CN102243223B - 一种煤岩瓦斯动力灾害模拟装置 - Google Patents

一种煤岩瓦斯动力灾害模拟装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种煤岩瓦斯动力灾害模拟装置，包括缸体组合、卸压装置和数据监测系统，所述缸体组合包括活塞杆、上盖、活塞、活塞用橡胶O型圈、缸体、下盖和下盖用橡胶O型圈，其中，所述缸体上设置方形卸压口；所述卸压装置包括空气压缩机、动力气压缸、支撑梁、支架、卸压板、卸压口封板、方形橡胶垫。能够模拟高应力、高瓦斯及不同围岩条件下的动力灾害，更接近于现场工程实际。

Description

一种煤岩瓦斯动力灾害模拟装置
技术领域
本发明涉及一种煤岩瓦斯动力灾害模拟装置，涉及煤矿安全技术领域。
背景技术
煤岩瓦斯动力灾害：地下开采煤炭时，含瓦斯煤或岩石在高应力、高瓦斯压力作用下发生突然失稳破坏，瞬间释放大量能量，损坏巷道或机电设备，快速改变矿井空气成分，造成人员伤亡，甚至引发瓦斯爆炸等次生灾害，是威胁煤矿安全生产的最主要灾害之一。
随着煤矿开采深度的增加，地应力、煤层瓦斯含量相应增加，煤岩瓦斯动力灾害越加严重。由于煤岩瓦斯动力灾害是煤岩体弹性能、瓦斯能的突然释放，具有瞬时突发性的特点，且具有极大的破坏性。煤岩瓦斯动力灾害表现出明显的非线性特征，与应力、瓦斯、煤岩体物理特征和结构以及开采扰动、上覆岩层垮落等众多因素有关，使得对其发生机理的研究非常复杂和困难，近年来一直是煤矿安全领域研究的热点。受人力、物力、安全及工程条件的制约，对动力灾害进行现场试验和测试往往受到限制。因此，以实验室模拟实验为手段，研究煤岩瓦斯动力灾害的发生机理、影响因素及防治技术，是解决此类问题的有效途径之一。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种煤岩瓦斯动力灾害模拟装置。
一种煤岩瓦斯动力灾害模拟装置，包括缸体组合、卸压装置和数据监测系统，所述缸体组合包括活塞杆、上盖、活塞、活塞用橡胶O型圈、缸体、下盖和下盖用橡胶O型圈，其中，所述缸体上设置方形卸压口；所述卸压装置包括空气压缩机、动力气压缸、支撑梁、支架、卸压板、卸压口封板、方形橡胶垫。
所述的煤岩瓦斯动力灾害模拟装置，所述缸体由厚度为60mm在无缝钢管加工而成，内部镀铬防锈，长度650mm，内径Φ360mm，外径Φ420mm，所述缸体上加工200×200mm方形卸压口和Φ100mm圆形加煤安全口。
所述的煤岩瓦斯动力灾害模拟装置，所述数据监测系统包括应力监测单元、瓦斯监测单元、突出气体成份及能量监测单元、温度监测单元声和发射监测单元。
所述的煤岩瓦斯动力灾害模拟装置，所述应力监测单元：在煤层内不同方向内埋设土压力盒，采集实验过程的应力场变化；所述瓦斯监测单元：在缸体进气口安装瓦斯压力、瓦斯流量传感器，采集实验过程中瓦斯参数变化；所述突出气体成份及能量监测单元：在粉煤槽内安装风速计、气体浓度传感器、加速度传感器监测突出气体量和成份，突出煤体加速度；所述温度监测单元：在煤层及粉煤槽内安设温度传感器监测实验过程中的温度变化；声发射监测单元：将检波探头固定在缸体外壁，监测实验过程中的声发射特征。
本发明的特点就是能够模拟高应力、高瓦斯及不同围岩条件下的动力灾害，更接近于现场工程实际。
附图说明
