圓孔周圍瓦斯?jié)B透實驗裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種圓孔周圍瓦斯?jié)B透實驗裝置，其特征在于包括密封加載盒、滲透試件、油壓密封系統(tǒng)、瓦斯供應系統(tǒng)和瓦斯平衡系統(tǒng)；本發(fā)明的依據(jù)在于圓孔周圍煤巖體滲透規(guī)律可以認為是軸對稱的，取其一部分進行試驗即可反映圍巖整體的滲透性質(zhì)，相對于全斷面實驗裝置，可以開展大比例尺的實驗研究；本發(fā)明通過簡單加載即可使試件達到類似現(xiàn)場條件的受力狀態(tài)，可以考慮孔洞周圍煤巖體破碎情況對滲透規(guī)律的影響，具有結(jié)構(gòu)簡單，試驗成本低的特點。本發(fā)明對于圓孔周圍特定應力條件下，煤巖體中瓦斯?jié)B透、吸附、析解規(guī)律的研究具有重要意義。
【專利說明】圓孔周圍瓦斯?jié)B透實驗裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及煤礦開采過程中瓦斯在煤層中滲透規(guī)律的研究，尤其涉及一種圓孔周圍瓦斯?jié)B透實驗裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]對于高瓦斯煤礦，在煤層開采之前要對其進行瓦斯抽放，目前采用的瓦斯抽放方法一般是向煤層鉆進抽放孔。根據(jù)煤層的滲透特性，選擇合適的鉆孔直徑、鉆孔深度和間排距具有重要意義。另外，煤礦回采巷道一般在煤層中開掘，巷道周圍煤體中的瓦斯大量溢出，極易造成瓦斯超標，因此有必要對巷道周圍瓦斯?jié)B透規(guī)律進行深入研究。瓦斯抽放孔屬于標準圓形結(jié)構(gòu)，而巷道則可以認為是近似圓形結(jié)構(gòu)，因此上述課題可以歸結(jié)為圓孔周圍瓦斯?jié)B透規(guī)律的研究問題。
[0003]煤巖體的應力、應變狀態(tài)以及裂隙發(fā)育規(guī)律對其滲透性有非常顯著的影響?？锥撮_挖后，原始的應力應變狀態(tài)被打破，開挖空間周圍產(chǎn)生明顯的應力集中。圍巖應力集中既會使一部分原有裂隙閉合，又會誘發(fā)產(chǎn)生更多新的裂隙，新裂隙不斷擴展會使煤體更加破碎，開挖造成破碎區(qū)對瓦斯?jié)B透規(guī)律產(chǎn)生很大影響。影響開挖破碎區(qū)范圍的因素包括:原巖應力、煤體強度、開挖尺寸和瓦斯壓力等。
[0004]由于煤礦井下地質(zhì)條件非常復雜，在工程設(shè)計階段無法進行大量的現(xiàn)場試驗和測試，而模型試驗是解決圓孔周圍瓦斯?jié)B透規(guī)律的有效方法。目前還沒有專門用于研究圓孔周圍煤體瓦斯?jié)B透規(guī)律的實驗裝置。常規(guī)的瓦斯?jié)B透實驗裝置，無論是三軸試驗還是單軸試驗，都是將試件加工成圓柱形或立方體形，通過加載使其處于均勻的三軸或單軸應力狀態(tài)下，進而測試其滲透率，只能模擬均勻應力場，不未能考慮孔洞開挖導致的應力集中以及圍巖破碎的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種圓孔周圍瓦斯?jié)B透實驗裝置。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
一種圓孔周圍瓦斯?jié)B透實驗裝置，其特征在于包括密封加載盒、滲透試件、油壓密封系統(tǒng)、瓦斯供應系統(tǒng)和瓦斯平衡系統(tǒng)；
所述的密封加載盒，包括V型槽、側(cè)擋板、加載墊塊、上蓋板和橡膠墊；
所述的V型槽為整體結(jié)構(gòu)，包括底板和兩個側(cè)壁，側(cè)壁內(nèi)表面與水平面呈一定傾角，在每個側(cè)壁內(nèi)表面預留上、下兩條水平槽，用于容置密封圈，底板下表面與試驗機加載裝置接觸，承受其壓力；
