沖擊載荷作用下含瓦斯煤滲流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型設(shè)及一種用于不同軸壓、不同圍壓、不同沖擊載荷作用條件下的含瓦 斯煤滲流特性的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，用于模擬和研究煤礦井下發(fā)生煤巖動(dòng)力災(zāi)害條件的含瓦斯煤在 沖擊載荷作用下的滲流特性。
【背景技術(shù)】
[0002] 沖擊地壓又稱巖爆，是指煤礦井巷或回采工作面周圍處于高地應(yīng)力條件下的煤巖 體受到覆巖跨落或爆破擾動(dòng)發(fā)生破壞，并在破壞過程中受到圍巖的進(jìn)一步快速擠壓作用， 從而產(chǎn)生的彈性變形能瞬時(shí)釋放出巨大的能量而產(chǎn)生破壞的礦井動(dòng)力現(xiàn)象，在此過程中煤 層的力學(xué)性質(zhì)會(huì)產(chǎn)生巨大變化，甚至導(dǎo)致煤與瓦斯突出等煤巖動(dòng)力災(zāi)害。
[0003] 煤層除了受煤層瓦斯壓力、地應(yīng)力、煤體物理力學(xué)性質(zhì)、圍巖結(jié)構(gòu)、地下水和地溫 等諸多因素影響外，還在很大程度上受到煤礦開采過程中機(jī)械振動(dòng)、爆破、地震W及沖擊地 壓產(chǎn)生的沖擊載荷的影響，從而使煤體的滲流特性產(chǎn)生不同程度的變化，影響煤礦井下正 常的回采作業(yè)。W往的相似實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還沒有對含瓦斯煤在施加沖擊載荷前后滲流特性的變 化進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004] 本實(shí)用新型目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷，提供一種沖擊載荷作用下含瓦斯煤滲流 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案：
[0006] 一種沖擊載荷作用下含瓦斯煤滲流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其包括煤樣固定裝置、沖擊載荷加 載裝置和與煤樣固定裝置相連接的高壓氣源裝置、軸壓加載裝置、圍壓加載裝置、抽真空裝 置W及計(jì)量和數(shù)據(jù)采集裝置；所述沖擊載荷加載裝置為分離式霍普金森壓桿裝置；所述高 壓氣源裝置由順次連接的高壓瓦斯罐、減壓閥、第一閥口、第一氣壓表和=通閥組成，=通 閥的另外兩端通過管路分別連接抽真空裝置和煤樣固定裝置的氣體入口；所述軸壓加載裝 置由順次連接的軸壓油累、第一壓力調(diào)節(jié)閥、第二閥口和第一液壓表組成，所述第一液壓表 通過管路與煤樣固定裝置的軸壓注油口相連接；所述圍壓加載裝置由順次連接的圍壓油 累、第二壓力調(diào)節(jié)閥、第=閥口和第二液壓表組成，所述第二液壓表通過管路與煤樣固定裝 置的圍壓注油口相連接；所述計(jì)量和數(shù)據(jù)采集裝置由順次連接的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、氣體體積 流量計(jì)、第四閥口和第二氣壓表組成，所述第二氣壓表與煤樣固定裝置的氣體出口相連接。
[0007] 具體的，所述煤樣固定裝置由煤樣室和固定于煤樣室上方的軸壓缸體組成；所述 軸壓缸體內(nèi)設(shè)有帶壓力傳感器的軸向加載桿，軸向加載桿的一端伸出軸壓缸體外且與分離 式霍普金森壓桿裝置處于同一水平面，另一端伸入煤樣室內(nèi)，軸向加載桿的中部設(shè)有與軸 向加載桿相垂直的密封板，密封板的兩端通過密封圈與軸壓缸體的內(nèi)壁密封連接；所述軸 壓缸體上方設(shè)有位移傳感器，軸壓缸體的側(cè)壁設(shè)有兩個(gè)軸壓注油口，兩個(gè)軸壓注油口分別 位于密封板的上、下方，軸壓缸體的側(cè)壁還開設(shè)有氣體入口；所述煤樣室包括位于煤樣室底 部的可拆卸承壓擋板和位于煤樣室內(nèi)部設(shè)有中空煤樣型腔的密封膠套，密封膠套外側(cè)壁開 設(shè)有凹槽且該凹槽與煤樣室內(nèi)側(cè)壁形成環(huán)形圍壓油腔，煤樣置于密封膠套的中空煤樣型腔 內(nèi)且與環(huán)形圍壓油腔相隔離，密封膠套的下方設(shè)置密封墊；煤樣型腔的頂部設(shè)有第一多孔 板，煤樣型腔的底部設(shè)有第二多孔板，軸壓缸體的氣體入口通過軸向加載桿內(nèi)部的氣體管 路與煤樣型腔頂部的第一多孔板相連通，伸入煤樣室的軸向加載桿的端部與第一多孔板壓 接；煤樣室側(cè)壁設(shè)有圍壓注油口和氣體出口，煤樣室的氣體出口通過承壓擋板內(nèi)部的氣體 管路與煤樣型腔底部的第二多孔板相連通。具體的，所述抽真空裝置由順次連接的真空累 和第五閥口組成。
