CN101245706B - 煤与瓦斯共采三维模拟实验台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤与瓦斯共采三维模拟实验台，包括箱体，箱体上设有加压装置，用于对箱体内的岩石均匀加栽，实现矿压模拟；还设有采煤装置，采煤装置可在箱体底部移动，模拟采煤机割煤过程，箱体上还设有进气装置和多个气体检测传感器，用来模拟煤层开采过程中，瓦斯气体在采场多孔介质内运移的模拟试验，综合研究煤层开采过程中，瓦斯在卸压、变形和破碎煤岩体中的解吸和运移规律，得出瓦斯运移与煤岩体裂隙耦合的时空演化及分布规律。然后可以根据研究的结果，进行煤与瓦斯共同开采的模拟研究和开采方案设计。

Description

煤与瓦斯共采三维模拟实验台

技术领域

本发明涉及一种煤与瓦斯共采的实验装置，尤其涉及一种煤与瓦斯共采三维模拟实验台。

背景技术

煤矿开采后，上覆岩层破裂，在采场四周形成应力卸压区和岩层破裂区，从而增加煤体与岩层的透气性，煤体中的瓦斯气体就会释放，在裂隙区内运移。对于高瓦斯或煤与瓦斯突出煤层，为了避免瓦斯爆炸等事故，一般需要进行采前瓦斯预先抽放以及开采过程中进行瓦斯抽放与治理，降低煤层中的瓦斯含量，为了提高瓦斯抽放效率，需要研究开采过程中瓦斯的运移规律。目前关于瓦斯运移规律研究主要是理论分析、数值模拟计算以及现场观测等方法，也进行过一些简单的模拟试验，这些工作主要是为了抽放煤层中以及工作面的瓦斯，保障安全采煤。

然而瓦斯除了对煤矿开采带来巨大安全隐患与威胁外，同时也是宝贵的能源资源，要想在采煤过程中开采瓦斯，实现煤与瓦斯双能源共同开采，首先必须有足够的实验数据，综合研究煤层瓦斯在卸压、变形和破碎煤岩体中的解吸和流动规律，得出瓦斯流动与煤岩体裂隙耦合的时空演化及分布规律。然后可以根据研究的结果，实现煤与瓦斯共同开采。

现有技术中还没有一种实验装置能进行上述实验。

发明内容

本发明的目的是提供一种煤与瓦斯共采三维模拟实验台，该实验台能模拟采煤过程中，煤层瓦斯在卸压、变形和破碎煤岩体中的解吸和流动规律。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的煤与瓦斯共采三维模拟实验台，包括箱体，其特征在于，所述的箱体上设有加压装置，还设有采煤装置，所述采煤装置可在箱体上移动，所述箱体上还设有进气装置和多个气体检测传感器。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的煤与瓦斯共采三维模拟实验台，由于箱体上设有加压装置，还设有采煤装置，所述采煤装置可在箱体上移动，所述箱体上还设有进气装置和多个气体检测传感器，可以模拟采煤过程中，煤层瓦斯在卸压、变

形和破碎煤岩体中的解吸和流动规律，得出瓦斯流动与煤岩体裂隙耦合的时空演化及分布规律。

附图说明

图1为本发明煤与瓦斯共采三维模拟实验台的结构示意图；

图2为图1的B-B向示意图；

图3为本发明中采煤动力挂箱的结构示意图；

图4为本发明中行走辅助挂箱的结构示意图；

图5为本发明中液压系统原理图。

具体实施方式

本发明的煤与瓦斯共采三维模拟实验台，其较佳的具体实施方式如图1、图2所示，包括箱体1，所述的箱体1上设有加压装置，用于对箱体1内的矿石加载，所述的矿石可以是煤和矸石。还设有采煤装置，所述采煤装置可在箱体1上移动，对箱体1内的煤进行模拟开采。所述箱体上还设有进气装置和多个气体检测传感器用于对箱体1内的气体运移进行检测。

所述的箱体1的上部设有上盖5，便于向箱体1内装卸矿石，所述加压装置可以设在上盖5的上面。可以在上盖5上设置多个油缸6，所述油缸6的缸体固定在箱体1上，所述油缸6的活塞杆伸入到箱体1的内部，并在所述活塞杆的前端固定有压板4，油缸6动作，推动压板4，实现对矿石加载。

所述的采煤装置设于所述箱体1的下部，包括采煤动力挂箱3，所述采煤动力挂箱3连接有采煤刀具13，并可驱动采煤刀具13旋转，所述采煤刀具13伸入到所述箱体1的内部。采煤动力挂箱3的驱动下，采煤刀具13一边旋转，一边向前推进，实现对箱体1内煤的模拟开采。箱体1上可以设置观察孔7，用于观察箱体1内部的情况。

