拟开挖组件包括钻机1，所述钻机1上传动连接有钻杆2的一端，钻杆2的另一端固定连接有刀盘3，刀盘3上固定连接有刀具4，刀具4用于直接对试验样品进行钻进，第一注浆喷头22a和第二注浆喷头22b设置在钻杆2上且位于刀盘3远离刀具4的一侧。

进一步优化方案，加载组件包括分别设置在试验箱6上方内壁和后方内壁上的第一加载板13a和第二加载板13b，第一加载板13a和第二加载板13b用于直接对岩石样品和煤块样品进行加压。

进一步优化方案，钻机1、第一加载板13a和第二加载板13b分别传动连接有液压泵站11。

如图1所示，液压泵站11通过提供液压油驱动钻机1、第一加载板13a和第二加载板13b运转。

进一步优化方案，还包括注水组件，注水组件包括第二输水泵机28和第二水储罐29，第二水储罐29和第二输水泵机28的进水口之间通过第三输水管路31a连通，第三输水管路31a上连通有第七阀门30，第二输水泵机28的出水口与试验箱6之间用第四输水管路31b连通，含水层8与第四输水管路31b对应设置。

进一步优化方案，还包括瓦斯供给组件，瓦斯供给组件包括气瓶24、真空泵25和接口，接口与试验箱6连通且与煤层7对应设置，接口上连通有第六阀门27b，真空泵25与接口之间通过第二充气管路26b连通，气瓶24通过第一充气管路26a与接口连通，气瓶24上连通有第五阀门27a。

进一步优化方案，监测组件包括连通在试验箱6上的气密性检测仪32、第一压力传感器33、第二压力传感器34和设置在刀盘3内的集成式传感器35，气密性检测仪32、第一压力传感器33、第二压力传感器34、第一压力传感器33用于监测试验箱6内的气压，第二压力传感器34用于监测含水层8内的水压，气密性检测仪32、第一压力传感器33、第二压力传感器34和集成式传感器35分别电性连接有数据处理中心36。

集成式传感器35中集成了压力传感器、气体浓度传感器、红外探头、双目视频探头，刀盘3中心采用透明材料且设计成微孔结构能有效测定各类参数，并避免粉尘堵塞；通过数据处理中心36对集成式传感器35监测到的各项数据的演化规律的分析，确定煤与瓦斯突出特征及影响因素，进而可以得出试验过程中的瓦斯涌出特征突出预警指标及临界值，可为实际穿煤隧道掘进施工过程中预测煤与瓦斯突出危险性提供指导。

进一步优化方案，试验箱6的侧壁上固定连接有废料回收箱9，废料回收箱9用于收集试验过程中产生的固、气、液废料。

如图1所示，试验结束后，可通过密封口10将固、气、液废料排入废料回收箱9中进行回收处理，用于后续试验中，整个试验过程绿色环保。

一种穿煤隧道掘进诱发煤与瓦斯突出的试验方法，包括如下步骤：

S1、收集现场岩块和煤块，制作试验样品放入到试验箱6中；

打开试验箱6上盖，根据试验参数，在试验箱6内放置与煤层7、含水层8尺寸相同的模具，将取回的岩块破碎后筛分出所需粒径作为骨料，加入石灰、石膏作为胶结材料，加入水搅拌后，倒入试验箱6中养护一段时间，成型后取出模具，将其作为岩层5；将取回的煤块切割并打磨成需要的结构，放入试验箱6中，在岩层5和煤层7接触面中加入煤焦油进行胶结，并密封试验箱6上盖。

之后，将破碎筛分后的小粒径岩块、石灰、石膏和水按比例混合来制备密封材料，填充密封口10进行密封。

最后，收集破碎后的岩块和切割后的煤块余料，进行二次破碎处理，筛分出符合试验需求的小粒径岩块和煤块，加入快速凝结剂作为混合料。

将混合料注入混合料储罐14中，通过第一输送混合料管路20a和第二输送混合料管路20b将混合料储罐14、封料泵机16和第一注浆喷头22a、第二注浆喷头22b进行连接，同时将水注入第一水储罐15，并通过第一输水管路21a、第二输水管路21b、第三输水管路21c、第四输水管路21d将第一水储罐15、第一输水泵机17和第一注浆喷头22a、第二注浆喷头22b和注水喷头23进行连接。

将钻机1、液压泵站11、封料泵机16、第一输水泵机17、真空泵25、第二输水泵机28、气密性检测仪32、第一压力传感器33、第二压力传感器34和集成式传感器35与数据处理中心36进行连接。

