CN101419146B - 煤与瓦斯突出模具 - Google Patents

Abstract

一种煤与瓦斯突出模具，在底板的中央开设有充气孔，该充气孔中安装进气嘴；前端板的中部开设定位孔，该定位孔中安装突出口。模盒内设置有一块后压板和三块上压板，其中后压板固定在后压头的前端，后压头的后端穿过后端板，并与垫板固定连接；所述三块上压板从前往后依次排列，各自固定于一个上压头的下端，所述三个上压头的轴心连线在一条直线上，且上压头的上端穿过上封板，向上伸出模盒外。本发明采用水平方向压力与垂直方向压力结合的方式，可对突出煤体施加任意阶梯型荷载，施加在突出煤样上的力梯度明显，能模拟造成突出的工作面前方应力集中现象及模拟现场水平地应力，试验所得的结果准确、可靠。

Description

煤与瓦斯突出模具

技术领域

本发明涉及一种含瓦斯煤岩的突出试验装置，尤其涉及煤与瓦斯突出试验的模具。

背景技术

虽然综合作用假说在煤与瓦斯突出机理研究领域被普遍认可，该假说认为煤与瓦斯突出是由地应力、瓦斯压力和煤的力学性质综合作用的结果，但三因素各自在突出过程中的作用机理尚不明晰。为进一步解释综合作用假说中三因素的作用机制，国内外学者先后研制了一系列煤与瓦斯突出模拟试验装置。

在国外，前苏联在20世纪50年代就进行了一维突出模拟实验并研制了相应的试验装置，试验表明只有在很大瓦斯压力梯度下(每一厘米瓦斯压力下降几个兆帕)煤才有可能被破碎和抛出。随后20世纪60年代初，日本学者氏平增之在实验室也进行瓦斯抛射煤粒试验，利用CO₂的结晶冰、松香、水泥、煤粒制作了多孔介质模型用于模拟突出，试验在多孔介质孔隙瓦斯压力下引起材料的破碎和抛出，最后发展为类似前苏联的综合考虑地层应力和瓦斯压力的突出模拟试验。

在国内，20世纪80年代初，煤炭科学研究院抚顺分院王佑安通过现场采集煤样，实验室成型，模拟IV、V类突出危险煤，开展了煤与瓦斯突出一维模拟试验研究，得出了一维条件下突出强度同垂直应力、瓦斯压力之间的定量关系。1996年，中科院力学所孟祥跃等人开发了既能改变地应力又能改变瓦斯压力的二维煤与瓦斯突出实验装置。2000年中国矿业大学郭立稳、俞启香、蒋承林通过开发的煤与瓦斯突出装置研究了突出过程中的温度变化，认为在煤与瓦斯突出过程中，煤体温度的升高是由地应力破碎煤体使弹性能释放造成的，而温度降低则是由于瓦斯气体解吸和膨胀造成的，其变化是先升高后降低并连续变化的。2002年焦作工学院牛国庆、颜爱华、刘明举等也设计了煤与瓦斯突出装置，用来考察煤与瓦斯突出过程中的温度变化，研究结果认为在煤与瓦斯突出过程中，瓦斯的膨胀做功过程并非绝热过程，而是一个接近于等温过程的多变过程。随后在2004年，焦作工学院蔡成功等又按照相似理论设计了三维煤与瓦斯突出模拟实验装置，实验模拟了不同煤型强度、三向应力、瓦斯压力条件下的煤与瓦斯突出过程。

以上实验装置虽在一定程度上加深了煤与瓦斯突出机理的研究进展，但或多或少的存在以下缺点：

1、所采用的突出煤样尺寸均较小，进气源也均为“点充气”，均不能模拟工作面前方的局部应力集中，而应力集中往往又是造成突出的重要因素；

2、突出箱体的突出口固定不变，一个突出箱体不能进行不同突出口径的突出模拟试验；

3、突出口打开方式均为手动，打开速度较慢，在一定程度上影响了煤与瓦斯突出的时间和强度，与真实井下煤与瓦斯突出存在差别；

2007年，重庆大学尹光志、许江、鲜学福等在前人研究成果的基础上自主研发了大型煤与瓦斯突出模拟试验台，该装置中试验时突出煤样的尺寸较大，实现了瓦斯气源的面充气功能，用于探索综合作用假说的作用机制，可进行不同瓦斯压力、不同地应力下的煤与瓦斯突出模拟试验，借助于高速摄像机实现了煤与瓦斯突出过程全程回放功能，在瓦斯灾害防治领域取得了一定科研成果。但是，该模拟试验台也存在以下不足：

