考慮動力影響的煤與瓦斯突出模擬實驗裝置及其試驗方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種考慮動力影響的煤與瓦斯突出模擬實驗裝置及其試驗方法，其特征在于包括密封加載盒、煤樣試件、柔性加載系統(tǒng)、沖擊加載系統(tǒng)和瓦斯供應(yīng)系統(tǒng)。深埋巷道圍巖的受力、變形和破壞問題可以近似認為是軸對稱問題，因此，取其一部分進行試驗即可反映圍巖整體的性質(zhì)；本發(fā)明首先使煤樣試件處于高應(yīng)力狀態(tài)下，然后通過沖擊重塊對煤樣試件施加沖擊荷載，以模擬動力效應(yīng)對巷道的影響，實現(xiàn)了讓煤樣試件在特定的荷載條件下承受沖擊荷載的目標(biāo)，并可以對煤樣試件迅速進行補充加載，在試件破壞過程中，煤體中吸附的瓦斯也大量解吸，對煤巖體做功；最終，煤樣試件在瓦斯壓力、圍巖應(yīng)力、振動影響等綜合因素影響下發(fā)生煤與瓦斯突出。
【專利說明】考慮動力影響的煤與瓦斯突出模擬實驗裝置及其試驗方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及煤礦開采過程中巷道中發(fā)生的煤與瓦斯突出災(zāi)害，尤其涉及一種可以考慮巖體振動或沖擊等動力現(xiàn)象對巷道煤與瓦斯突出影響的模擬實驗裝置及其試驗方法。
【背景技術(shù)】
[0002]由于煤與瓦斯突出的災(zāi)害性極大，很難在現(xiàn)場發(fā)生煤與瓦斯突出災(zāi)害時開展實時跟蹤研究，因此通過實驗室進行模擬實驗是研究煤與瓦斯突出規(guī)律的有效方法。盡管國內(nèi)外相關(guān)科研機構(gòu)已開展了大量的煤與瓦斯突出相似模擬實驗研究工作，但仍存在諸多的不足，具體包括如下幾個方面:
一、一般僅考慮石門揭煤時發(fā)生的煤與瓦斯突出模擬，實際上，76%的煤與瓦斯突出事故發(fā)生在煤層巷道中，搞清其發(fā)生規(guī)律對于煤與瓦斯突出事故的防治具有重要意義。
[0003]二、巷道開挖后，開挖空間周圍產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中，并導(dǎo)致煤體加劇破碎，這些因素對煤與瓦斯突出的發(fā)生有非常顯著的影響。常規(guī)的煤與瓦斯突出實驗裝置只能模擬均勻應(yīng)力場，不能考慮巷道開挖導(dǎo)致的應(yīng)力集中以及圍巖破碎程度的影響。
[0004]三、根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，大多數(shù)煤與瓦斯突出發(fā)生在放炮和落煤工序，也就是說煤與瓦斯突出多由放炮和頂板垮落導(dǎo)致的振動或沖擊誘發(fā)。但是，目前的實驗裝置還不能考慮振動和沖擊等動力現(xiàn)象對煤與瓦斯突出發(fā)生規(guī)律的影響。
[0005]四、目前的實驗中采用的實驗機的剛度太大，不能很好的考慮煤巖體破壞過程中外側(cè)圍巖變形對煤巖體的做功充能現(xiàn)象，而瓦斯解吸膨脹對煤巖體做功不足以將其充分破碎并拋出，因此采用的煤巖體試件均不是自然形成的煤塊，而是由煤粉壓制而成的煤塊。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種考慮動力影響的煤與瓦斯突出模擬實驗裝置及其試驗方法。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
一種考慮動力影響的煤與瓦斯突出模擬實驗裝置，其特征在于包括密封加載盒、煤樣試件、柔性加載系統(tǒng)、沖擊加載系統(tǒng)和瓦斯供應(yīng)系統(tǒng)；
