可重復試驗的煤與瓦斯突出模擬裝置及試驗方法
【專利摘要】本發明公開了一種可重復試驗的煤與瓦斯突出模擬裝置，包括突出缸體，突出缸體頂部連接有Ｚ向活塞，突出缸體底部連接有X和Y向筒體；突出缸體側壁中部連接有第一管路，第一管路并聯連接有第二管路和第三管路；第一管路上設有第一壓力表；第二管路連接有高壓瓦斯罐；第三管路與一真空泵的吸氣口相連接；Y向筒體連接有Y向活塞，Y向筒體的頂壁設有裝煤口；X向筒體連接有X向活塞，X向筒體的頂壁設有突出口；X向筒體的底壁連接有第四管路。本發明還公開了使用上述模擬裝置的試驗方法。總之，本發明能模擬突出前瓦斯的自然涌出過程，模擬前方煤體厚度對突出的影響，更接近于現場條件；本發明能裝一次煤樣重復多次試驗，提高了試驗效率。
【專利說明】
可重復試驗的煤與瓦斯突出模擬裝置及試驗方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種研究煤礦瓦斯災害發生規律及其機理的煤與瓦斯突出模擬裝置，適用于多種條件下的煤與瓦斯突出模擬試驗。
【背景技術】
[0002]煤礦井下煤層中的煤與瓦斯突出事故是一種在地應力、瓦斯壓力和煤體物理力學性質綜合作用影響下導致發生的復雜動力災害現象，一直威脅著煤礦安全生產。為了研究煤與瓦斯突出機理，為煤礦瓦斯災害治理提供理論支撐，長期以來人們致力于煤與瓦斯突出機理的理論和試驗研究。早在1953年，前蘇聯的Khodot V V等人在世界上首次利用⑶2和突出傾向性的煤，在實驗室內成功實現了煤與瓦斯突出的模擬試驗，并由此開始了煤與瓦斯突出規律及其機理的研究。然而60多年過去了，截至目前，煤與瓦斯突出的發生機理仍然沒有弄清楚，還處于一種假說階段，可見煤與瓦斯突出機理研究的復雜性。
[0003]在我國，煤與瓦斯突出模擬試驗研究起步較晚，1989年煤研總院撫順分院的鄧全封等研發了一維煤與瓦斯突出模擬試驗裝置，并得到了一些有益認識。之后中國礦業大學、中國科學院力學研究所、河南理工大學、安徽理工大學、重慶大學、中煤科工集團重慶研究院有限公司等相繼研發出了能模擬各種實驗條件和適用于不同煤樣尺寸的煤與瓦斯突出模擬試驗裝備，并取得了一系列的試驗研究成果。
[0004]上述國內外的相關試驗研究極大推進了煤與瓦斯突出機理的相關理論發展，但是所研發出來的模擬試驗裝置還存在一些問題和不足:
(I)可重復性差。以往的突出模擬過程中，裝一次煤樣只能做一次煤與瓦斯突出實驗，即使突出實驗不成功也要重新裝煤樣，步驟繁瑣，實驗周期長。
[0005](2)很難真實模擬井下煤層突出過程。煤礦井下實際煤與瓦斯突出都是在一種開放的系統下啟動完成的，即煤層在向外涌出瓦斯的過程中發生了煤與瓦斯事故。而目前所有的試驗裝置在模擬煤與瓦斯突出時，發生突出之前一直都處于一種封閉系統狀態(即在開啟突出口之前瓦斯氣體被完全密封起來，不讓其涌出)，只有在打開突出口瞬間才讓瓦斯氣體涌出，這種處理方法與現場瓦斯涌出的開放系統是相悖的。
[0006](3)無法模擬前方煤體厚度對突出的影響。目前所有的模擬裝置都無法模擬突出前方煤體厚度對突出的影響。現實中煤礦井下發生突出時，都是存在一定的前方煤體厚度的。如果煤層中某處已經滿足了突出的所有條件，但前方煤體厚度過大，煤層中的突出能量無法克服前方煤體所帶來的阻力時，也是不會發生突出事故的。
[0007]正因為不能夠更為真實地模擬現實情況，因此利用現有的煤與瓦斯突出模擬試驗裝備，仍然難以弄清楚煤與瓦斯突出的發生機理，使得煤與瓦斯突出的發生機理仍然處于假說階段。
【發明內容】