如图3所示，所述采煤动力挂箱3的内部设有油马达17，所述油马达17的输出轴与所述采煤刀具13连接，采煤刀具13的旋转动作由油马达17驱动。油马达17的可以通过万向联轴节19与采煤刀具13的一端连接，采煤刀具13的端部位置可以安装调心轴承20。采煤动力挂箱3的壳体18上还可以设置用于观测的玻璃窗和用于维修的活动门。

可以在所述箱体1的一侧设有第一导轨10，所述的采煤动力挂箱3设于第一导轨10上并可沿第一导轨10移动，第一导轨10可以有两条，采煤动力挂箱3内可以设有直线轴承与第一导轨10配合，方便采煤动力挂箱3的移动。所述采煤动力挂箱3连接有第一丝杆15，所述第一丝杆15可驱动采煤动力挂箱3移动，为采煤刀具的推进提供动力，采煤动力挂箱3内设有丝母与第一丝杆15啮合，第一丝杆15旋转带动丝母移动，进而驱动采煤动力挂箱3移动。

所述的采煤装置还包括行走辅助挂箱8，所述行走辅助挂箱8设于所述箱体1的另一侧并与所述采煤刀具13的另一端连接。具体可以在箱体的另一侧设有第二导轨16，所述的行走辅助挂箱设于第二导轨16上并可沿第二导轨16移动，所述行走辅助挂箱8连接有第二丝杆14，所述第二丝杆14可驱动行走辅助挂箱8与采煤动力挂箱3移动。

如图4所示，采煤刀具13的另一端与行走辅助挂箱8之间设有调心轴承20，行走辅助挂箱8内可以设有直线轴承与第二导轨16配合，方便行走辅助挂箱8的移动，还设有丝母与第二丝杆14啮合，第二丝杆14旋转带动丝母移动，进而驱动行走辅助挂箱8移动。行走辅助挂箱8的壳体21上还可以设置用于观测的玻璃窗和用于维修的活动门。

采煤动力挂箱3与行走辅助挂箱8最好同步移动，可以在第一丝杆15和第二丝杆14的一端分别设有减速电机11，也可以在其中一根丝杆上设减速电机11，通过锥齿轮12将动力传动给另一根丝杆。

所述的箱体1的底部的一侧与底座铰接，可以在箱体1的底部与底座之间设置铰链9，箱体1的另一侧与底座之间设有高度调节装置2，可以是千斤顶或调整螺栓等，用于使箱体1以不同的角度倾斜。

还包括液压系统，如图5所示，所述液压系统与所述油缸6和油马达17连接，控制油缸6和油马达17运行。

液压系统主要由：低压泵、高压泵、比例溢流阀、电磁换向阀、畜能器、油缸、电接点压力表、溢流阀、三位四通电磁换向阀等部件组成。系统采用双泵双电机高低压动力源(高低压泵同时工作来满足油缸6活塞杆外伸速度要求，高压泵用来加压和保压)，采用电液比例控制技术及高精度压力传感器信号采集技术，实现系统的软件闭环控制，油路采用两级过滤、保证油液清洁度；设置安全阀保证系统的安全性。该系统能实现不同压力级的恒压力保压，压力等级通过人机界面由比例溢流阀调定。稳定的、高可靠性和高灵敏度的液压系统传递给油缸6活塞上的压力更能够真实模拟采场压力的变化状况。

本发明对箱体内的岩石均匀加栽，实现矿压模拟；箱体1用钢化玻璃和钢板制成，为保证强度，周围用网格状肋板加强，箱体1上部安装加压装置，下部安装采煤装置，箱体可以安装在在道轨上，可以行走以便于装卸煤和矸石，箱体上可以根据瓦斯检测的需要设置若干传感器安装孔；采煤装置用来模拟煤层开采过程，可以前后左右移动，进行瓦斯在采场多孔介质内运移的模拟试验，综合研究煤层瓦斯在卸压、变形和破碎煤岩体中的解吸和流动规律，得出瓦斯流动与煤岩体裂隙耦合的时空演化及分布规律。然后可以根据研究的结果，实现煤与瓦斯共同开采。

具体实验的过程是这样的：

首先，将本发明的煤与瓦斯共采三维模拟实验台的箱体内加满实验物(装在实验箱内的煤、岩石)，待实验前的各项准备工作完成后，启动液压系统。系统采用双泵双电机高低压动力源(高低压泵同时工作来满足油缸活塞杆外伸速度要求，高压泵用来加压和保压)，采用电液比例控制技术及高精度压力传感器信号采集技术，设置安全阀保证系统的安全性。该系统能实现不同压力级的恒压力保压，压力等级通过人机界面由比例溢流阀调定。

然后利用人机界面进行相关参数的设定(系统最高压力，工作压力以及试验时间等)、系统状态运行信息显示(当前压力、设备的运行状态等)、系统故障报警信息(这里的故障报警信息指的是电气可以检测的各类故障信息)，包括电机过热过流、接触器故障、液压油污染、传感器故障等。采用间接测量、软件滤波以及软件标定和线性化处理，然后形成准确可靠的压力信号参与系统的联锁运行。人机界面控制技术，提高了控制系统的精度和可靠性，充分发挥了液压控制系统的稳定性，该系统为保压功能的实现提供了一种新的方法。