所述的密封加載盒，包括梯形板、側(cè)擋板、加載墊塊和上蓋板；上述各裝置接觸部位設(shè)置橡膠墊以保證密封性能；梯形板包括第一梯形板和第二梯形板，其斜面的傾角與煤樣試件斜面傾角相匹配；側(cè)擋板包括第一側(cè)擋板和第二側(cè)擋板，分別固定在梯形板的前后兩側(cè)，其內(nèi)表面分別與煤樣試件的前后表面接觸；加載墊塊上半部分為圓柱體結(jié)構(gòu)，下半部分為圓弧形鋼板，鋼板下表面設(shè)有縱橫交叉的導(dǎo)氣槽，下表面還設(shè)有一層鋼絲網(wǎng)，鋼絲網(wǎng)與煤樣試件上表面接觸；加載墊塊側(cè)面和梯形板斜面間留有空隙，防止加載過程中兩者發(fā)生擠壓；上蓋板中間留有圓形孔，加載墊塊的圓柱體結(jié)構(gòu)由圓形孔通過，圓形孔表面設(shè)有橡膠密封墊，與圓柱體結(jié)構(gòu)緊密接觸，既允許圓柱體結(jié)構(gòu)和上蓋板可以發(fā)生相對運動，又防止氣體由此溢出，上蓋板的一側(cè)還預(yù)留瓦斯注入孔； 所述煤樣試件，上下表面為同軸圓弧面，左右側(cè)面的延伸線通過上述圓弧面的軸線，前后側(cè)面垂直于水平面，四個側(cè)面均涂有704硅橡膠并與密封加載盒緊密接觸以保證其氣密性；
所述的柔性加載系統(tǒng)，包括底座、加載油缸、液壓泵站、反力板、反力鋼絞線和支撐導(dǎo)軌；加載油缸共有兩個，用于施加靜載荷；反力板左右兩側(cè)分別設(shè)有多個用于連接反力鋼絞線的通孔；反力鋼絞線有多條，其中任意一條的一端固定在底座上，另一端固定在反力板上，通過調(diào)整鋼絞線的數(shù)目和/或直徑來調(diào)整柔性加載系統(tǒng)的剛度；支撐導(dǎo)軌固定在底座上，其作用是在實驗前托住密封加載盒，在實驗過程中防止其發(fā)生偏斜；
所述的沖擊加載系統(tǒng)，用于給煤樣試件施加豎直向的沖擊荷載，包括立柱、橫梁、沖擊重塊、提升裝置、導(dǎo)向裝置；立柱固定在柔性加載系統(tǒng)的底座上，沖擊重塊的重量和高度均可調(diào)節(jié)，提升裝置固定在橫梁上用于提升和放下沖擊重塊，導(dǎo)向裝置表面標(biāo)有刻度，用于測量沖擊重塊的高度，并且可以防止沖擊重塊下落時發(fā)生偏斜；
所述的瓦斯供應(yīng)系統(tǒng)，包括瓦斯供應(yīng)罐、第一高壓管、第一閥門、氣體壓力泵、第二高壓管、第二閥門、壓力表、流量計；瓦斯供應(yīng)罐和氣體壓力泵通過第一高壓管連接，并在第一高壓管上設(shè)有第一閥門；氣體壓力泵和圓柱體結(jié)構(gòu)上的瓦斯注入孔通過第二高壓管相連，并在第二高壓管上設(shè)有第二閥門、壓力表和流量計；真空泵用于在實驗過程中對煤樣試件抽真空；
為了更方便的進行實驗和數(shù)據(jù)分析，本發(fā)明還可以包括測量控制系統(tǒng)；所述的測量控制系統(tǒng)，主要包括計算機、主控箱、數(shù)據(jù)采集儀、C⑶相機；計算機通過USB接口與主控箱相連，主控箱通過導(dǎo)線與數(shù)據(jù)采集儀、液壓泵站、氣體壓力泵相連，數(shù)據(jù)采集儀通過導(dǎo)線壓力表、流量計相連；(XD相機用于記錄煤與瓦斯突出的過程。
[0008]為了防止沖擊重塊傾倒或煤樣試件崩解時可能造成的危險，本發(fā)明還可以包括防護裝置。
[0009]本發(fā)明的試驗方法是:
1)制作煤樣試件，將其裝入密封加載盒，將密封加載盒安裝就位；通過柔性加載系統(tǒng)對煤樣試件加載，保持一定時間后卸載，然后再次加載，經(jīng)過多個循環(huán)之后，加載使煤巖體達到要求的應(yīng)力狀態(tài)；在這個過程中，煤巖體發(fā)生一定程度的破碎，目的在于模擬采掘活動對煤巖體的影響；
2)將瓦斯供應(yīng)系統(tǒng)，連接到密封加載盒上側(cè)的瓦斯注入孔，啟動氣體壓力泵，調(diào)整瓦斯壓力腔內(nèi)的瓦斯壓力至某一恒定值，并保持一定時間，使煤巖體充分吸附瓦斯，期間應(yīng)加強室內(nèi)通風(fēng)，防止瓦斯積聚；
3)調(diào)整沖擊重塊的高度和重量，釋放沖擊重塊，對密封加載盒的加載墊塊進行沖擊，通過CXD相機記錄煤巖體突出過程；