[000引使用上述系統(tǒng)進(jìn)行沖擊載荷作用下含瓦斯煤滲流實(shí)驗(yàn)的方法，其包括如下步驟：
[0009] 1)連接好實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并檢測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的氣密性；
[0010] 2)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備；將煤樣放入干燥箱中恒溫干燥處理，取出、冷卻后備用；
[0011] 3)固定煤樣：將準(zhǔn)備好的煤樣裝入煤樣固定裝置；
[0012] 4)真空脫氣；在保證系統(tǒng)連接正確、氣密性良好的情況下，打開抽真空裝置對煤樣 進(jìn)行真空脫氣處理；
[0013] 5)提供=維應(yīng)力環(huán)境；真空脫氣處理完成后，對煤樣施加預(yù)定的軸壓和圍壓；
[0014] 6)沖擊滲流過程；向煤樣中充入預(yù)定壓力的瓦斯氣體，同時(shí)開啟計(jì)量和數(shù)據(jù)采集 裝置，穩(wěn)定后利用分離式霍普金森壓桿裝置對煤樣固定裝置施加沖擊載荷，同時(shí)計(jì)量并采 集數(shù)據(jù)；
[0015] 7)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理；利用擬壓法評(píng)估實(shí)驗(yàn)過程中含瓦斯煤滲流滲透率大小，公式具 體如下： 國…
[0017] 式中；fg為氣體滲透率；得為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的氣體體積流量；和玄分別為平均氣體 動(dòng)力黏度和平均壓縮因子(即偏差因子);Z為多孔介質(zhì)滲流長度；乂％多孔介質(zhì)橫截面積；A 為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的氣體壓力；A為煤樣固定裝置的氣體入口端壓力；A為煤樣固定裝置的氣 體出口端壓力；巧J實(shí)驗(yàn)環(huán)境絕對溫度；r。為標(biāo)準(zhǔn)狀況下絕對溫度；
[0018] 8)通過改變實(shí)驗(yàn)過程中的圍壓、軸壓、瓦斯壓力和沖擊載荷的大小、沖擊速度等條 件可W得出不同實(shí)驗(yàn)條件下的含瓦斯煤滲流特性及其規(guī)律。
[0019] 本實(shí)用新型克服目前現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段的不足，提供一種沖擊載荷作用下含瓦斯 煤滲流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和方法，通過施加不同的軸向應(yīng)力和徑向應(yīng)力，可W模擬煤礦井下煤巖體 =維受載條件，同時(shí)通過施加沖擊載荷，實(shí)現(xiàn)含瓦斯煤在沖擊載荷作用下的滲流特性的實(shí) 驗(yàn)研究。本實(shí)用新型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，煤樣固定裝置用于固定和密封煤樣，使之處于合適的實(shí)驗(yàn) 環(huán)境；高壓氣源裝置用于提供不同壓力的瓦斯氣體；沖擊載荷加載裝置（即分離式霍普金 森壓桿裝置)用于提供沖擊載荷；軸壓加載裝置用于提供不同大小的軸向壓力；圍壓加載裝 置用于給煤樣施加預(yù)定的圍壓；抽真空裝置用于對煤樣進(jìn)行抽真空，排除實(shí)驗(yàn)過程中雜質(zhì) 氣體等對實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能造成的干擾；計(jì)量和數(shù)據(jù)采集裝置用于對實(shí)驗(yàn)過程中的應(yīng)力、位移、 瓦斯壓力W及瓦斯氣體的流量等數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)量和實(shí)時(shí)監(jiān)測。
[0020] 對煤樣同時(shí)施加圍壓和軸向壓力，能對在不同軸壓和不同圍壓條件下含瓦斯煤在 施加沖擊載荷之后滲流特性的變化進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，主要用于模擬研究井下沖擊地壓的作用 條件下含瓦斯煤孔隙率和瓦斯氣體在煤中的滲流特性的變化，為煤礦瓦斯災(zāi)害防治提供實(shí) 驗(yàn)研究手段。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用分離式霍普金森壓桿裝置對含瓦斯煤樣施加沖擊載荷模擬沖 擊地壓，實(shí)現(xiàn)沖擊載荷作用下含瓦斯煤的滲透行為的模擬，同時(shí)通過數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)連續(xù)采集裝 置，可W準(zhǔn)確觀測到含瓦斯煤樣滲透率的變化發(fā)展趨勢，
