梁娟 刘金海 朱权洁 高林生 孙世波

(1.防灾科技学院 河北三河 065201； 2.华北科技学院 河北三河 065201；3.淮南师范学院 安徽淮南 232038)



巷道冲击地压模拟试验及其过程动态演示*

梁娟1刘金海2朱权洁2高林生2孙世波3

(1.防灾科技学院 河北三河 065201； 2.华北科技学院 河北三河 065201；3.淮南师范学院 安徽淮南 232038)

以巷道冲击地压灾害为典型案例，通过对巷道类冲击地压事故机理的分析，设计了一项巷道冲击地压试验装置，通过视频剪辑和动画制作技术，实现了对冲击地压试验的全程记录，并利用分频、字幕说明等形式对冲击地压试验动态过程进行了演示和说明。结果表明，该试验装置结合了巷道冲击地压发生原理，以动画方式演示，具有直观、简洁、易于理解的特点，为揭示冲击地压过程及其发生机制提供了一种新方法。

冲击地压 实验室试验 动画制作 动态演示 巷道冲击

0 引言

冲击地压是煤矿开采中典型的动力灾害之一，通常是在煤、岩力学系统达到极限强度时，以突然、急剧、猛烈的形式释放的弹性能，导致煤岩层瞬时破坏并伴随有煤粉和岩石的冲击，造成井巷的破坏及人身伤亡事故[1]。该灾害具有突发、瞬时和破坏巨大等特点，事故发生时急剧且短暂，没有明显的前兆信息，同时会有大量煤块被抛出、堵塞巷道，且有巨大声响和气浪，造成设备损坏、人员伤亡以及巨大的经济损失。由此可见该灾害的复杂性，同时也亟待人们去解决。国内专家学者为此研发了许多试验设备，并开展了众多相应的实验室试验和机理研究。何满潮等[2]通过深部花岗岩试样岩爆过程实验研究，研究了花岗岩发生岩爆的阶段划分，并对岩爆的发生机制进行探讨；姜耀东等[3]结合现场冲击案例，通过实验室细观试验研究了煤岩体断裂过程及失稳机制。这些实验室试验探索了冲击地压的发生过程，对其发生机制及影响因素进行了挖掘。

但是，冲击地压发生过程短暂、破坏性大，其发生过程很难被观察到，常规图片、文字也难以完全描述其特征，且现有试验设备紧缺，在安全教学、培训方面开展冲击地压试验产生的费用较高。工程仿真模拟技术建模周期短、见效快，从经济角度考虑也具有相当高的性价比，在国内外有着广泛的应用基础，尤其是在工程领域和基础研究领域，贯穿在初期构思、设计、中期研究以及后期训练、演示等方面。如燕碧娟等[4]将仿真教学应用于矿山机械课程体系之中；刘溪鸽等[5]将虚拟现实技术和数值模拟应用于采矿领域，实现了矿山生产的三维可视化，并提供围岩安全性信息等服务；梁强等[6]对爆炸现象和基本原理进行了研究和分析，并进行动态建模和逼真模拟，实现了对爆炸效果的仿真；梁娟等[7]利用Blender等软件开发了简易版本的矿山三维实体模型和虚拟现实仿真系统，初步实现了矿山虚拟现实环境和仿真系统。

基于上述考虑，本文提出一种巷道冲击地压模拟试验装置及其动态演示方法，结合冲击地压试验装置和动画制作、视频编辑技术，实现了冲击地压实验室试验、理论分析及动画演示，为高校教学、企业安全培训提供了一种新思路。

1 巷道冲击地压模拟装置简介

随着煤矿开采深度的增加，矿井深部开采面临诸多问题，如原岩应力、构造应力等的增加与变化，极易形成高应力区，而高应力差的存在是诱导冲击地压的重要原因之一。以此为基础，对巷道冲击地压的力学模型进行简化，以垂直应力加载为主，将煤体划分为弹性区和塑性区两部分，通过埋入煤体内部的螺栓充当弹性体为煤体蓄能。经调研，冲击地压多发生于巷道内。模拟巷道冲击地压发生过程是研究冲击地压发生机理及防治技术的基础。基于此，设计了一项用于模拟巷道冲击地压的装置(如图1所示)，用于建立“试验+理论分析+多媒体演示”的多元教学模式。

巷道冲击地压模拟装置由加载系统、冲击平台和监测装置等3部分组成，如图2所示。加载系统由手动油泵和液压油缸组成。通过摇动油泵向液压油缸内注油，从而使液压油缸延伸，达到向冲击平台施加垂直载荷的目的。