启动液压系统：双泵启动运行→千斤顶油缸活塞杆伸出→压力到达设定值→停止低压泵→压力到达设定值上限→停止高压泵，并改变相应电磁阀工作状态，对箱体内的岩石均匀加栽，实现矿压模拟；如果系统压力低于设定值下限，则进入保压过程→高压泵启动、比例阀根据PID算法赋值→压力大于设定值上限→停止高压泵、比例阀赋零值。

打开氮气进气阀，氮气浓度测量用氧气传感器来测氧气浓度，氧气传感器、压力传感器分别置于实验装置中不同位置，对装置不同位置及不同参数进行测量，利用算法将氧气浓度换算成氮气浓度。用组态软件对氮气进气电磁阀进行控制，并对甲烷的进气及试验气体排放进行开关控制。

启动采煤装置及其行走机构，采煤装置用来模拟煤层开采过程，可以前后左右移动。

调节液压系统的电液比例控制系统，它可以自动模拟现场开采环境条件下的上覆煤体卸压过程，有手动和自动两种操作。手动时通过电机的启停按钮及油缸的伸缩按钮分别控制泵站电机及油缸，使系统达到所需压力值，从而手动实现对压力的调节。自动时，按下自动的启动按钮，启动电机，由软件编程实现其具体的动作过程。并根据压力传感器、可扩展模块及模拟量模块对压力上下限等的设定值、比例阀等实现其保压功能，自动控制电机启停。从而能够为透气性厚煤层卸压瓦斯开采模拟试验提供准确可靠的试验数据。

把所采集的实验数据传送给工控主机，实验台中氮气的浓度及压力测量(按六十个点)，采用工控机及数据采集板卡，通过力控组态软件，对压力及浓度传感器信号进行数据分析处理(包括数据接收、数据处理各种画面的制作、趋势线及报表输出等)。由软件对信号进行处理。通过三维力控组态软件对采集信号分别作历史记录、趋势图，同种参数分布柱状图(或折线图)、数据分析各种画面的制作。

实验完毕：将油缸活塞杆完全缩回，切断电源。根据试验结果，综合研究煤层瓦斯在卸压、变形和破碎煤岩体中的解吸和流动规律，从而得出瓦斯流动与煤岩体裂隙耦合的时空演化及分布规律，为煤与煤层气共采提供理论依据。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种煤与瓦斯共采三维模拟实验台，包括箱体，其特征在于，所述的箱体上设有加压装置，还设有采煤装置，所述采煤装置能在箱体上移动，所述箱体上还设有进气装置和多个气体检测传感器；

所述的加压装置包括多个油缸，所述油缸的缸体固定在箱体上，所述油缸的活塞杆伸入到箱体的内部，并在所述活塞杆的前端固定有压板；

所述的采煤装置设于所述箱体的下部，包括采煤动力挂箱，所述采煤动力挂箱设于所述箱体的一侧并与采煤刀具的一端连接，并能驱动所述采煤刀具旋转，所述采煤刀具伸入到所述箱体的内部。

2.根据权利要求1所述的煤与瓦斯共采三维模拟实验台，其特征在于，所述的箱体的上部设有上盖，所述加压装置设于所述上盖上。

3.根据权利要求1所述的煤与瓦斯共采三维模拟实验台，其特征在于，所述采煤动力挂箱的内部设有油马达，所述油马达的输出轴与所述采煤刀具连接。

4.根据权利要求1或3所述的煤与瓦斯共采三维模拟实验台，其特征在于，所述箱体的一侧设有第一导轨，所述的采煤动力挂箱设于第一导轨上并可沿第一导轨移动，所述采煤动力挂箱连接有第一丝杆，所述第一丝杆可驱动采煤动力挂箱移动。

5.根据权利要求4所述的煤与瓦斯共采三维模拟实验台，其特征在于，所述的采煤装置还包括行走辅助挂箱，所述行走辅助挂箱设于所述箱体的另一侧并与所述采煤刀具的另一端连接。

6.根据权利要求5所述的煤与瓦斯共采三维模拟实验台，其特征在于，所述箱体的另一侧设有第二导轨，所述的行走辅助挂箱设于第二导轨上并可沿导轨移动，所述行走辅助挂箱连接有第二丝杆，所述第二丝杆可驱动行走辅助挂箱与采煤动力挂箱同步移动。

7.根据权利要求1所述的煤与瓦斯共采三维模拟实验台，其特征在于，所述的箱体的底部的一侧与底座铰接，另一侧与底座之间设有高度调节装置。

8.根据权利要求3所述的煤与瓦斯共采三维模拟实验台，其特征在于，还包括液压系统，所述液压系统与所述油缸和油马达连接，控制油缸和油马达运行。

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