[0008]本發明的目的在于提供一種可重復試驗的煤與瓦斯突出模擬裝置，在開放系統下完成突出試驗，裝一次煤樣即可進行多次突出試驗，并能夠模擬前方煤體厚度對突出的影響。
[0009]為實現上述目的，本發明的可重復試驗的煤與瓦斯突出模擬裝置，以水平方向上相互垂直的兩個方向分別為X向和Y向，以豎直方向為Z向；
包括沿豎直方向設置的突出缸體，突出缸體頂部設有開口并連接有Z向活塞，Z向活塞與突出缸體內側壁滑動密封連接，Z向活塞的活塞桿向上伸出突出缸體;突出缸體底部連接有X向筒體和Y向筒體；
突出缸體側壁中部設有開口，該開口連接有第一管路，第一管路并聯連接有第二管路和第三管路;第一管路上設有第一壓力表；
第二管路連接有高壓瓦斯罐，第二管路上設有第二壓力表，高壓瓦斯罐的出口處的第二管路上設有第一閥門和減壓閥；
第三管路的末端與一真空栗的吸氣口相連接，第三管路上設有第二閥門；
Y向筒體的內壁滑動密封連接有Y向活塞，Y向活塞的活塞桿沿Y向筒體的軸線方向伸出Y向筒體的自由端，Y向筒體的頂壁設有裝煤口；
X向筒體的內壁滑動密封連接有X向活塞，X向活塞的活塞桿沿X向筒體的軸線方向伸出X向筒體的自由端，X向筒體的頂壁設有突出口；
所述X向筒體的頂壁設有第三壓力表，X向筒體的底壁設有放氣口，放氣口連接有第四管路，第四管路上依次設有第三閥門和流量計，第四管路的末端敞口。
[0010]第二管路上設有第四閥門，第二壓力表位于減壓閥和第四閥門之間的第二管路上。
[0011]所述突出口向上凸出Z向筒體的頂壁。
[0012]本發明的目的還在于提供一種使用上述可重復試驗的煤與瓦斯突出模擬裝置的試驗方法。
[0013]為實現上述目的，本發明的試驗方法依次按以下步驟進行:
(1)打開第四閥門和第一閥門，關閉第二閥門和第三閥門，向突出缸體內充入瓦斯氣體，然后關閉第四閥門和第一閥門，觀察第一壓力表的讀數來確定模擬裝置的氣密性;如存在漏氣現象，則檢查漏氣點并進行堵漏處理，如模擬裝置氣密性良好，則執行第(2)步驟；
(2)將Z向活塞從突出缸體內向上抽出，通過突出缸體頂部的開口、所述裝煤口和突出口，將顆粒煤粉裝入模擬裝置;X向筒體內的煤粉用于模擬現場突出前方的煤體厚度；
(3)利用Z向活塞、Y向活塞和X向活塞對煤粉施加載荷，將煤粉壓成型煤煤樣；
(4)打開第二閥門，啟動真空栗對煤樣進行脫真空處理。
[0014](5)脫真空處理結束后，關閉真空栗和第二閥門，打開第四閥門和第一閥門，開始往煤樣中充瓦斯氣體，調節減壓閥，將充入煤樣中的瓦斯氣體的壓力調節為模擬試驗的預定值；
(6)讓煤樣在預定的瓦斯壓力條件下充分吸附，并使其達到吸附解吸平衡;判斷煤樣達到吸附解吸平衡的方法是:
煤樣吸附瓦斯10 —14小時后，關閉第一閥門和第四閥門；
2小時之后，如果第一壓力表和第三壓力表的讀數相等，則表明煤樣已經達到吸附解吸平衡，此時執行第(7)步驟； 2小時之后，如果第一壓力表和第三壓力表的讀數不相等，表明煤樣還未達到吸附解吸平衡，重新執行第(5)步驟；
(7)煤樣達到吸附解吸平衡后保持第四閥門和第一閥門處于開啟狀態，打開與放氣口連接的第三閥門，讓瓦斯氣體自然涌出，來模擬現場突出發生之前瓦斯氣體的自然涌出過程，通過流量計來監測瓦斯涌出量的動態變化過程;保持X向活塞不動，利用Z向活塞對煤樣施加垂直載荷到指定載荷大小后停止加載，利用Y向活塞對煤樣施加水平載荷到指定載荷大小后停止加載；
(8)利用控制油缸將X向活塞向X向筒體的自由端抽動，直至煤樣與突出口連通;如果煤樣與突出口連通后發生突出現象，試驗即獲成功；
如果煤樣與突出口連通后沒有發生突出現象，表明所施加的載荷在當前試驗條件下還未達到突出臨界值；