图1为缸体组合结构示意图；
图2为缸体结构示意图；
图3为本发明煤岩瓦斯动力灾害模拟装置整体结构示意图；
图4为模拟不同厚度煤体突出时的缸体纵剖面示意图；
图5为模拟顶板-含瓦斯煤-底板组合系统失稳破坏时的缸体纵剖面示意图；
图6为模拟不同煤层倾角对破坏的影响时的缸体纵剖面示意图；
图7为模拟非均匀应力对煤体破坏影响时的缸体纵剖面示意图；
图8为模拟不同卸压口径对煤体破坏影响时的缸体纵剖面示意图；
图9为模拟碎性岩体卸压破坏时的缸体横剖面示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
参考图1，煤岩瓦斯动力灾害模拟实验装置包括缸体组合、卸压装置和数据监测系统，所述缸体组合包括活塞杆10、上盖11、活塞12、活塞用橡胶O型圈13、缸体14、下盖17和下盖用橡胶O型圈16，其中缸体上设置方形卸压口15，卸压装置包括空气压缩机、动力气压缸、支撑梁23(两个，左右各一个)、支架22、卸压板24(两个，左右各一个)、卸压口封板21、方形橡胶垫20。动力气压缸型号为SC100/150，压力范围为0.05～1.0MPa；突出口双面卸压板最大行程150mm，厚10mm，表面加工精度≤0.01mm。卸压板通过气缸活塞杆与动力气压缸相连。试验前，将方形橡胶垫20固定于突出口封板21上并放置在卸压口15，检查方形橡胶垫20与卸压口15是否密实接触。两面卸压板24在动力气缸作用下对接于卸压口15中心，并依靠挤压力对卸压口封板21及方形橡胶垫20施加压力，实现卸压口15密封。试验时，由空气压缩机供给支撑梁23预定的压力，带动两侧卸压口封板21高速收回而打开突出口，相当于井下煤岩体中起阻碍破坏作用的“安全煤柱”突然破坏，使含瓦斯煤岩突然卸压以完成试验。
缸体14是本模拟试验装置的主体，由厚度为60mm在无缝钢管加工而成，内部镀铬防锈，长度650mm，内径Φ360mm，外径Φ420mm。缸体14上加工200×200mm方形卸压口15和Φ100mm圆形加煤安全口18(参考图2)。缸体上下加有可拆卸上盖11、下盖17，下盖用螺丝和橡胶O型圈16密封，活塞用三道橡胶O型圈13密封。上盖11固定后可以通过螺丝锁定活塞杆10位置，进而锁定活塞12位置，实现对煤体保载。缸体14上设有进排气口、数据监测线出口(参考图3)。
实验时，将型煤或煤岩组合装入缸体14内，应用压力机1对活塞杆11施压实现对煤体加载，先用真空泵对煤体抽真空，然后通过高压气瓶向煤体内注入CH4或CO2气体，达到实验预设条件后，开动气缸控制活塞，使卸压装置突然打开，完成实验。
整个装置实现了机械化自动控制高速打开突出口，有效解决了同类试验装置中由于手动打开突出口速度偏慢而影响突出强度的技术难题。
由于采用整体密闭缸体、多道O形圈、卸压口专用胶垫，实现了用方形卸压口模拟突出，并可使最大应力达到100MPa，最大气体压力达到10MPa。
参考图3，数据监测系统包括：应力监测单元：在煤层32不同方向埋设土压力盒33，采集实验过程的应力场变化。瓦斯监测单元：在缸体进气口31安装瓦斯压力、瓦斯流量传感器，采集实验过程中瓦斯参数变化。突出气体成份及能量监测单元：在粉煤槽内安装风速计、气体浓度传感器、加速度传感器监测突出气体量和成份，突出煤体加速度。温度监测单元：气体快速解析会吸收热量，因此通过在煤层及粉煤槽内安设温度传感器监测实验过程中的温度变化。声发射监测单元：将检波探头30固定在缸体14外壁，监测实验过程中的声发射特征。