1、该试验台虽有施加阶梯形荷载的多组液压千斤顶装置，但多组液压千斤顶的荷载均施加在一块钢板(上压板)上，钢板不易变形，导致施加在突出煤样上的力梯度不够明显；

2、对试验所用突出煤样施加的应力只有垂直应力，无法模拟现场实际情况存在的水平地应力，试验所得的结果不准确；

3、对整个突出箱体利用一个上盖板采用大“O”形圈密封，成型时无法保证千斤顶施加的成型压力完全加载到煤体上，煤体压缩变形较大时，部分荷载被突出箱体四周的钢板所承担。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种施加在突出煤样上的力，梯度明显、并且能够真实模拟现场实际情况的煤与瓦斯突出突出模具。

本发明的技术方案如下：一种煤与瓦斯突出模具，包括模盒，其关键在于：所述模盒由前端板，后端板，左、右端板和底板合围而成，为上端敞口的长方体盒状结构，且上端口由上封板密封；在所述底板的中央开设有充气孔，该充气孔中安装进气嘴；所述前端板的中部开设定位孔，该定位孔中安装突出口，突出口的中心孔为前小后大的锥孔，并由前端板前端面固定的封盖封口；在所述模盒内设置有一块后压板和三块上压板，其中后压板与后端板平行，并固定在后压头的前端，该后压头垂直于后端板，后压头的后端穿过后端板，并与垫板固定连接；所述三块上压板从前往后依次排列，三块上压板均与上封板平行，并各自固定于一个上压头的下端，所述三个上压头均垂直于上封板，三个上压头的轴心连线在一条直线上，且上压头的上端穿过上封板，向上伸出模盒外。

本发明中，先将试验所用突出煤样装入模盒内，压紧成型后装上上封板密封，再整体运送至试验台上。其中模盒的前端由快速释放机构顶紧，模盒的后端由对应的定位千斤顶顶紧，与后压头连接的垫板对应水平施力板，该水平施力板由两组测量千斤顶控制可前后水平移动，水平施力板通过后压头推动后压板将力传递给突出煤体，能模拟现场水平地应力；模盒的上端由对应的定位千斤顶顶紧，三个上压头对应三块垂直施力板，各垂直施力板由一组测量千斤顶控制可上下垂直移动，三组测量千斤顶施加的荷载分别通过相对应的三个上压头和三块上压板施加于突出煤体上，三块上压板相互独立，在千斤顶力量范围之内则可对突出煤体施加任意阶梯型荷载，能模拟造成突出的工作面前方应力集中现象。本发明中进气嘴通过气管与气源连接，通过气管及进气嘴向煤样内充入高纯甲烷气体，使煤样瓦斯充分吸附平衡，突然通过快速释放机构打开突出口，此时由于瓦斯压力和围压模拟地应力的作用，使存储于模盒内的能量从突出口突然释放而完成煤与瓦斯的突出，同时可利用高速摄像机进行突出全过程拍摄，并测量所需的相关实验参数。

在上述底板的上表面开设有矩形沉槽，该沉槽上嵌设过滤网，且沉槽的底面开设有网状分布的刻槽，所述充气孔的内端口位于刻槽的底面。过滤网选用泡沫金属，一方面利用其透气性使得充气孔不与煤样直接接触，实现了“面充气”而不是以往的“点充气”，更加逼真地模拟了煤层瓦斯源；另一方面，过滤网可以防止煤粉进入气管中。

为了保障上压头的安装、使用强度，提高上压头在垂直方向向下移动的可靠性，在上述上封板的顶面上通过螺栓固定有三个上压头座，各上压头座的顶部通过螺栓安装压盖，所述三个上压头分别从对应的上压头座及压盖中穿过。

