高壓氣體環向對稱瞬時卸壓破煤實驗裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種高壓氣體環向對稱瞬時卸壓破煤實驗裝置，包括上部開有試驗腔的試驗缸，在試驗缸上固定插有活塞桿的蓋體，在試驗缸上還開有四個周向均布的卸壓孔，在卸壓孔外連接有由直線段、大圓弧段和四個小圓弧段構成的卸壓通道，其中直線段的一端安裝有爆破片，直線段的另一端連接在大圓弧段中部，小圓弧段兩兩一組連接在大圓弧段的兩端，每組中兩個小圓弧段的另一端各自與兩個相鄰卸壓孔相連；在試驗缸內側壁上安裝有溫度傳感器和壓力傳感器，在試驗缸側壁上還連接有氣體管道，氣體管道的另一端與高壓氣瓶和真空泵相連。上述結構避免了各卸壓孔分別安裝爆破片難以同時爆破的問題，使高壓氣體的卸壓速度更快，效率更高。
【專利說明】高壓氣體環向對稱瞬時卸壓破煤實驗裝置
【技術領域】
[0001]本發明屬于采礦【技術領域】，具體地講，特別涉及一種高壓氣體環向對稱瞬時卸壓破煤實驗裝置。
【背景技術】
[0002]煤與瓦斯突出事故是指煤礦開采過程中，在地應力、瓦斯壓力和煤巖物理力學性質三者綜合作用下，破碎的煤和瓦斯由煤體或巖體內突然向采掘空間拋出的異常動力現象。表現為幾噸至數千噸甚至達萬噸以上的破碎煤巖在數秒至幾十秒時間內，由煤巖體向采掘空間拋出，同時伴有大量瓦斯涌出，給礦井安全生產帶來極大的危害。如此巨大的能量是如何聚集，又是如何耗散的呢？故需要一種實驗裝置，能夠模擬煤在高壓瓦斯環境里吸附一段時間，再突然卸壓的過程。通過觀察卸壓后煤的破碎程度，進而計算吸附瓦斯解吸過程破碎煤的能力；同時監測卸壓過程中氣體壓力變化和溫度變化。從而進一步分析煤與瓦斯突出的能量源和能量耗散規律，為更好地預測和預防煤與瓦斯突出提供理論依據。
[0003]現有的煤與瓦斯突出試驗主要分為大型的突出模擬裝置和小型突出模擬裝置，大型模擬裝置能很好地模擬型煤的突出，但是用來模擬高壓吸附瓦斯瞬間卸壓破煤較不方便；小型的模擬裝置試驗缸的卸壓口普遍只有一個，有的在圓柱狀試驗缸一端沿軸向開設，有的在圓柱狀試驗缸一端沿徑向開設，這類只開設一個卸壓口的試驗缸均存在卸壓時試樣受力不均衡、卸壓速度慢等問題。
[0004]本 申請人:于2013年12月24日提出的名為“高壓瓦斯破煤實驗裝置”的發明專利申請，提出了一種在圓柱狀試驗缸外開有沿徑向對稱開設兩個的卸壓口的實驗裝置，使試驗缸的卸壓更加均衡，但是該申請中兩個卸壓口各自安裝爆破片，由于爆破片額定爆破壓力有誤差，在實驗中即使是額定爆破壓力相同的兩個爆破片都很難實現同時爆破，通常是只有一個爆破片爆破，高壓氣體卸壓速度慢、卸壓時試樣受力不均勻等問題仍然存在。
【發明內容】
[0005]本發明所要解決的技術問題在于提供一種卸壓快的高壓氣體環向對稱瞬時卸壓破煤實驗裝置。
[0006]本發明的技術方案如下:一種高壓氣體環向對稱瞬時卸壓破煤實驗裝置，包括圓柱狀的試驗缸，在所述試驗缸上部開有與試驗缸同軸的圓柱狀試驗腔，在所述試驗缸上端固定有蓋體，在所述蓋體上插有活塞桿，所述活塞桿的中心線與試驗腔的中心線重合，在所述試驗缸上還開有四個周向均布的卸壓孔，所述卸壓孔的內孔口與試驗腔連通，在四個所述卸壓孔外連接有卸壓通道，所述卸壓通道包括直線段、大圓弧段和四個小圓弧段，其中直線段的一端安裝有爆破片，直線段的另一端連接在大圓弧段的中部，所述小圓弧段兩兩一組連接在大圓弧段的兩端，每組中兩個小圓弧段的一端交匯并與大圓弧段的對應端頭相連，每組中兩個小圓弧段的另一端各自與兩個相鄰的卸壓孔相連；在所述試驗缸的內側壁上還安裝有溫度傳感器和壓力傳感器，在所述試驗缸的側壁上還開有氣孔，所述氣孔上連接有氣體管道，所述氣體管道的另一端與高壓氣瓶和真空泵相連。