打开第七阀门30，启动第二输水泵机28，向含水层8中注满水后保持一定水压，关闭第七阀门30。

S2、启动加载组件对岩石样品和煤块样品进行三维加载；

启动液压泵站11，通过第一加载板13a和第二加载板13b对岩层5和煤层7进行真三维加载。

S3、设置模拟开挖组件的参数，对试验样品进行钻进，并通过监测组件进行各项数据监测；

打开第六阀门27b，启动真空泵25，将试验箱6腔内气体压力抽至真空，关闭第六阀门27b并使真空泵25停止工作，再打开第五阀门27a、第六阀门27b，用气瓶24向煤层7内充入瓦斯气体，并通过气密性检测仪32监测充气过程中试验箱6内的瓦斯压力变化，确保装置的气密性；若气密性良好，则根据试验需要的瓦斯压力，继续充气直至吸附平衡，再关闭第五阀门27a、第六阀门27b；若气密性较差，则重新装填密封材料，重复上述试验步骤直至装置气密性良好，再进行充气吸附至平衡状态。

根据试验方案参数，安装刀盘3和刀具4，并设置钻进速度、钻压、转速等钻机参数；打开第二阀门18b和第四阀门19b，启动第一输水泵机17，对钻进过程中的刀具4进行降温，同时湿润沉降岩粉并进行排渣；启动钻机1，首先钻开密封口10，然后钻进岩层5，并实时监测钻进过程中的视频图像、气体压力、瓦斯浓度、岩层温度、岩层变形等数据以及煤层的气压、含水层水压。

S4、钻进过程中如果发生煤与瓦斯突出，立即停止试验，观测煤与瓦斯突出是否进一步诱发突水灾害，并测定安全岩柱预留厚度和临界突出前兆信号，若未发生突出，则通过第一喷射组件对采空区进行喷浆处理，之后继续掘进；

试验过程中实时监测隧道内的气体压力、瓦斯浓度、岩层温度、岩层变形参数以及煤层的气压、含水层水压是否发生突变，并观测是否发生突出，如果发生煤与瓦斯突出，立即停止试验，观测煤与瓦斯突出是否进一步诱发突水灾害，并测定安全岩柱预留厚度和临界突出前兆信号；若未发生突变，则在第一注浆喷头22a、第二注浆喷头22b到达喷淋的间隔距离后，停止钻进，打开第三阀门19a，对采空区破碎的岩屑和岩石粉尘进行喷水降尘处理，待排渣清理干净后，再打开第一阀门18a，启动封料泵机16，将混合料和水在管路内混合后，通过第一注浆喷头22a、第二注浆喷头22b对采空区域进行快速喷浆加固处理，以防止钻进过程中采空区中岩层5的变形，随后关闭第一阀门18a、第三阀门19a和封料泵机16，继续掘进。

S5、重复步骤S4，直至诱发煤与瓦斯的突出或突水，立即停止钻进，测定安全岩柱预留厚度和临界突出前兆信号；

S6、重复上述步骤，以0.1MPa梯度逐级降低煤块样品中的瓦斯压力，模拟实施瓦斯抽采措施后的钻进过程，启动钻进件，直至钻进煤块样品时不发生突出，得出突出临界瓦斯压力；

S7、对试验过程中的数据进行处理；

通过分析试验中刀盘3大小、刀具4、钻速、钻压、转速、含水层、煤层瓦斯压力、煤层厚度、煤层倾角、断层等地质构造与安全岩柱预留厚度的关系，确定不同工况下的安全岩柱预留厚度。

通过分析模拟实施瓦斯抽采措施后的钻进过程中的视频图像、气体压力、瓦斯浓度、岩层温度、岩层变形、含水层水压数据变化，确定不同工况下需预抽煤层瓦斯的大小，得出突出临界瓦斯压力。

通过分析试验过程中气体压力、瓦斯浓度、岩层温度、岩层变形、含水层水压数据的演化规律及突出的临界值，确定突出特征信号响应规律及突出影响因素，进而确定瓦斯涌出突出特征预警指标及临界值，为实际穿煤隧道掘进施工过程中预测煤与瓦斯突出危险性提供指导。

S8、拆除装置并进行维护保养。

启动钻机1，将钻杆2、刀盘3和刀具4退出，之后，松开第一加载板13a和第二加载板13b，对试验箱6内进行泄压。

关闭各阀门并断开各水路、气路的连接，并断开各传感器与数据处理中心36的连接，关闭数据处理中心36。

打开试验箱6的上盖，清理试验箱6内煤样和岩样，对废料回收箱9中的煤样、岩样、废水、废气进行回收利用，对整个装置进行维护保养。

进一步优化方案，若钻进件钻进至煤块样品中时仍未发生煤与瓦斯突出，则停止钻进，改变试验参数进行下一次试验，直至诱发煤与瓦斯突出。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。