在上述上压头与上压头座之间设置有Yx型密封圈，在所述上压头座的底面开设环槽，该环槽环绕在上压头的外围，且环槽中嵌设O型密封圈。上压头与上压头座之间通过Yx型密封圈进行密封，上压头座与上封板之间通过O型密封圈密封，Yx型密封圈与O型密封圈结合，能够保证上压头运动时不漏气。

为了简化结构、便于安装，并进一步提高压盖与上压头座之间连接的牢固性，上述压盖为上大下小的台阶形空心结构，所形成的台阶面与上压头座的顶面贴合，且压盖的小直径段向下嵌入上压头座的中心孔中。

为了保障后压头的安装、使用强度，提高后压头在水平方向向前移动的可靠性，在上述后端板的后端面通过螺栓固定后压头座，该后压头座的后端通过螺钉安装压盖，所述后压头从后压头座及压盖中穿过。

在上述后压头与后压头座之间设置有Yx型密封圈，在所述后压头座的前端面开设环槽，该环槽环绕在后压头的外围，且环槽中嵌设O型密封圈。后压头与后压头座之间通过Yx型密封圈密封，后压头座与后端板之间通过O型密封圈密封，Yx型密封圈与O型密封圈结合，能够保证后压头运动时不漏气。

为了简化结构、便于安装，并进一步提高压盖与后压头座之间连接的牢固性，上述压盖为前小后大的台阶形空心结构，所形成的台阶面与后压头座的后端面贴合，且压盖的小直径段向前嵌入后压头座的中心孔中。

为了方便对模盒的后端定位，在上述后压头座的外围设有后座，该后座通过螺栓与后端板的后端面固定。

在上述左端板上安装空心螺杆，该螺杆的内端伸入模盒内，所述温度传感器的导线由螺杆的中心孔引出模盒外。温度传感器的导线引出与计算机软件相接，以实时监测突出试验过程中的煤体温度变化，以期通过温度变化来预测现场的煤与瓦斯突出灾害。

本发明的有益效果是：

1、试验所用的煤样成型并进行密封和装入温度传感器后，可直接进行突出试验，这样可避免在试验台上利用多组千斤顶成型时装煤困难的繁琐工序，还解决了在成型时将温度传感器埋于煤样中不易准确定位的难题。

2、三个上压头对应三组测量千斤顶，三块上压板相互独立，在千斤顶力量范围之内可对突出煤体施加任意阶梯型荷载，施加在突出煤样上的力梯度明显，能模拟造成突出的工作面前方应力集中现象。

3、后压头由两组测量千斤顶控制可前后水平移动，将水平压力传递给突出煤体，能模拟现场水平地应力；水平方向的压力和垂直方向的压力结合，能够真实模拟现场的实际情况，试验所得的结果更准确。

4、密封良好，能够保证水平及垂直方向施加压力时不漏气，进一步提高了试验的真实性。

5、采用空心螺杆安装温度传感器，温度传感器的导线引出模盒外与计算机软件相接，能实时监测突出试验过程中的煤体温度变化，以期通过温度变化来预测现场的煤与瓦斯突出灾害。

6、可以设置不同规格及锥孔大小的突出口，这样在不更改突出模具的情况下，可实现不同大小突出口的煤与瓦斯突出模拟试验。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1的左视图。

图3为本发明中模盒的结构示意图。

图4为图3的俯视图。

图5为本发明中上压头的密封示意图。

图6为温度传感器的安装示意图。

图7为本发明的使用状态参考图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1、图2、图3和图4所示，一种煤与瓦斯突出模具，具有模盒，该模盒为上端敞口的长方体盒状结构，由前端板1，后端板2，左、右端板3和底板4合围而成，各板均为钢制结构，两相邻板之间通过焊接固定。在底板4的上表面开设有矩形沉槽，该沉槽中嵌设与之形状大小相适应的过滤网14，过滤网14选用金属泡沫。在所述沉槽的底面开设有网状分布的刻槽15，位于中部的两条刻槽15相交处的底面开设有充气孔，该充气孔中安装进气嘴6，进气嘴6可通过气管与气源连接，以便将高纯甲烷气体充入模盒中。