此時可以通過控制油缸將X向活塞重新推送至突出口與突出缸體之間的位置，從而實現在不用重新裝卸煤樣的條件下重復進行試驗，即進行第(9)步驟；
(9)改變載荷大小和/或瓦斯壓力大小，重復上述的步驟(I)?(8)，獲得特定試驗條件下的突出應力臨界值和突出瓦斯壓力臨界值。
[0015]本發明具有如下的優點:
在突出模擬試驗中，本發明與以往的同類試驗裝置相比，在試驗中能夠模擬突出前瓦斯的自然涌出過程，能夠模擬前方煤體厚度對突出的影響，因此本發明更接近于現場實際條件，能準確地模擬現場突出過程，更為真實、可靠地研究煤與瓦斯突出規律和現象，為研究煤與瓦斯突出的發生機理提供可靠的實驗基礎，并指導煤礦生產實踐。本發明能夠裝一次煤樣重復多次試驗，大大提高了試驗效率，節約了試驗時間和試驗需要的勞動強度。
[0016]本發明設置了垂直方向和水平方向的載荷施加功能，可以模擬煤層中上覆巖層的自重應力和水平構造應力組合條件，在此組合條件下進行煤與瓦斯突出實驗，能精確得到煤與瓦斯突出的始突條件，包括應力始突條件和瓦斯壓力始突條件。
[0017]本發明能模擬不同煤體厚度對煤與瓦斯突出的影響，并且在突出口方向上設置有瓦斯放氣口，用于模擬突出發生前瓦斯自然涌出的開放環境，更加真實地模擬了突出的外部條件。
[0018]—次裝好煤樣后，可重復做多次煤與瓦斯突出實驗，具有良好的重復性能。實現了“裝一次煤樣做多次突出實驗”的重復功能，提升了設備的使用效率，縮短了實驗周期，提高了工作效率。
【附圖說明】
[0019]圖1是本發明的可重復試驗的煤與瓦斯突出模擬裝置的主視結構示意圖；
圖2是本發明的可重復試驗的煤與瓦斯突出模擬裝置的左視結構示意圖；
圖3是本發明的可重復試驗的煤與瓦斯突出模擬裝置的俯視結構示意圖。
【具體實施方式】
[0020]本發明中，以水平方向上相互垂直的兩個方向分別為X向和Y向，以豎直方向為Z向。
[0021]如圖1、圖2和圖3所示，本發明的可重復試驗的煤與瓦斯突出模擬裝置包括沿豎直方向設置的突出缸體I，突出缸體I頂部設有開口并連接有Z向活塞2，Z向活塞2與突出缸體I內側壁滑動密封連接，Z向活塞2的活塞桿向上伸出突出缸體I;突出缸體I底部連接有X向筒體21和Y向筒體20;
突出缸體I側壁中部設有開口，該開口連接有第一管路31，第一管路31并聯連接有第二管路32和第三管路33;第一管路31上設有第一壓力表11;
第二管路32連接有高壓瓦斯罐7，第二管路32上設有第二壓力表10，高壓瓦斯罐7的出口處的第二管路32上設有第一閥門15和減壓閥9;
第三管路33的末端與一真空栗8的吸氣口相連接，第三管路33上設有第二閥門14;
Y向筒體20的內壁滑動密封連接有Y向活塞3，Y向活塞3的活塞桿沿Y向筒體20的軸線方向伸出Y向筒體20的自由端，Y向筒體20的頂壁設有裝煤口 5;
X向筒體21的內壁滑動密封連接有X向活塞4，X向活塞的活塞桿沿X向筒體21的軸線方向伸出X向筒體21的自由端，X向筒體21的頂壁設有突出口 18;
所述X向筒體21的頂壁設有第三壓力表12，X向筒體21的底壁設有放氣口 17，放氣口 17連接有第四管路34，第四管路34上依次設有第三閥門16和流量計19;第四管路34的末端敞
□ O
[0022]第二管路32上設有第四閥門13，第二壓力表10位于減壓閥9和第四閥門13之間的第二管路32上。
[0023]所述突出口 18向上凸出Z向筒體21的頂壁。
[0024]本發明還公開了使用上述可重復試驗的煤與瓦斯突出模擬裝置的試驗方法，依次按以下步驟進行:
