深部煤岩冲击地压多功能物理模拟试验系统研制与应用

据中国工程院预测分析，在21世纪中叶我国煤炭消费量占能源消费总量的一半。综合来说，煤炭仍是我国能源的主体，是我国经济社会发展的能源支柱。由于对煤炭的持续开采，浅部资源逐渐枯竭，开采深度日益加大。开采深度的不断增加导致深部动力灾害日益凸显，其中冲击地压就是典型的深部地层动力灾害之一，它指的是井巷或者工作面煤岩体在开挖过程中，周围应力发生改变，积聚的大量弹性变形能突然释放，造成剧烈破坏的现象，而且还会伴随着次生灾害的产生。

近年来，不断有学者从物理模拟的角度研究冲击失稳过程，在硐室及巷道围岩破坏及其机制试验研究中发挥了重要作用。顾金才等研制了抛掷型岩爆模拟试验装置及岩土工程多功能模拟试验装置，较好地模拟了地下工程的受力环境，能够完成简单的岩爆试验。冯夏庭等研制的深部三维物理模型试验系统，能够实现三维复杂应力边界(均匀荷载、梯度荷载、长时保载动力扰动等)的精准施加。何满潮等研制的深部岩爆模拟试验系统，可在真三轴应力状态下实现单面突然卸载，达到模拟现场硐室开挖的卸荷过程。苏国韶等研制的真三轴岩爆试验机，可实现三向六面压缩、单面临空三向五面压缩等真三轴试验功能。李术才等研制了大型地质力学模型试验系统，主要由反力装置、柔性均布压力加载装置、数字智能液压控制系统及高精度多元实时监测系统组成，实现了煤巷及其他大型地下硐室开挖支护全过程的模型试验研究。

祝文化等研制的气液复合加载岩爆模拟试验装置系统，该装置可通过同步施加水平荷载和垂直荷载，模拟深埋地下洞室在自重应力状态下产生岩爆破坏的过程。赵光明等研制的真三轴扰动卸荷岩石测试系统，该装置3个方向的加载系统可独立控制，可进行单轴、双轴、三轴试验，加载过程可由全数字伺服测控器控制。蒋海明等研制的深部岩体加卸荷试验装置，实现了模型边界上的弹性加载。张乾兵等利用新研制的大型真三轴加载地质力学模型试验系统，模拟了接近2000 m埋深的硐室围岩的破坏特征。史新帅等研制了大尺度三维巷道冲击地压灾变演化与失稳模拟试验系统，并且利用网络并行电法测试系统、静态应变采集系统、超动态应变采集系统、高速摄像机、加速度传感器等多种监测手段，对巷道冲击失稳过程中的多个物理场进行监测。刘冬桥等利用研制的冲击岩爆试验系统对动载诱发冲击地压进行了研究，在静荷载的基础上施加16种波形的动荷载，动载的幅值、频率、波形对冲击地压造成了影响。王四巍等利用自主研制的大型地质力学模型试验系统和新型相似材料，研究说明冲击地压发生时，静荷载与冲击荷载相互叠加超过了巷道的承载能力后发生失稳。

综上所述，随着采矿及地质工程活动往深部地层发展，冲击地压及岩爆灾害愈发严重，冲击破坏类型复杂多变。目前，对于冲击地压研究的物理模拟试验装备大多仅能开展真三轴及单面临空卸荷试验，在模拟断层错动诱发冲击地压方面尚存在不足，无法全面研究复杂地质条件下的冲击地压灾害，同时所研究试件尺寸较小且多为岩样、煤样。针对深部复杂地质条件下冲击地压灾害的研究缺乏完善的技术手段，迫切需要研发相应的物理模拟试验设备。基于此，研制了深部煤岩冲击地压多功能物理模拟试验系统，该系统功能较为全面，弥补了目前相关冲击地压物理模拟试验设备功能单一以及研究对象尺寸较小的缺陷。