如图1、图3、图4、图5和图6所示，在前端板1的中部开设定位孔，该定位孔为前小后大的锥孔，且锥孔中安装与之相适应的突出口7，突出口7的中心孔也为前小后大的锥孔。在前端板1的前端面通过多颗螺栓固定圆盘形封盖8，封盖8将前端板1上的定位孔盖住，并对突出口7封口。本发明可以配备多个不同规格及锥孔大小的突出口7，以便在不更改突出模具的情况下，实现不同大小突出口的煤与瓦斯突出模拟试验。在所述左端板3上开有螺孔，一颗空心螺杆23旋入该螺孔中，两者螺纹配合，并且螺杆23的内端伸入模盒内，伸入部分与温度传感器24连接，所述温度传感器24的导线25由螺杆23的中心孔引出模盒外，该导线25可与计算机软件相接，以实时监测突出试验过程中的煤体温度变化。

如图1、图2、图4和图5所示，在前端板1，后端板2和左、右端板3这四块板的顶面上开设有若干个螺孔(见图4)，一块与模盒形状大小相适应的上封板5盖在模盒的顶端，并通过螺栓与前端板1，后端板2及左、右端板3固定连接，且上封板5与前、后端板1、2及左、右端板3之间涂抹有硅胶，同时设置有密封胶垫，以防止从上封板5的边缘漏气。在所述上封板5上从前往后依次开设三个通孔，各通孔的中心在一条直线上。上封板5的顶面上通过螺栓固定有三个上压头座16，三个上压头座16与三个通孔相对应，各上压头座16的中心过孔正对一个通孔，并且各上压头座16的顶部通过螺栓安装压盖17，压盖17为上大下小的台阶形空心结构，所形成的台阶面与上压头座16的顶面贴合，压盖17的小直径段向下嵌入上压头座16的中心孔中。位于模盒内的三块水平布置的上压板10从前往后依次排列，三块上压板10均与上封板5平行，并各自固定于一个上压头13的下端，三个上压头13对应上封板5的三个通孔，各上压头13均垂直于上封板5，且上压头13的上端依次穿过上封板5、上压头座16和压盖17，向上伸出模盒外。

如图1所示，在后端板2的中部开设有一个过孔，后端板2的后端面通过螺栓固定后压头座20，该后压头座20的中心孔正对后端板2的过孔，且后压头座20的后端通过螺钉安装压盖21，该压盖21为前小后大的台阶形空心结构，所形成的台阶面与后压头座20的后端面贴合，且压盖21的小直径段向前嵌入后压头座20的中心孔中。位于模盒内呈竖直布置的一块后压板9与后端板2平行，后压板9固定在后压头11的前端，后压头11垂直于后端板2，后压头11的后端依次穿过后端板2、后压头座20和压盖21，向后伸出模盒外，伸出部分与垫板12固定连接。在所述后压头座20的外围设有后座22，该后座22通过螺栓与后端板2的后端面固定。

从图1和图5中可知，在上压头13与上压头座16之间设置有Yx型密封圈18，在上压头座16的底面开设环槽，该环槽环绕在上压头13的外围，且环槽中嵌设O型密封圈19。在所述后压头11与后压头座20之间也设置有Yx型密封圈，在后压头座20的前端面也开设环槽，该环槽环绕在后压头11的外围，且环槽中嵌设0型密封圈。Yx型密封圈和O型密封圈结合，可防止从上压头13及后压头11处漏气。

如图7所示，本发明是这样工作的：

先将试验所用突出煤样装入模盒内，压紧成型后装上上封板密封，再整体运送至实验台上。其中模盒的前端由快速释放机构26顶紧，模盒后端的后座22由对应的定位千斤顶顶紧，与后压头11连接的垫板12对应水平施力板27，该水平施力板27由一组测量千斤顶控制可前后水平移动，水平施力板27通过后压头11推动后压板9将力传递给突出煤体，能模拟现场水平地应力；模盒的上端由对应的定位千斤顶顶紧，三个上压头13对应三块垂直施力板28，各垂直施力板28由一组测量千斤顶控制可上下垂直移动，三组测量千斤顶施加的荷载分别通过相对应的三个上压头13和三块上压板10施加于突出煤体上，三块上压板10相互独立，在千斤顶力量范围之内则可对突出煤体施加任意阶梯型荷载，能模拟造成突出的工作面前方应力集中现象。本发明中通过进气嘴6向煤样内充入高纯甲烷气体，使煤样瓦斯充分吸附平衡，在泡沫金属的作用下实现了“面充气”，更加逼真地模拟了煤层瓦斯源。突然通过快速释放机构26打开突出口7，此时由于瓦斯压力和围压模拟地应力的作用，使存储于模盒内的能量从突出口7突然释放而完成煤与瓦斯的突出，可利用高速摄像机进行突出全过程拍摄，并测量相关的实验参数。