(a)正视图

(b)俯视图

(1)冲击平台主要由模拟岩层、冲击体和蓄能结构组成，如图2(a)所示。利用液压油缸向冲击平台施加垂直载荷，垂直载荷通过顶承压板、模拟顶板岩层传递给冲击体和模拟煤层。通过旋转加长螺栓，压缩蓄能弹簧。随着液压油缸的延伸，冲击体和模拟煤层中的垂直应力逐渐增大，当冲击体内的垂直应力超过其强度极限时，冲击体发生破坏，进而在蓄能弹簧的作用下向巷道内冲击。冲击平台中的侧帮板、底座、顶梁均为Q235型槽钢；模拟煤层为条状或块状橡胶；模拟顶板岩层、底板岩层为木块；冲击体是由石膏等做成的脆性体。

(a)冲击平台实物图

(b)加载装置实物图

(2)监测装置由液压传感器、油压泵、四通阀和数显压力表组成。液压传感器、四通阀、数显压力表串联，油压泵与四通阀侧面油嘴连接。液压传感器通过钻孔放置在模拟煤层中。通过油压泵向液压传感器注油，给液压传感器初始压力，然后旋紧四通阀螺栓，去掉油泵。随着液压油缸的延伸，冲击体和模拟煤层中垂直应力不断增大，并通过液压传感器传输给数显压力表。从而由数显压力表可实时观测到冲击体和模拟煤层中垂直应力的变化。

2 巷道冲击地压试验过程分析

巷道冲击地压试验过程如图3所示，简述如下：(1)将侧帮板通过螺栓固定在底座和顶梁上，有机玻璃板通过螺栓铰接固定在侧帮板上，从而组成模拟架。(2)在底座上侧、侧帮板内侧由下往上依次铺设模拟底板岩层、模拟煤层、模拟顶板岩层；在模拟煤层铺设过程中预留出巷道空间，在巷道两侧或一侧安装冲击体。(3)在模拟顶板岩层上部安装顶承压板，并把液压油缸放置在顶承压板上。(4)将蓄能弹簧放入钻孔内，并通过旋进加长螺栓将蓄能弹簧顶入孔底。(5)将液压传感器放置在位于模拟煤层部位的监测钻孔内，并将液压传感器与四通阀、数显压力表连接。(6)将油压泵与四通阀侧面油嘴连接，并通过摇动油压泵给液压传感器初始读数，然后拧紧四通阀上的螺栓，撤掉油压泵。(7)通过拧紧加长螺栓压缩蓄能弹簧，造成冲击体与模拟煤层中的能量积聚。(8)通过摇动液压油泵使液压油缸延伸，进而压缩模拟煤层和冲击体，此时数显压力表读数不断增加，当冲击体和模拟煤层中的垂直应力超过冲击体的强度极限时，冲击体破坏，并在蓄能弹簧作用下向巷道内冲击。

图3 试验准备阶段及试验阶段

通过上述步骤，可观测到巷道冲击地压发生过程和模拟煤层中垂直应力变化过程。

3 冲击地压试验过程的制作与动态演示

冲击地压的发生过程是众多采矿专业人士感兴趣的问题，但由于其发生过程复杂、诱因众多，通过课本知识或是现场表象很难了解其真实发生过程，为此，开展了巷道冲击地压试验过程的动态演示研究。基于上述巷道冲击地压模拟装置的研制，对冲击地压的发生过程进行了实时录像，并根据需求对试验过程进行了剪辑和处理，从试验表象、内在诱因等方面进行直观的展示，实现了冲击地压发生过程的动态演示。该过程的直观、生动演示使矿山现场人员、在校学生等专业人员更容易理解和分析冲击地压的发生过程。

3.1 试验过程的内容和分屏演示

为了完整展示整个“巷道冲击地压模拟试验”，对试验背景、试验装置及工作原理、试验过程分别进行了介绍，并对冲击试验的过程进行了分屏动态演示。整个动态演示过程可以分为“系统开发背景”、“试验装置设计”、“试验装置制作”和“工作过程”4部分，其中试验装置制作分别对加载系统、冲击平台和监测装置进行了展示和介绍。

分屏显示示意如图4所示，通过屏幕可以看到煤体上部加载、手动加载以及媒体内部应力变化情况。

3.2 冲击地压试验的动态演示

一般情况下，岩石的全应力-应变曲线可以分为下列5个阶段(见图5)：第Ⅰ阶段：属于压密阶段，由细微裂隙受压闭合造成；第Ⅱ阶段：属于弹性阶段，应力与应变关系曲线为直线；第Ⅲ阶段：属于弹性与塑性过渡阶段，有部分细微裂隙产生；第Ⅳ阶段：属于塑性性状阶段，开始强烈地形成新的细微裂隙；第Ⅴ阶段：属于破坏阶段，裂隙逐渐贯通最后导致破裂性滑移。通过对比该过程的应力应变曲线与声发射活动，可以看出，当应力大小进入第Ⅰ阶段时，岩体被进一步压实，岩体内部出现细微破裂，集中于试件底部，这与试件内部裂隙分布和底部平整度等有关；当进入第Ⅱ阶段或第Ⅲ阶段时，岩体发生弹性应变，即产生弹性波(微地震波)，此阶段随着外部载荷的持续加载，试件内部出现大量微破裂，并呈现出破裂面；当进入第Ⅳ阶段或第Ⅴ阶段时，岩体发生塑性应变或彻底破裂，微震事件剧减。