4)提起沖擊重塊，停止瓦斯供應(yīng)，卸去柔性加載系統(tǒng)的荷載，打開密封加載盒，取出煤樣試件，記錄分析其破壞情況。
[0010]本發(fā)明的原理是:
深埋巷道圍巖的受力、變形和破壞問題可以近似認為是軸對稱問題，因此，取其一部分(即本發(fā)明所述煤樣試件)進行試驗即可反映圍巖整體的性質(zhì)，相對于全斷面實驗裝置，可以開展大比例尺的實驗研究。[0011]本發(fā)明上蓋板、梯形板、側(cè)擋板、加載墊塊、滲透試樣上表面共同圍成瓦斯壓力腔，可以模擬巷道周圍煤體的瓦斯壓力邊界條件，在突出發(fā)生前瓦斯由該腔體向巷道內(nèi)滲透。
[0012]本發(fā)明通過加載油缸和反力鋼絞線對煤樣試件施加壓力，使其處于高應(yīng)力狀態(tài)下，在這個過程中反力鋼絞線有一定彈性伸長；通過沖擊重塊對煤樣試件施加沖擊荷載，以模擬爆破或頂板垮落引起的振動對巷道的影響，由于反力鋼絞線為柔性材料，不會像常規(guī)剛性立柱一樣對沖擊荷載造成影響(支撐效應(yīng))，實現(xiàn)了讓煤樣試件在特定的荷載條件下承受沖擊荷載的目標(biāo)。
[0013]煤樣試件在高應(yīng)力及沖擊擾動條件下破壞，其強度降低并發(fā)生一定位移，在這個過程中反力鋼絞線瞬間收縮，對煤樣試件迅速進行補充加載，即補充能量，模擬了外部圍巖對煤巖體的進一步擠壓做功；在這個過程中，煤體中吸附的瓦斯也大量解吸，也會對煤巖體做功。
[0014]最終，煤樣試件在瓦斯壓力、圍巖應(yīng)力、振動影響等綜合因素影響下發(fā)生煤與瓦斯突出。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]下面結(jié)合附圖與【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步說明:
圖1為本發(fā)明的力學(xué)原理圖；
圖2為本發(fā)明的主體結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0016]結(jié)合附圖1，本發(fā)明采用局部煤樣試件的原理是:深埋巷道圍巖的受力、變形和破壞問題可以近似認為是軸對稱問題，取其一部分(即本發(fā)明所述滲透試件4)進行試驗即可反映圍巖整體的性質(zhì)，相對于全斷面實驗裝置，可以開展大比例尺的實驗研究。
[0017]結(jié)合附圖2，一種考慮動力影響的煤與瓦斯突出模擬實驗裝置及其試驗方法，包括密封加載盒、煤樣試件、柔性加載系統(tǒng)、沖擊加載系統(tǒng)和瓦斯供應(yīng)系統(tǒng)。
[0018]所述的密封加載盒，包括梯形板1、側(cè)擋板、加載墊塊2和上蓋板3 ;上述各裝置接觸部位設(shè)置墊橡膠墊以保證密封性能；梯形板I包括第一梯形板和第二梯形板，其斜面的傾角與煤樣試件斜面傾角相匹配；側(cè)擋板包括第一側(cè)擋板和第二側(cè)擋板，分別固定在梯形板的前后兩側(cè)，其內(nèi)表面分別與煤樣試件的前后表面接觸；加載墊塊2上半部分為圓柱體結(jié)構(gòu)，下半部分為圓弧形鋼板，鋼板下表面設(shè)有縱橫交叉的導(dǎo)氣槽，下表面還設(shè)有一層鋼絲網(wǎng)，鋼絲網(wǎng)與煤樣試件上表面接觸；加載墊塊2側(cè)面和梯形板I斜面間留有空隙，防止加載過程中兩者發(fā)生擠壓；上蓋板3中間留有圓形孔，加載墊塊2的圓柱體結(jié)構(gòu)由圓形孔通過，圓形孔表面設(shè)有橡膠密封墊，與圓柱體結(jié)構(gòu)緊密接觸，既允許圓柱體結(jié)構(gòu)和上蓋板可以發(fā)生相對運動，又防止氣體由此溢出，上蓋板的一側(cè)還預(yù)留瓦斯注入孔。
[0019]所述煤樣試件4，上下表面為同軸圓弧面，左右側(cè)面的延伸線通過上述圓弧面的軸線，前后側(cè)面垂直于水平面，四個側(cè)面均涂有704硅橡膠并與密封加載盒緊密接觸以保證其氣密性。