Claims (10)

1.一种煤与瓦斯突出模具，包括模盒，其特征在于：所述模盒由前端板(1)，后端板(2)，左、右端板(3)和底板(4)合围而成，为上端敞口的长方体盒状结构，且上端口由上封板(5)密封；在所述底板(4)的中央开设有充气孔，该充气孔中安装进气嘴(6)；所述前端板(1)的中部开设定位孔，该定位孔中安装突出口(7)，突出口(7)的中心孔为前小后大的锥孔，并由前端板(1)前端面固定的封盖(8)封口；在所述模盒内设置有一块后压板(9)和三块上压板(10)，其中后压板(9)与后端板(2)平行，并固定在后压头(11)的前端，该后压头(11)垂直于后端板(2)，后压头(11)的后端穿过后端板(2)，并与垫板(12)固定连接；所述三块上压板(10)从前往后依次排列，三块上压板(10)均与上封板(5)平行，并各自固定于一个上压头(13)的下端，所述三个上压头(13)均垂直于上封板(5)，三个上压头(13)的轴心连线在一条直线上，且上压头(13)的上端穿过上封板(5)，向上伸出模盒外。

2.根据权利要求1所述的煤与瓦斯突出模具，其特征在于：在所述底板(4)的上表面开设有矩形沉槽，该沉槽中嵌设过滤网(14)，且沉槽的底面开设有网状分布的刻槽(15)，所述充气孔的内端口位于刻槽(15)的底面。

3.根据权利要求1所述的煤与瓦斯突出模具，其特征在于：在所述上封板(5)的顶面上通过螺栓固定有三个上压头座(16)，各上压头座(16)的顶部通过螺栓安装压盖(17)，所述三个上压头(13)分别从对应的上压头座(16)及压盖(17)中穿过。

4.根据权利要求3所述的煤与瓦斯突出模具，其特征在于：在所述上压头(13)与上压头座(16)之间设置有Yx型密封圈(18)，在所述上压头座(16)的底面开设环槽，该环槽环绕在上压头(13)的外围，且环槽中嵌设O型密封圈(19)。

5.根据权利要求3或4所述的煤与瓦斯突出模具，其特征在于：所述压盖(17)为上大下小的台阶形空心结构，所形成的台阶面与上压头座(16)的顶面贴合，且压盖(17)的小直径段向下嵌入上压头座(16)的中心孔中。

6.根据权利要求1所述的煤与瓦斯突出模具，其特征在于：在所述后端板(2)的后端面通过螺栓固定后压头座(20)，该后压头座(20)的后端通过螺钉安装压盖(21)，所述后压头(11)从后压头座(20)及压盖(21)中穿过。

7.根据权利要求6所述的煤与瓦斯突出模具，其特征在于：在所述后压头(11)与后压头座(20)之间设置有Yx型密封圈，在所述后压头座(20)的前端面开设环槽，该环槽环绕在后压头(11)的外围，且环槽中嵌设O型密封圈。

8.根据权利要求6或7所述的煤与瓦斯突出模具，其特征在于：所述压盖(21)为前小后大的台阶形空心结构，所形成的台阶面与后压头座(20)的后端面贴合，且压盖(21)的小直径段向前嵌入后压头座(20)的中心孔中。

9.根据权利要求6或7所述的煤与瓦斯突出模具，其特征在于：在所述后压头座(20)的外围设有后座(22)，该后座(22)通过螺栓与后端板(2)的后端面固定。

10.根据权利要求1所述的煤与瓦斯突出模具，其特征在于：在所述左端板(3)上安装空心螺杆(23)，该螺杆(23)的内端伸入模盒内，伸入部分与温度传感器(24)连接，所述温度传感器(24)的导线(25)由螺杆(23)的中心孔引出模盒外。

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