[0007]采用上述結構，在試驗缸的側壁上開設四個周向均布的卸壓孔，四個卸壓孔與同一卸壓通道相連，所述卸壓通道上只安裝有一個爆破片，從而解決了各個卸壓孔分別安裝爆破片難以同時爆破的問題，使高壓氣體的卸壓速度更快，卸壓效果更好，從而實現高壓氣體瞬時卸壓破煤。并且，卸壓通道包括直線段、大圓弧段和四個小圓弧段，不僅使卸壓通道的結構簡單、強度可靠，而且平滑的大圓弧段和小圓弧段使氣體的排出更加順暢，卸壓更加快速。再則，通過同一氣體管道連接真空泵和高壓氣瓶，減少了在試驗缸上的開孔，有利于提高試驗缸的強度，更加適用于高壓氣體瞬時卸壓破煤實驗。安裝在試驗缸內側壁上的溫度傳感器和壓力傳感器，可以實時監測試驗缸內氣體壓力和溫度變化。試驗時，先將試樣裝入試驗腔，固定好蓋體，然后通過真空泵抽一段時間真空，關閉真空泵，再從高壓氣瓶充入一定量的瓦斯氣體控制瓦斯壓力不變，讓煤試樣充分吸附瓦斯后，再次充入瓦斯氣體，使瓦斯壓力達到爆破片額定爆破壓力，爆破片破壞，即完成一次卸壓實驗；也可通過活塞桿給試樣施加一定壓力，然后重復上述的操作完成實驗，從而通過活塞桿模擬地應力作用，完成地應力作用下的瞬時卸壓實驗。為了達到更佳的實驗效果，試樣采用與試驗缸同軸的圓柱體，并且試樣的直徑比試驗腔內徑小的l_2mm。
[0008]四個所述小圓弧段完全相同，每組中的兩個小圓弧段相向布置；并且所述直線段、大圓弧段和四個小圓弧段的內徑相等。四個完全相同的小圓弧段，使每一卸壓孔到爆破片的距離相等；并且直線段、大圓弧段和四個小圓弧段的內徑相等，使每一卸壓孔的氣流通道完全相同，二者相結合使各個卸壓孔的卸壓作用完全相等，使試樣周向受力更加均衡，實驗效果更加準確。再則，每組中的兩個小圓弧段相向布置，使氣體的流出更加順暢，卸壓更加快速。
[0009]所述直線段、大圓弧段和四個小圓弧段成一體。卸壓通道的強度更高。
[0010]所述活塞桿的下端面呈向上凹的半球面，該半球面的半徑與活塞桿的半徑相同，在所述試驗腔內還設置有加載頭，所述加載頭從上到下由半球段、小圓柱段和大圓柱段構成，其中半球段呈向上拱的半球形，所述半球段的半徑與活塞桿的半徑相同，半球段的中心線與活塞桿的中心線重合，半球段的下端與小圓柱段的上端相連，所述小圓柱段的中心線與半球段的中心線重合，并且小圓柱段的半徑與半球段的半徑相同，在所述小圓柱段的下端連接有同軸的大圓柱段，所述大圓柱段的半徑與試驗腔的半徑相同。這樣設置加載頭，在通過活塞對試樣進行加壓時，避免了端部效應產生局部應力集中，使試樣的受力更加均勻，更加準確地模擬地應力作用。
[0011]所述卸壓孔呈圓形，該卸壓孔的直徑d = Η-h，其中H為試驗腔的高度，h為加載頭大圓柱段的高度。卸壓孔的直徑值設置為試驗腔與加載頭圓柱段之間的高度差，而實驗試樣的高度也為試驗腔與加載頭圓柱段之間的高度差，這就使試樣軸向受力更加均衡，進一步提高了卸壓的速度和效率。當然，如果不需要進行地應力作用的模擬，也可以不設置加載頭和活塞桿，這樣相當于加載頭大圓柱段的高度為零，試樣的高度、試驗腔的高度和卸壓孔的直徑值均相同。
[0012]所述爆破片通過夾持器安裝在直線段的相應端頭，爆破片呈向外凸的拱形圓片，并且爆破片為316L(YCA80-1.0?9.0-SS)的不銹鋼。爆破片的安裝結構簡單，爆破片的規格為316L(YCA80-1.0?9.0-SS)的不銹鋼，即爆破片所能承受的壓強為1.0?9.0MPa0
[0013]所述氣體管道分別通過第一連接管和第二連接管與高壓氣瓶和真空泵相連，其中第一連接管和第二連接管的一端交匯并與氣體管道連通，第一連接管的另一端與高壓氣瓶連接，第二連接管的另一端與真空泵連接。這樣通過同一氣體管道與高壓氣瓶和真空泵的連接結構簡單，操作容易。
[0014]在所述第一連接管上安裝有控制閥、壓力表和減壓閥，其中減壓閥靠近高壓氣瓶布置，控制閥靠近氣體管道布置，壓力表位于減壓閥和控制閥之間。
[0015]在所述第二連接管上安裝有真空控制閥和開關，其中真空控制閥靠近氣體管道布置，開關靠近真空泵布置。