(1)打開第四閥門13和第一閥門15，關閉第二閥門14和第三閥門16，向突出缸體I內充入瓦斯氣體，然后關閉第四閥門13和第一閥門15，觀察第一壓力表11的讀數來確定本發明的模擬裝置的氣密性;如存在漏氣現象，則檢查漏氣點并進行堵漏處理，如模擬裝置氣密性良好，則執行第(2)步驟；
(2)將Z向活塞2從突出缸體I內向上抽出，通過突出缸體11頂部的開口、所述裝煤口5和突出口 18，將篩分好的顆粒煤粉裝入本發明的模擬裝置;X向筒體21內的煤粉用于模擬現場突出前方的煤體厚度；
(3)利用Z向活塞2、Y向活塞3和X向活塞4對煤粉施加載荷，將煤粉壓成型煤煤樣6;
(4)打開第二閥門14，啟動真空栗8對煤樣6進行脫真空處理。
[0025](5)脫真空處理結束后，關閉真空栗8和第二閥門14，打開第四閥門13和第一閥門15，開始往煤樣6中充瓦斯氣體，調節減壓閥9，將充入煤樣6中的瓦斯氣體的壓力調節為模擬試驗的預定值；
(6)讓煤樣6在預定的瓦斯壓力條件下充分吸附，并使其達到吸附解吸平衡;判斷煤樣6達到吸附解吸平衡的方法是:
煤樣吸附瓦斯10 —14小時(具體時間由試驗人員根據經驗來確定，多采用12小時)后，關閉第一閥門15和第四閥門13;
2小時之后，如果第一壓力表11和第三壓力表12的讀數相等，則表明煤樣6已經達到吸附解吸平衡，此時執行第(7)步驟； 2小時之后，如果第一壓力表11和第三壓力表12的讀數不相等，表明煤樣6還未達到吸附解吸平衡，重新執行第(5)步驟；
(7)煤樣6達到吸附解吸平衡后保持第四閥門13和第一閥門15處于開啟狀態，打開與放氣口 17連接的第三閥門16，讓瓦斯氣體自然涌出，來模擬現場突出發生之前瓦斯氣體的自然涌出過程，通過流量計19來監測瓦斯涌出量的動態變化過程;保持X向活塞4不動，利用Z向活塞2對煤樣6施加垂直載荷到指定載荷大小后停止加載，利用Y向活塞3對煤樣6施加水平載荷到指定載荷大小后停止加載；
(8)利用控制油缸將X向活塞4向X向筒體21的自由端抽動，直至煤樣6與突出口18連通(即打開突出口 18);如果煤樣6與突出口 18連通后發生突出現象，試驗即獲成功；
如果煤樣6與突出口 18連通后沒有發生突出現象，表明所施加的載荷在當前試驗條件下還未達到突出臨界值；
此時可以通過控制油缸將X向活塞4重新推送至突出口 18與突出缸體I之間的位置，SP關閉突出口 18，從而實現在不用重新裝卸煤樣6的條件下重復進行試驗，即進行第(9)步驟；
(9)改變載荷大小和/或瓦斯壓力大小，重復上述的步驟(I)?(8)，獲得特定試驗條件下的突出應力臨界值和突出瓦斯壓力臨界值。
[0026]以上實施例僅用以說明而非限制本發明的技術方案，盡管參照上述實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解:依然可以對本發明進行修改或者等同替換，而不脫離本發明的精神和范圍的任何修改或局部替換，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。
【主權項】
1.可重復試驗的煤與瓦斯突出模擬裝置，其特征在于:以水平方向上相互垂直的兩個方向分別為X向和Y向，以豎直方向為Z向； 包括沿豎直方向設置的突出缸體，突出缸體頂部設有開口并連接有Z向活塞，Z向活塞與突出缸體內側壁滑動密封連接，Z向活塞的活塞桿向上伸出突出缸體;突出缸體底部連接有X向筒體和Y向筒體； 突出缸體側壁中部設有開口，該開口連接有第一管路，第一管路并聯連接有第二管路和第三管路;第一管路上設有第一壓力表； 第二管路連接有高壓瓦斯罐，第二管路上設有第二壓力表，高壓瓦斯罐的出口處的第二管路上設有第一閥門和減壓閥； 