[0020]所述的柔性加載系統(tǒng)，包括底座5、加載油缸6、液壓泵站、反力板7、反力鋼絞線8和支撐導(dǎo)軌9 ;加載油缸6共有兩個，用于施加靜載荷；反力板7左右兩側(cè)分別設(shè)有多個用于連接反力鋼絞線8的通孔；反力鋼絞線8有多條，其中任意一條的一端固定在底座上，另一端固定在反力板上，通過調(diào)整鋼絞線的數(shù)目和/或直徑來調(diào)整柔性加載系統(tǒng)的剛度；支撐導(dǎo)軌9固定在底座上，其作用是在實驗前托住密封加載盒，在實驗過程中防止其發(fā)生偏斜。
[0021]所述的沖擊加載系統(tǒng)，用于給煤樣試件施加豎直向的沖擊荷載，包括立柱10、橫梁11、沖擊重塊12、提升裝置13、導(dǎo)向裝置14 ;立柱10固定在柔性加載系統(tǒng)的底座5上，沖擊重塊的重量和高度均可調(diào)節(jié)，提升裝置13固定在橫梁上用于提升和放下沖擊重塊，導(dǎo)向裝置14表面標(biāo)有刻度，用于測量沖擊重塊的高度，并且可以防止沖擊重塊下落時發(fā)生偏斜。
[0022]所述的瓦斯供應(yīng)系統(tǒng)，包括瓦斯供應(yīng)罐、第一高壓管、第一閥門、氣體壓力泵、第二高壓管、第二閥門、壓力表、流量計；瓦斯供應(yīng)罐和氣體壓力泵通過第一高壓管連接，并在第一高壓管上設(shè)有第一閥門；氣體壓力泵和圓柱體結(jié)構(gòu)上的瓦斯注入孔通過第二高壓管相連，并在第二高壓管上設(shè)有第二閥門、壓力表和流量計；真空泵用于在實驗過程中對煤樣試件抽真空。
[0023]所述的測量控制系統(tǒng)，主要包括計算機、主控箱、數(shù)據(jù)采集儀、CXD相機；計算機通過USB接口與主控箱相連，主控箱通過導(dǎo)線與數(shù)據(jù)采集儀、液壓泵站、氣體壓力泵相連，數(shù)據(jù)采集儀通過導(dǎo)線壓力表、流量計相連；CCD相機用于記錄煤與瓦斯突出的過程。
[0024]本發(fā)明的試驗方法是:
1)制作煤樣試件，將其裝入密封加載盒，將密封加載盒安裝就位；通過柔性加載系統(tǒng)對煤樣試件加載，保持一定時間后卸載，然后再次加載，經(jīng)過多個循環(huán)之后，加載使煤巖體達到要求的應(yīng)力狀態(tài)；在這個過程中，煤巖體發(fā)生一定程度的破碎，目的在于模擬采掘活動對煤巖體的影響；
2)將瓦斯供應(yīng)系統(tǒng)，連接到密封加載盒上側(cè)的瓦斯注入孔，啟動氣體壓力泵，調(diào)整瓦斯壓力腔內(nèi)的瓦斯壓力至某一恒定值，并保持一定時間，使煤巖體充分吸附瓦斯，期間應(yīng)加強室內(nèi)通風(fēng)，防止瓦斯積聚；
3)調(diào)整沖擊重塊的高度和重量，釋放沖擊重塊，對密封加載盒的加載墊塊進行沖擊，通過CXD相機記錄煤巖體突出過程；
4)提起沖擊重塊，停止瓦斯供應(yīng)，卸去柔性加載系統(tǒng)的荷載，打開密封加載盒，取出煤樣試件，記錄分析其破壞情況。
[0025]以上所述實施例，只是本發(fā)明較優(yōu)選的具體的實施方式的一種，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)進行的通常變化和替換都應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種考慮動力影響的煤與瓦斯突出模擬實驗裝置，其特征在于包括密封加載盒、煤樣試件、柔性加載系統(tǒng)、沖擊加載系統(tǒng)和瓦斯供應(yīng)系統(tǒng)； 所述的密封加載盒，包括梯形板、側(cè)擋板、加載墊塊和上蓋板；上述各裝置接觸部位設(shè)置橡膠墊；梯形板包括第一梯形板和第二梯形板，其斜面的傾角與煤樣試件斜面傾角相匹配；側(cè)擋板包括第一側(cè)擋板和第二側(cè)擋板，分別固定在梯形板的前后兩側(cè)；加載墊塊上半部分為圓柱體結(jié)構(gòu)，下半部分為圓弧形鋼板，鋼板下表面設(shè)有縱橫交叉的導(dǎo)氣槽，下表面還設(shè)有一層鋼絲網(wǎng)；加載墊塊側(cè)面和梯形板斜面間留有空隙；上蓋板中間留有圓形孔，加載墊塊的圓柱體結(jié)構(gòu)由圓形孔通過，圓形孔表面設(shè)有橡膠密封墊，上蓋板的一側(cè)還預(yù)留瓦斯注入孔； 