[0016]在所述活塞桿與蓋體之間墊有密封圈。
[0017]有益效果:本發明通過在試驗缸的側壁上開設四個周向均布的卸壓孔，四個卸壓孔與同一卸壓通道相連，所述卸壓通道上只安裝有一個爆破片，從而避免了各個卸壓孔分別安裝爆破片難以同時爆破的問題，確保了四個卸壓孔同時卸壓，使試驗腔內的高壓氣體能快速高效低卸壓。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1為本發明的結構示意圖。
[0019]圖2為圖1的A-A剖視圖。
[0020]圖3為爆破片的安裝結構示意圖。
[0021]圖4為加載頭的結構示意圖。
[0022]圖中標記如下:試驗缸1、試驗腔la、卸壓孔lb、溫度傳感器2、壓力傳感器3、加載頭4、半球段4a、小圓柱段4b、大圓柱段4c、蓋體5、活塞桿6、密封圈7、卸壓通道8、直線段8a、大圓弧段Sb、小圓弧段Sc、氣體管道9、第一連接管10、控制閥11、壓力表12、減壓閥13、高壓氣瓶14、第二連接管15、開關16、真空泵17、真空控制閥18、夾持器19和爆破片20。
【具體實施方式】
[0023]下面詳細描述本發明的實施例，所述的實施例示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述實施例是示例性的，旨在解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。在本發明的描述中，需要說明的是，對于方位詞，如有術語“上”、“下”、“內”、“外”等指示方位和位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于敘述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定方位構造和操作，不應理解為限制本發明的具體保護范圍。在本發明中，除另有明確規定和限定，如有術語“組裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術語應作廣義去理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；也可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以是通過中間媒介相連，可以是兩個元件內部相連通。對于本領域普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述的術語在本發明中的具體含義。在發明中，除非另有規定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接觸，也可以包括第一和第二特征不是直接接觸而是通過它們之間的另外特征接觸。而且，第一特征在第二特征“之上”、“之下”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或僅僅是表示第一特征水平高度高于第二特征的高度。第一特征在第二特征“之上”、“之下”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方或斜下方，或僅僅表示第一特征水平高度低于第二特征。
[0024]下面結合附圖，通過對本發明的【具體實施方式】作進一步的描述，使本發明的技術方案及其有益效果更加清楚、明確。