第三管路的末端與一真空栗的吸氣口相連接，第三管路上設有第二閥門； Y向筒體的內壁滑動密封連接有Y向活塞，Y向活塞的活塞桿沿Y向筒體的軸線方向伸出Y向筒體的自由端，Y向筒體的頂壁設有裝煤口； X向筒體的內壁滑動密封連接有X向活塞，X向活塞的活塞桿沿X向筒體的軸線方向伸出X向筒體的自由端，X向筒體的頂壁設有突出口； 所述X向筒體的頂壁設有第三壓力表，X向筒體的底壁設有放氣口，放氣口連接有第四管路，第四管路上依次設有第三閥門和流量計，第四管路的末端敞口。2.根據權利要求1所述的可重復試驗的煤與瓦斯突出模擬裝置，其特征在于:第二管路上設有第四閥門，第二壓力表位于減壓閥和第四閥門之間的第二管路上。3.根據權利要求1或2所述的可重復試驗的煤與瓦斯突出模擬裝置，其特征在于:所述突出口向上凸出Z向筒體的頂壁。4.使用權利要求3中所述可重復試驗的煤與瓦斯突出模擬裝置的試驗方法，其特征在于依次按以下步驟進行: (1)打開第四閥門和第一閥門，關閉第二閥門和第三閥門，向突出缸體內充入瓦斯氣體，然后關閉第四閥門和第一閥門，觀察第一壓力表的讀數來確定模擬裝置的氣密性;如存在漏氣現象，則檢查漏氣點并進行堵漏處理，如模擬裝置氣密性良好，則執行第(2)步驟； (2)將Z向活塞從突出缸體內向上抽出，通過突出缸體頂部的開口、所述裝煤口和突出口，將顆粒煤粉裝入模擬裝置;X向筒體內的煤粉用于模擬現場突出前方的煤體厚度； (3 )利用Z向活塞、Y向活塞和X向活塞對煤粉施加載荷，將煤粉壓成型煤煤樣； (4)打開第二閥門，啟動真空栗對煤樣進行脫真空處理； (5)脫真空處理結束后，關閉真空栗和第二閥門，打開第四閥門和第一閥門，開始往煤樣中充瓦斯氣體，調節減壓閥，將充入煤樣中的瓦斯氣體的壓力調節為模擬試驗的預定值； (6)讓煤樣在預定的瓦斯壓力條件下充分吸附，并使其達到吸附解吸平衡;判斷煤樣達到吸附解吸平衡的方法是: 煤樣吸附瓦斯10 —14小時后，關閉第一閥門和第四閥門； 2小時之后，如果第一壓力表和第三壓力表的讀數相等，則表明煤樣已經達到吸附解吸平衡，此時執行第(7)步驟； 2小時之后，如果第一壓力表和第三壓力表的讀數不相等，表明煤樣還未達到吸附解吸平衡，重新執行第(5)步驟； (7)煤樣達到吸附解吸平衡后保持第四閥門和第一閥門處于開啟狀態，打開與放氣口連接的第三閥門，讓瓦斯氣體自然涌出，來模擬現場突出發生之前瓦斯氣體的自然涌出過程，通過流量計來監測瓦斯涌出量的動態變化過程;保持X向活塞不動，利用Z向活塞對煤樣施加垂直載荷到指定載荷大小后停止加載，利用Y向活塞對煤樣施加水平載荷到指定載荷大小后停止加載； (8)利用控制油缸將X向活塞向X向筒體的自由端抽動，直至煤樣與突出口連通;如果煤樣與突出口連通后發生突出現象，試驗即獲成功； 如果煤樣與突出口連通后沒有發生突出現象，表明所施加的載荷在當前試驗條件下還未達到突出臨界值； 此時可以通過控制油缸將X向活塞重新推送至突出口與突出缸體之間的位置，從而實現在不用重新裝卸煤樣的條件下重復進行試驗，即進行第(9)步驟； (9)改變載荷大小和/或瓦斯壓力大小，重復上述的步驟(I)?(8)，獲得特定試驗條件下的突出應力臨界值和突出瓦斯壓力臨界值。
【文檔編號】G01N33/00GK105891429SQ201610476575
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年6月27日
【發明人】魏建平, 王登科, 劉勇, 姚邦華, 徐向宇, 秦恒潔
【申請人】河南理工大學