所述的側(cè)擋板，包括第一側(cè)擋板和第二側(cè)擋板，分別固定在V型槽的前后兩側(cè)，其內(nèi)表面分別與煤樣試件的前后表面接觸，作用在于防止煤樣試件發(fā)生軸向變形以滿足平面應變狀態(tài)的要求，同時防止V型槽的側(cè)壁向兩側(cè)變形，每個側(cè)擋板內(nèi)表面預留上、下兩條弧形槽，用于容置密封圈，并在第二側(cè)擋板上預留上下兩個密封圈的注液口，以及瓦斯出孔；
所述的加載墊塊，上半部分為圓柱體結(jié)構(gòu)，并在其內(nèi)部預留瓦斯注入孔；下半部分為圓弧形鋼板，并在下表面設(shè)有縱橫交叉的導氣槽，導氣槽與瓦斯注入孔連通，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V型槽內(nèi)表面間留有空隙，防止加載過程中兩者發(fā)生擠壓；
所述的上蓋板，與V型槽和側(cè)擋板的上表面相連，其中間留有圓形孔，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，既保證圓柱體結(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；
所述的橡膠墊安裝在V型槽、側(cè)擋板、上蓋板互相接觸的部位，其作用在于防止瓦斯從構(gòu)件接縫處溢出，改善密封效果；
所述滲透試件，上下表面為同軸圓弧面，前后側(cè)面垂直于水平面，左右側(cè)面傾角與V型槽側(cè)壁內(nèi)表面匹配，四個側(cè)面均涂有704硅橡膠以保證其氣密性；
所述的油壓密封系統(tǒng)，包括密封圈、手動油壓泵、供油管路和壓力表；密封圈為中空體，中空體內(nèi)可以注入傳遞壓力的液態(tài)物質(zhì)，密封圈通過聚氨酯橡膠澆筑模壓成型，安裝在V型槽和側(cè)擋板內(nèi)表面預留的上、下兩槽中；根據(jù)壓力表讀數(shù)，通過手動油壓泵對密封圈加壓；
所述的瓦斯供應系統(tǒng)，包括瓦斯供應罐、第一高壓管、第一閥門、氣體壓力泵、第二高壓管、第二閥門、第一壓力表、第一流量計；瓦斯供應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、第一壓力表和第一流量計；
所述的瓦斯平衡系統(tǒng)，包括第一出氣管、第二流量計、第二壓力表、第三閥門、真空泵、第二出氣管、第四閥門、氣體儲存罐；密封加載盒側(cè)擋板上的瓦斯出孔與真空泵通過第一出氣管連接，并在第一出氣管上設(shè)有第二流量計、第二壓力表、第三閥門；真空泵和氣體儲存罐通過第二出氣管相連，并在第二出氣管上設(shè)有第四閥門。
[0007]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；計算機通過USB接口與主控箱相連，主控箱通過導線與數(shù)據(jù)采集儀、豎向加載裝置、氣體壓力泵和真空泵相連，數(shù)據(jù)采集儀通過導線第一壓力表、第一流量計、第二壓力表和第二流量計相連。
[0008]本發(fā)明的原理是:
圓孔周圍煤巖體滲透規(guī)律可以認為是軸對稱的，取其一部分(即本發(fā)明所述滲透試件)進行試驗即可反映圍巖整體的滲透性質(zhì)，相對于全斷面實驗裝置，可以開展大比例尺的實驗研究。
[0009]本發(fā)明所述的密封加載盒通過內(nèi)部施加壓力，外部構(gòu)造形成兩個密封腔的方法，結(jié)合油壓密封系統(tǒng)解決了運動加載過程中密封困難的問題，通過控制兩個腔體瓦斯壓力來研究瓦斯在圓孔周圍的滲透規(guī)律。
[0010]本發(fā)明通過簡單加載即可使試件達到類似現(xiàn)場條件的受力狀態(tài)，可以考慮孔洞周圍煤巖體破碎情況對滲透規(guī)律的影響，具有結(jié)構(gòu)簡單，試驗成本低的特點。對于圓孔周圍特定應力條件下，煤巖體中瓦斯?jié)B透、吸附、析解規(guī)律的研究具有重要意義?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0011]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)明的力學原理圖；