[0025]如圖1和圖4所示，本發明包括圓柱狀的試驗缸1，在所述試驗缸I上部開有與試驗缸I同軸的圓柱狀試驗腔la，在所述試驗缸I上端固定有蓋體5，在所述蓋體5上插有活塞桿6，所述活塞桿6的中心線與試驗腔Ia的中心線重合，并且在所述活塞桿6與蓋體5上部之間墊有密封圈7。所述活塞桿6的下端面呈向上凹的半球面，該半球面的半徑與活塞桿6的半徑相同。在所述試驗腔Ia內設置有加載頭4，所述加載頭4從上到下由半球段4a、小圓柱段4b和大圓柱段4c構成。其中，半球段4a呈向上拱的半球形，所述半球段4a的半徑與活塞桿6的半徑相同，半球段4a的中心線與活塞桿6的中心線重合，半球段4a的下端與小圓柱段4b的上端相連。所述小圓柱段4b的中心線與半球段4a的中心線重合，并且小圓柱段4b的半徑與半球段4a的半徑相同，在所述小圓柱段4b的下端連接有同軸的大圓柱段4c，所述大圓柱段4c的半徑與試驗腔Ia的半徑相同。使用過程中，圓柱狀的試樣放置在試驗腔Ia內，所述加載頭4位于試樣上方，所述蓋體5位于加載頭4上方，并且蓋體5的下端面與加載頭4大圓柱段4c的臺階面相抵，所述活塞桿6的下端與加載頭4的上端半球段4a相配合，使活塞桿6通過加載頭4對試樣進行加壓。
[0026]如圖1、圖2、圖3和圖4所示，在所述試驗缸I上還開有四個周向均布的卸壓孔Ib，所述卸壓孔Ib的內孔口與試驗腔Ia連通。所述卸壓孔Ib呈圓形，該卸壓孔Ib的直徑d =H-h，其中H為試驗腔Ia的高度，h為加載頭4大圓柱段4c的高度，從而使卸壓孔Ib的直徑與試樣的高度相同。在四個所述卸壓孔Ib外連接有卸壓通道8，所述卸壓通道8包括直線段8a、大圓弧段Sb和四個小圓弧段Sc。其中直線段8a的一端安裝有爆破片20。所述爆破片20通過夾持器19安裝在直線段8a的相應端頭，爆破片20呈向外凸的拱形圓片，并且爆破片20為316L(YCA80-1.0?9.0-SS)的不銹鋼，即爆破片20所能承受的壓強為1.0?9.0MPa0所述爆破片20的圓周夾持于夾持器19的上下閥體之間，所述夾持器19通過螺栓固定的直線段8a的對應端頭。所述直線段8a的另一端連接在大圓弧段Sb的中部。四個所述小圓弧段8c完全相同，并且所述小圓弧段Sc兩兩一組連接在大圓弧段Sb的兩端，每組中的兩個小圓弧段8c相向布置，每組中兩個小圓弧段Sc的一端交匯并與大圓弧段Sb的對應端頭相連，每組中兩個小圓弧段8c的另一端各自與兩個相鄰的卸壓孔Ib相連。所述直線段8a、大圓弧段Sb和四個小圓弧段Sc的內徑相等。并且所述直線段8a、大圓弧段Sb和四個小圓弧段8c成一體。
[0027]如圖1和圖2所示，在所述試驗缸I的內側壁上還安裝有溫度傳感器2和壓力傳感器3，所述溫度傳感器2和壓力傳感器3均與數據采集分析儀相連。在所述試驗缸I的側壁上還開有氣孔lc，所述氣孔Ic上連接有氣體管道9，所述氣體管道9的另一端與高壓氣瓶14和真空泵17相連。所述氣體管道9分別通過第一連接管10和第二連接管15與高壓氣瓶14和真空泵17相連，其中第一連接管10和第二連接管15的一端交匯并與氣體管道9連通，第一連接管10的另一端與高壓氣瓶14連接，第二連接管15的另一端與真空泵17連接。在所述第一連接管10上安裝有控制閥11、壓力表12和減壓閥13，其中減壓閥13靠近高壓氣瓶14布置，控制閥11靠近氣體管道9布置，壓力表12位于減壓閥13和控制閥11之間。在所述第二連接管15上安裝有真空控制閥18和開關16，其中真空控制閥18靠近氣體管道布置，開關16靠近真空泵17布置。
【權利要求】
1.一種高壓氣體環向對稱瞬時卸壓破煤實驗裝置，包括圓柱狀的試驗缸(1)，在所述試驗缸(I)上部開有與試驗缸(I)同軸的圓柱狀試驗腔(Ia)，在所述試驗缸(I)上端固定有蓋體(5)，在所述蓋體(5)上插有活塞桿￠)，所述活塞桿(6)的中心線與試驗腔(Ia)的中心線重合，其特征在于:在所述試驗缸(I)上還開有四個周向均布的卸壓孔(Ib)，所述卸壓孔(Ib)的內孔口與試驗腔(Ia)連通，在四個所述卸壓孔(Ib)外連接有卸壓通道(8)，所述卸壓通道(8)包括直線段(8a)、大圓弧段(Sb)和四個小圓弧段(Sc)，其中直線段(8a)的一端安裝有爆破片(20)，直線段(8a)的另一端連接在大圓弧段(Sb)的中部，所述小圓弧段(Sc)兩兩一組連接在大圓弧段(Sb)的兩端，每組中兩個小圓弧段(Sc)的一端交匯并與大圓弧段(8b)的對應端頭相連，每組中兩個小圓弧段(Sc)的另一端各自與兩個相鄰的卸壓孔(Ib)相連；在所述試驗缸(I)的內側壁上還安裝有溫度傳感器(2)和壓力傳感器(3)，在所述試驗缸(I)的側壁上還開有氣孔(Ic)，所述氣孔(Ic)上連接有氣體管道(9)，所述氣體管道(9)的另一端與高壓氣瓶(14)和真空泵(17)相連。