煤岩瓦斯动力灾害模拟实验装置主要功能：
①煤与瓦斯动力灾害模拟，三因素(煤体强度、地应力、瓦斯压力)不同组合突出模拟实验。
②增加垫块35模拟不同厚度煤层破坏情况，如图4。
③煤岩组合失稳破坏过程模拟，如图5，增加顶板煤岩36和底板煤岩37。
④在煤层32上下各增加一块倾斜垫块38模拟不同煤层倾角对失稳破坏的影响，如图6。
⑤在卸压口上方增加倾斜橡胶垫片40，上方覆盖垫块39，利用倾斜橡胶垫片40实现给煤层32传递非均匀应力，模拟非均匀应力作用下(模拟掘进面前方应力集中)煤体失稳破坏的特征，如图7。
⑥利用在缸体卸压口内侧放置钢片模，40，模拟不同卸压口径及形状对含瓦斯煤体失稳破坏的影响，如图8中，A为安装示意图，B-1为开口为方形的钢片模具，B-2为开口为较大圆形的钢片模具，B-3为开口为较小圆形的钢片模具。
⑦碎性岩体岩爆(冲击地压)模拟实验。通过在缸体内增加弧形垫块42，可实现突然卸载情况下碎性煤岩体的突然卸压破坏，如图9，为缸体14的横剖面示意图。
煤岩瓦斯动力灾害的发生机理极其复杂，至今为止，仍是困扰煤矿安全生产的主要灾害之一。由于煤岩瓦斯动力灾害是煤岩体与弹性能、瓦斯能的突然释放，具有瞬时突发性的特点，具有极大的破坏性和难重复性，难以在现场进行试验研究。本发明专利可以在室内模拟煤岩瓦斯动力灾害的发生过程，具有功能多、充气压力大、模拟条件复杂、数据采集装置齐全等特点，通过本装置进行煤岩瓦斯动力灾害模拟实验，可以再现煤矿现场灾害发生过程，能够对动力灾害的发生条件、临界状态、能量释放和防治措施等进行深入研究，对于掌握煤矿动力灾害发生机理，制定完善的开采方案和防治动力灾害措施、保证煤矿安全生产有重要的推动作用。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种煤岩瓦斯动力灾害模拟装置，其特征在于，包括缸体组合、卸压装置和数据监测系统，所述缸体组合包括活塞杆、上盖、活塞、活塞用橡胶O型圈、缸体、下盖和下盖用橡胶O型圈，其中，所述缸体上设置方形卸压口；所述卸压装置包括空气压缩机、动力气压缸、支撑梁、支架、卸压板、卸压口封板、方形橡胶垫；所述数据监测系统包括应力监测单元、瓦斯监测单元、突出气体成份及能量监测单元、温度监测单元声和声发射监测单元；所述应力监测单元：在煤层内不同方向内埋设土压力盒，采集实验过程的应力场变化；所述瓦斯监测单元：在缸体进气口安装瓦斯压力、瓦斯流量传感器，采集实验过程中瓦斯参数变化；所述突出气体成份及能量监测单元：在粉煤槽内安装风速计、气体浓度传感器、加速度传感器监测突出气体量和成份，突出煤体加速度；所述温度监测单元：在煤层及粉煤槽内安设温度传感器监测实验过程中的温度变化；声发射监测单元：将检波探头固定在缸体外壁，监测实验过程中的声发射特征。
2.根据权利要求1所述的煤岩瓦斯动力灾害模拟装置，其特征在于，所述缸体由厚度为60mm在无缝钢管加工而成，内部镀铬防锈，长度650mm，内径Φ360mm，外径Φ420mm，所述缸体上加工200×200mm方形卸压口和Φ100mm圆形加煤安全口。
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