图5 煤岩体加载破坏的应力应变曲线

根据煤岩体破坏过程的应力状态，将其划分为煤体压密、煤体承压、裂隙产生与扩展、冲击发生等阶段，与这些阶段对应着相应的外部变化特征，如图6中所示为试验各阶段的动画截图。

试验装置组装完成后，应力监测装置显示为0 MPa，如图6(a)，煤体上方外部垂直载荷为0 MPa(设定的初始载荷)，此时煤体完好。当外部油泵加压时，上部千斤顶向煤体施压，应力值缓慢增加至5 MPa，如图6(b)～(c)，这与煤体本身性质有关。加载前期煤体孔隙被填补密实，煤体的“反向抵抗”较弱，因此，在试验进行到第2，3阶段(3～5 min)时，手动加载较轻盈，煤体内应力状态较低。

当加载进行到第4阶段(7 min)时，模型中左侧巷道出现裂纹(片帮迹象)，裂纹由与顶板相接区域向下部底板延伸，并随着加载的继续而逐步扩展，此时加载载荷已经达到10 MPa的高值。

在第5阶段(8 min)时，煤岩体内应力增加到极限(外部载荷10 MPa)，在巷道临空面由于没有轴向作用力，能量向此方面瞬间释放，煤岩体破坏并被抛出，视频中还伴随有如闷雷破坏声。如图6(e)中所示，左侧巷帮已完全破坏，煤体片帮严重，冲击出的煤渣分布巷道内。

由于人为加载、加载速度及载荷大小等因素直接影响了冲击地压的发生，不同产生的冲击形态不尽相同，但从产生机制和现象角度而言，试验已经实现了对巷道冲击地压孕育、发生的直观反映，可用于高校教学、企业安全培训等。

(a)初始阶段 (b)第2阶段 (c)第3阶段

(d)第4阶段 (e)第5阶段 (f)终止阶段

图6 巷道冲击地压发生过程全记录

4 结语

以巷道冲击地压灾害为典型案例，通过对巷道类冲击地压事故机理的分析，设计了一项巷道冲击地压试验装置，通过视频剪辑和动画制作技术，对冲击地压试验进行全程记录，并利用分频、字幕说明等形式对冲击地压试验动态过程进行了演示和说明，基本实现了“利用模拟仿真方式揭示冲击地压发生过程及其发生机制”的目标。

[1]刘晔，姜福兴，冯宇. 巷道诱发型冲击地压的发生机制及危险性分析[J].岩土力学，2015，36(S2)：201-207.

[2]何满潮，苗金丽，李德建，等. 深部花岗岩试样岩爆过程实验研究[J].岩石力学与工程学报，2007，26(5)：865-876.

[3]姜耀东，赵毅鑫，何满潮，等. 冲击地压机制的细观实验研究[J].岩石力学与工程学报，2007，26(5)：901-907.

[4]燕碧娟，王志霞，李自贵. 仿真教学在矿山机械课程体系中的应用研究[J].教学研究，2014，37(4)：77-79.

[5]刘溪鸽，杨天洪，张鹏海，等. 基于虚拟现实技术的岩石力学数值计算与三维可视化[J].金属矿山，2015(8)：20-23.

[6]梁强，许仁杰，杜君，等. 爆炸效果动态建模研究[J].系统仿真学报，2012，24(9)：1945-1953.

[7]梁娟，彭麦福，李莹莹，等. 基于Blender的矿山虚拟现实快速构建与实现[J].中国安全生产科学技术，2015，11(11)：144-150.

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

国家自然科学基金 (51504096)，中国博士后科学基金 (2016T90037)，河北省自然科学基金 (E2015508050)，河北省高等学校科学技术研究项目(QN2014329)，廊坊市软科学研究计划项目(2016023085)。

梁娟，女，1986年生，助教，硕士研究生，2014年毕业于中国地质大学(武汉)设计艺术学专业，主要从事动画设计、视频制作等方面的工作。

刘金海，男，1982年生，副教授，博士，2013年毕业于北京科技大学采矿工程专业，主要从事煤岩动力灾害的监测与防治等方面的研究。

2016-01-25)