圖2為本發(fā)明的主體結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為本發(fā)明所述第二側(cè)擋板的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0012]結(jié)合附圖1，本發(fā)明的原理是:圓孔周圍煤巖體滲透規(guī)律可以認為是軸對稱的，取其一部分(即本發(fā)明所述滲透試件5)進行試驗即可反映圍巖整體的滲透性質(zhì)，相對于全斷面實驗裝置，可以開展大比例尺的實驗研究。
[0013]結(jié)合附圖2和3，一種圓孔周圍瓦斯?jié)B透實驗裝置，包括密封加載盒、滲透試件5、油壓密封系統(tǒng)、瓦斯供應系統(tǒng)、瓦斯平衡系統(tǒng)和測量控制系統(tǒng)。
[0014]所述的密封加載盒，包括V型槽1、側(cè)擋板2、加載墊塊3、上蓋板4和橡膠墊。
[0015]所述的V型槽I為整體結(jié)構(gòu)，包括底板和兩個側(cè)壁，側(cè)壁內(nèi)表面與水平面呈一定傾角，在每個側(cè)壁內(nèi)表面預留上、下兩條水平槽la，用于容置密封圈，底板下表面與試驗機加載裝置接觸，承受其壓力。
[0016]所述的側(cè)擋板2，包括第一側(cè)擋板和第二側(cè)擋板，分別固定在V型槽的前后兩側(cè)，其內(nèi)表面分別與煤樣試件的前后表面接觸，作用在于防止煤樣試件發(fā)生軸向變形以滿足平面應變狀態(tài)的要求，同時防止V型槽的側(cè)壁向兩側(cè)變形，每個側(cè)擋板內(nèi)表面預留上、下兩條弧形槽2a，用于容置密封圈，并在第二側(cè)擋板上預留上下兩個密封圈的注液口，以及瓦斯出孔2b ο
[0017]所述的加載墊塊3，上半部分為圓柱體結(jié)構(gòu)，并在其內(nèi)部預留瓦斯注入孔3a ;下半部分為圓弧形鋼板，并在下表面設(shè)有縱橫交叉的導氣槽3b，導氣槽與瓦斯注入孔連通，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V型槽內(nèi)表面間留有空隙3c，防止加載過程中兩者發(fā)生擠壓。
[0018]所述的上蓋板4，與V型槽I和側(cè)擋板2的上表面相連，其中間留有圓形孔，加載墊塊3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，既保證圓柱體結(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。
[0019]所述的橡膠墊安裝在V型槽1、側(cè)擋板2、上蓋板3互相接觸的部位，其作用在于防止瓦斯從構(gòu)件接縫處溢出，改善密封效果。
[0020]所述滲透試件5，上下表面為同軸圓弧面，前后側(cè)面垂直于水平面，左右側(cè)面傾角與V型槽側(cè)壁內(nèi)表面匹配，四個側(cè)面均涂有704硅橡膠以保證其氣密性。
[0021]所述的油壓密封系統(tǒng)，包括密封圈、手動油壓泵、供油管路和壓力表；密封圈為中空體，中空體內(nèi)可以注入傳遞壓力的液態(tài)物質(zhì)，密封圈通過聚氨酯橡膠澆筑模壓成型，安裝在V型槽和側(cè)擋板內(nèi)表面預留的上、下兩槽中；根據(jù)壓力表讀數(shù)，通過手動油壓泵對密封圈加壓。
[0022]所述的瓦斯供應系統(tǒng)，包括瓦斯供應罐、第一高壓管、第一閥門、氣體壓力泵、第二高壓管、第二閥門、第一壓力表、第一流量計；瓦斯供應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、第一壓力表和第一流量計。
[0023]所述的瓦斯平衡系統(tǒng)，包括第一出氣管、第二流量計、第二壓力表、第三閥門、真空泵、第二出氣管、第四閥門、氣體儲存罐；密封加載盒側(cè)擋板上的瓦斯出孔與真空泵通過第一出氣管連接，并在第一出氣管上設(shè)有第二流量計、第二壓力表、第三閥門；真空泵和氣體儲存罐通過第二出氣管相連，并在第二出氣管上設(shè)有第四閥門。