2.根據權利要求1所述的高壓氣體環向對稱瞬時卸壓破煤實驗裝置，其特征在于:四個所述小圓弧段(8c)完全相同，每組中的兩個小圓弧段(Sc)相向布置；并且所述直線段(8a)、大圓弧段(Sb)和四個小圓弧段(Sc)的內徑相等。
3.根據權利要求2所述的高壓氣體環向對稱瞬時卸壓破煤實驗裝置，其特征在于:所述直線段(8a)、大圓弧段(Sb)和四個小圓弧段(Sc)成一體。
4.根據權利要求1或2或3所述的高壓氣體環向對稱瞬時卸壓破煤實驗裝置，其特征在于:所述活塞桿(6)的下端面呈向上凹的半球面，該半球面的半徑與活塞桿(6)的半徑相同，在所述試驗腔(Ia)內還設置有加載頭(4)，所述加載頭(4)從上到下由半球段(4a)、小圓柱段(4b)和大圓柱段(4c)構成，其中半球段(4a)呈向上拱的半球形，所述半球段(4a)的半徑與活塞桿(6)的半徑相同，半球段(4a)的中心線與活塞桿(6)的中心線重合，半球段(4a)的下端與小圓柱段(4b)的上端相連，所述小圓柱段(4b)的中心線與半球段(4a)的中心線重合，并且小圓柱段(4b)的半徑與半球段(4a)的半徑相同，在所述小圓柱段(4b)的下端連接有同軸的大圓柱段(4c)，所述大圓柱段(4c)的半徑與試驗腔(Ia)的半徑相同。
5.根據權利要求4所述的高壓氣體環向對稱瞬時卸壓破煤實驗裝置，其特征在于:所述卸壓孔(Ib)呈圓形，該卸壓孔(Ib)的直徑d = H-h，其中H為試驗腔(Ia)的高度，h為加載頭(4)大圓柱段(4c)的高度。
6.根據權利要求5所述的高壓氣體環向對稱瞬時卸壓破煤實驗裝置，其特征在于:所述爆破片(20)通過夾持器(19)安裝在直線段(8a)的相應端頭，爆破片(20)呈向外凸的拱形圓片，并且爆破片(20)為316L(YCA80-1.0?9.0-SS)的不銹鋼。
7.根據權利要求6所述的高壓氣體環向對稱瞬時卸壓破煤實驗裝置，其特征在于:所述氣體管道(9)分別通過第一連接管(10)和第二連接管(15)與高壓氣瓶(14)和真空泵(17)相連，其中第一連接管(10)和第二連接管(15)的一端交匯并與氣體管道(9)連通，第一連接管(10)的另一端與高壓氣瓶(14)連接，第二連接管(15)的另一端與真空泵(17)連接。
8.根據權利要求7所述的高壓氣體環向對稱瞬時卸壓破煤實驗裝置，其特征在于:在所述第一連接管(10)上安裝有控制閥(11)、壓力表(12)和減壓閥(13)，其中減壓閥(13)靠近高壓氣瓶(14)布置，控制閥(11)靠近氣體管道(9)布置，壓力表(12)位于減壓閥(13)和控制閥(11)之間。
9.根據權利要求8所述的高壓氣體環向對稱瞬時卸壓破煤實驗裝置，其特征在于:在所述第二連接管(15)上安裝有真空控制閥(18)和開關(16)，其中真空控制閥(18)靠近氣體管道布置，開關(16)靠近真空泵(17)布置。
10.根據權利要求9所述的高壓氣體環向對稱瞬時卸壓破煤實驗裝置，其特征在于:在所述活塞桿(6)與蓋體(5)之間墊有密封圈(7)。
【文檔編號】G01N33/22GK104391102SQ201410654225
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月12日 優先權日:2014年11月12日
【發明者】黃滾, 羅甲淵, 熊陽濤, 郭虎, 張龍, 鄧玉華, 王維忠, 張鑫, 何友芳, 唐小龍, 丁洪剛 申請人:重慶大學