[0021] 本實(shí)用新型的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)既考慮了含瓦斯煤的S維應(yīng)力受載環(huán)境，同時(shí)也考慮了施 加沖擊載荷前后含瓦斯煤滲透特性的變化關(guān)系，通過數(shù)據(jù)的采集和處理可W得到各種組合 實(shí)驗(yàn)條件下準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果。借助本實(shí)用新型所述的沖擊載荷作用下含瓦斯煤滲流 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不僅能夠研究沖擊載荷作用下含瓦斯煤的滲流特性變化規(guī)律，還可W用于不同= 維應(yīng)力環(huán)境下煤在沖擊載荷作用下的裂隙和孔隙等變化的研究。本實(shí)用新型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有 結(jié)構(gòu)合理、操作簡便、測量準(zhǔn)確、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。本實(shí)用新型豐富了對沖擊載荷作用條件 含瓦斯煤樣滲流特性的實(shí)驗(yàn)研究技術(shù)和方法。
【附圖說明】
[0022] 圖1為本實(shí)用新型所述含瓦斯煤滲流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中，1為煤樣固定 裝置；2為高壓瓦斯罐；3為減壓閥；4為第五閥口；5為第一壓力調(diào)節(jié)閥；6為第二壓力調(diào)節(jié) 閥；7為第一閥口；8為第二閥口；9為第S閥口；10為第四閥口；11為第一氣壓表；12為第 一液壓表；13為第二液壓表；14為第二氣壓表；15為=通閥；16為真空累；17為軸壓油累； 18為圍壓油累；19為氣體體積流量計(jì)；20為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；21為分離式霍普金森壓桿裝 置；
[0023] 圖2為圖1中的煤樣固定裝置順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中，1-1為軸向加 載桿；1-2.為壓力傳感器；1-3為位移傳感器；1-4為軸壓缸體；1-5為密封圈；1-6為氣體 入口；1-7為密封板；1-8為第一多孔板；1-9為密封膠套；1-10為實(shí)驗(yàn)煤樣；1-11為第二多 孔板；1-12為氣體出口； 1-13為密封墊；1-14為承壓擋板；1-15為軸壓注油口； 1-16為煤 樣室；1-17為圍壓注油口。
【具體實(shí)施方式】
[0024] W下結(jié)合實(shí)施例對本實(shí)用新型的技術(shù)方案作進(jìn)一步地詳細(xì)介紹，但本實(shí)用新型的 保護(hù)范圍并不局限于此。
[00巧]實(shí)施例1
[0026] 如圖1和2所示，一種沖擊載荷作用下含瓦斯煤滲流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其包括煤樣固定裝 置1、沖擊載荷加載裝置和與煤樣固定裝置1相連接的高壓氣源裝置、軸壓加載裝置、圍壓 加載裝置、抽真空裝置W及計(jì)量和數(shù)據(jù)采集裝置；所述沖擊載荷加載裝置為分離式霍普金 森壓桿裝置21 ;所述高壓氣源裝置由順次連接的高壓瓦斯罐2、減壓閥3、第一閥口 7、第一 氣壓表11和=通閥15組成，=通閥15的另外兩端通過管路分別連接抽真空裝置和煤樣固 定裝置1的氣體入口 1-6 ;所述軸壓加載裝置由順次連接的軸壓油累17、第一壓力調(diào)節(jié)閥 5、第二閥口 8和第一液壓表12組成，所述第一液壓表12通過管路與煤樣固定裝置1的軸 壓注油口 1-15相連接；所述圍壓加載裝置由順次連接的圍壓油累18、第二壓力調(diào)節(jié)閥6、第 =閥口 9和第二液壓表13組成，所述第二液壓表13通過管路與煤樣固定裝置1的圍壓注 油口 1-17相連接；所述計(jì)量和數(shù)據(jù)采集裝置由順次連接的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)20、氣體體積流量 計(jì)19、第