所述煤樣試件，上下表面為同軸圓弧面，左右側(cè)面的延伸線通過上述圓弧面的軸線，前后側(cè)面垂直于水平面，四個側(cè)面均涂有704硅橡膠； 所述的柔性加載系統(tǒng)，包括底座、加載油缸、液壓泵站、反力板、反力鋼絞線和支撐導(dǎo)軌；加載油缸共有兩個；反力板左右兩側(cè)分別設(shè)有多個用于連接反力鋼絞線的通孔；反力鋼絞線有多條，其中任意一條的一端固定在底座上，另一端固定在反力板上；支撐導(dǎo)軌固定在底座上； 所述的沖擊加載系統(tǒng)，包括立柱、橫梁、沖擊重塊、提升裝置、導(dǎo)向裝置；立柱固定在柔性加載系統(tǒng)的底座上，沖擊重塊的重量和高度均可調(diào)節(jié)，提升裝置固定在橫梁上，導(dǎo)向裝置表面標(biāo)有刻度； 所述的瓦斯供應(yīng)系統(tǒng)，包括瓦斯供應(yīng)罐 、第一高壓管、第一閥門、氣體壓力泵、第二高壓管、第二閥門、壓力表、流量計；瓦斯供應(yīng)罐和氣體壓力泵通過第一高壓管連接，并在第一高壓管上設(shè)有第一閥門；氣體壓力泵和圓柱體結(jié)構(gòu)上的瓦斯注入孔通過第二高壓管相連，并在第二高壓管上設(shè)有第二閥門、壓力表和流量計；真空泵用于在實驗過程中對煤樣試件抽真空。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種考慮動力影響的煤與瓦斯突出模擬實驗裝置，其特征在于包括測量控制系統(tǒng)；所述的測量控制系統(tǒng)，主要包括計算機、主控箱、數(shù)據(jù)采集儀、CCD相機；計算機通過USB接口與主控箱相連，主控箱通過導(dǎo)線與數(shù)據(jù)采集儀、液壓泵站、氣體壓力泵相連，數(shù)據(jù)采集儀通過導(dǎo)線壓力表、流量計相連；CCD相機用于記錄煤與瓦斯突出的過程。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種考慮動力影響的煤與瓦斯突出模擬實驗裝置，其特征在于包括防護裝置。
4.如權(quán)利要求1-3任一所述的深埋圓形隧洞沖擊地壓模擬試驗系統(tǒng)的實驗方法，其特征在于: 第一步:制作煤樣試件，將其裝入密封加載盒，將密封加載盒安裝就位；通過柔性加載系統(tǒng)對煤樣試件加載，保持一定時間后卸載，然后再次加載，經(jīng)過多個循環(huán)之后，加載使煤巖體達到要求的應(yīng)力狀態(tài)；在這個過程中，煤巖體發(fā)生一定程度的破碎，目的在于模擬采掘活動對煤巖體的影響； 第二步:將瓦斯供應(yīng)系統(tǒng)，連接到密封加載盒上側(cè)的瓦斯注入孔，啟動氣體壓力泵，調(diào)整瓦斯壓力腔內(nèi)的瓦斯壓力至某一恒定值，并保持一定時間，使煤巖體充分吸附瓦斯，期間應(yīng)加強室內(nèi)通風(fēng)，防止瓦斯積聚；第三步:調(diào)整沖擊重塊的高度和重量，釋放沖擊重塊，對密封加載盒的加載墊塊進行沖擊; 第四步:提起沖擊重塊，停止瓦斯供應(yīng)，卸去柔性加載系統(tǒng)的荷載，打開密封加載盒，取出煤樣試件， 記錄分析其破壞情況。
【文檔編號】G01N33/00GK103454386SQ201310425633
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年9月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月18日
【發(fā)明者】王剛, 吳學(xué)震, 蔣宇靜, 王春光 申請人:山東科技大學(xué)