[0024]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；計算機通過USB接口與主控箱相連，主控箱通過導線與數(shù)據(jù)采集儀、豎向加載裝置、氣體壓力泵和真空泵相連，數(shù)據(jù)采集儀通過導線第一壓力表、第一流量計、第二壓力表和第二流量計相連。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)。
[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包含在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種圓孔周圍瓦斯?jié)B透實驗裝置，其特征在于:包括密封加載盒、滲透試件、油壓密封系統(tǒng)、瓦斯供應系統(tǒng)和瓦斯平衡系統(tǒng)； 所述的密封加載盒，包括V型槽、側(cè)擋板、加載墊塊、上蓋板和橡膠墊； 所述的V型槽為整體結(jié)構(gòu)，包括底板和兩個側(cè)壁，側(cè)壁內(nèi)表面與水平面呈一定傾角，在每個側(cè)壁內(nèi)表面預留上、下兩條水平槽； 所述的側(cè)擋板，包括第一側(cè)擋板和第二側(cè)擋板，分別固定在V型槽的前后兩側(cè)，每個側(cè)擋板內(nèi)表面預留上、下兩條弧形槽，在第二側(cè)擋板上預留上下兩個密封圈的注液口，以及瓦斯出孔； 所述的加載墊塊，上半部分為圓柱體結(jié)構(gòu)，并在其內(nèi)部預留瓦斯注入孔；下半部分為圓弧形鋼板，并在下表面設(shè)有縱橫交叉的導氣槽，導氣槽與瓦斯注入孔連通，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V型槽內(nèi)表面間留有空隙； 所述的上蓋板，與V型槽和側(cè)擋板的上表面相連，其中間留有圓形孔，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； 所述的橡膠墊安裝在V型槽、側(cè)擋板、上蓋板互相接觸的部位； 所述滲透試件，上下表面為同軸圓弧面，前后側(cè)面垂直于水平面，左右側(cè)面傾角與V型槽側(cè)壁內(nèi)表面匹配，四個側(cè)面均涂有704硅橡膠以保證其氣密性； 所述的油壓密封系統(tǒng)，包括密封圈、手動油壓泵、供油管路和壓力表；密封圈為中空體，中空體內(nèi)可以注入傳遞壓力的液態(tài)物質(zhì)，密封圈通過聚氨酯橡膠澆筑模壓成型，安裝在V型槽和側(cè)擋板內(nèi)表面預留的上、下兩槽中； 所述的瓦斯供應系統(tǒng)，包括瓦斯供應罐、第一高壓管、第一閥門、氣體壓力泵、第二高壓管、第二閥門、第一壓力表、第一流量計；瓦斯供應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、第一壓力表和第一流量計； 所述的瓦斯平衡系統(tǒng)，包括第一出氣管、第二流量計、第二壓力表、第三閥門、真空泵、第二出氣管、第四閥門、氣體儲存罐；密封加載盒側(cè)擋板上的瓦斯出孔與真空泵通過第一出氣管連接，并在第一出氣管上設(shè)有第二流量計、第二壓力表、第三閥門；真空泵和氣體儲存罐通過第二出氣管相連，并在第二出氣管上設(shè)有第四閥門。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種深埋圓形隧洞簡易模型試驗裝置，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；計算機通過USB接口與主控箱相連，主控箱通過導線與數(shù)據(jù)采集儀、豎向加載裝置、氣體壓力泵和真空泵相連，數(shù)據(jù)采集儀通過導線第一壓力表、第一流量計、第二壓力表和第二流量計相連。
【文檔編號】G01N15/08GK103471960SQ201310425839
【公開日】2013年12月25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】吳學震, 蔣宇靜, 王剛, 王春光 申請人:山東科技大學