CN103412110B - 三轴煤与瓦斯多次突出试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三轴煤与瓦斯多次突出试验方法，步骤如下：1）将装有原煤试件的伸缩钢套安装在围压腔上盖和下承压板之间；2）在伸缩钢套内放置各种传感器；3）密封铝片Ⅰ设置在密封锥套上；4）在主压力室的顶部安装第一次压力室和第二次压力室；5）监测试验前后原煤试件的应力、温度以及气体压力的变化；6）对主压力室内的试件进行加压；7）对主压力室胶套内部的空气进行排空；8）对主压力室内的原煤试件和次压力室内充入瓦斯气体；9）一次突出试验；10）二次突出试验。该试验方法能够采用不同尺寸的原煤在三轴应力状态下进行煤与瓦斯突出试验，对煤与瓦斯突出发生的机理进行更全面、更科学的研究。

Description

三轴煤与瓦斯多次突出试验方法

技术领域

本发明涉及一种煤与瓦斯突出试验方法，特别是涉及一种三轴煤与瓦斯多次突出试验方法。

背景技术

煤与瓦斯突出是煤矿井下一种极其复杂的动力现象，它严重地威胁着煤矿安全生产，影响着煤矿生产能力的发挥。在掘进工作面，特别是石门揭煤过程中经常发生煤与瓦斯延期突出，它是爆破或作业后一段时间内在爆破或作业处发生的煤与瓦斯突出。急倾斜煤层等在第一次突出发生后也曾发生过二次突出甚至是三次突出。据不完全统计，全国发生延期突出次数占总突出次数的百分之几，尽管所占比例不大，但因为“延期”，这类突出往往出乎人们的意料之外，延期突出的延期时间，无一定的规律，短则几分钟，长则十几小时，甚至几天;二次突出也常发生在第一次突出后的清理过程中；如果突出时，正好碰上工作面有人进行作业或者是正在对上次突出后进行清理，人员不能及时撤退，对矿工的危害极大，造成重大人员伤亡和财产损失，严重威胁着矿井安全生产。煤与瓦斯突出发生的机理与形式是复杂的，随着煤矿开采深度的增加以及开采条件日益复杂化，煤与瓦斯突出的发生也更加难以预测，目前，国内外学者对煤与瓦斯突出的机理研究已取得一些成果，但是绝大部分成果都是现场统计资料及实验室研究提出的假说。这些假说都只能对煤与瓦斯突出的某一部分现象给予说明，还不能构成量化的完整的原理体系。利用现有的假说对煤与瓦斯突出进行预测有很大的难度，并且准确性不高，这就给矿井安全生产带来了巨大的隐患。

目前，进行煤与瓦斯突出试验的装置主要存在以下问题：（1）采用的试件多为型煤，型煤虽然在一定程度上与原煤有相似性，但是两者还是存在较大的差异，在对煤与瓦斯突出机理的研究上有一定的局限性；（2）部分型煤试件尺寸较大，试验准备周期较长；（3）装置安装较为复杂；（4）装置只能产生一次突出，不能够真实的反映井下煤与瓦斯突出现象；（5）突出口打开速度较慢，在一定程度上影响了煤与瓦斯突出的时间，不能接近现场情况。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明提供了一种三轴煤与瓦斯多次突出试验方法。该试验方法能够达到快速泄压的效果，并且能产生煤与瓦斯多次突出或煤与瓦斯延时突出的现象，从而对煤与瓦斯突出发生的机理进行更全面、更科学的研究。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

三轴煤与瓦斯多次突出试验方法，在该试验方法中采用了一种主压力室、第一次压力室和第二次压力室；

该主压力室包括围压室底座、钢筒、围压腔上盖、突出口密封锥套、密封铝片Ⅰ、密封螺塞Ⅰ、升降丝杆、可驱动升降丝杆上升或下降的驱动机构，负荷传感器、下承压板和围压活塞；所述钢筒放置在围压室底座上，所述围压腔上盖与钢筒之间设置围压密封圈，围压腔上盖通过拉杆压在钢筒上；所述下承压板设置在钢筒内并与钢筒的内壁滑动配合，所述升降丝杆竖直设置在下承压板的下方并通过负荷传感器顶在下承压板上，所述下承压板的上部呈锥形结构，所述围压活塞套在下承压板的上部并与下承压板密封配合，所述围压活塞与钢筒的内壁密封配合；所述围压腔上盖的中部为上口大的锥形中空结构，所述突出口密封锥套压在围压腔上盖的锥形口内并与围压腔上盖密封配合；

所述第一次压力室和第二次压力室均包括压力室套筒、弹簧锁止销、刺破刀具、蓄能弹簧座、蓄能弹簧、顶盖、密封铝片Ⅱ和密封螺塞Ⅱ；所述压力室套筒的圆周上均布设有至少两个通孔，每个通孔内设有一伸进压力室套筒内的弹簧锁止销，所述弹簧锁止销与通孔滑动、且密封配合；所述蓄能弹簧座为中空结构，蓄能弹簧座设在压力室套筒内并与压力室套筒的内壁滑动配合，所述顶盖为中空结构并安装在压力室套筒的顶部，顶盖与压力室套筒密封配合，所述蓄能弹簧的一端压在蓄能弹簧座上，蓄能弹簧的另一端压在顶盖上，所述蓄能弹簧座压在弹簧锁止销上；所述刺破刀具为中空结构，刺破刀具安装在蓄能弹簧座的中部下方；所述密封铝片Ⅱ设置在顶盖的中空孔内，密封螺塞Ⅱ旋合在顶盖的中空孔内并压在密封铝片Ⅱ上；  

该试验方法包括如下步骤：

1）提取原煤试件，将原煤试件装在伸缩钢套内并由伸缩钢套固定，伸缩钢套安装在主压力室内的围压腔上盖和下承压板之间，再用胶套套在伸缩钢套外将原煤试件密封；

2）在伸缩钢套内放置温度传感器、压力传感器、轴向位移传感器和径向引伸计；

3）所述密封铝片设置在突出口密封锥套上，所述密封螺塞Ⅰ为中空结构，密封螺塞Ⅰ旋合在围压腔上盖的上端口内并压在密封铝片Ⅰ上，密封铝片Ⅰ与突出口密封锥套密封配合； 

4）在主压力室的顶部安装第一次压力室，使第一次压力室的压力室套筒与围压腔上盖的顶部密封配合，第一次压力室上的刺破刀具对准主压力室上的密封铝片Ⅰ；在第一次压力室的顶部安装第二次压力室，使第二次压力室的压力室套筒与第一次压力室的压力室套筒的顶部密封配合，第二次压力室上的刺破刀具对准第一次压力室上的密封铝片Ⅱ；

5）启动数据控制与采集系统，监测试验前后原煤试件的应力、温度以及气体压力的变化，并对其进行采集；

6）对主压力室内的原煤试件进行加压，向伸缩钢套与钢筒之间注水，对伸缩钢套内的原煤试件施加围压；通过升降丝杆对伸缩钢套内的原煤试件施加轴压；

7）对主压力室胶套内部的空气进行排空，在保持轴压与围压不变的情况下用真空泵抽掉主压力室胶套内部的空气，直至气体压力低于10Pa；

8）在保持轴压与围压不变的情况下，分别对主压力室内的原煤试件、第一次压力室和第二次压力室内充入瓦斯气体，使原煤试件吸附气体达到平衡状态，充入瓦斯气体必须保证48h以上；而第一次压力室和第二次压力室内的气体压力要低于主压力室的胶套内部的气体压力； 

9）一次突出：第一次压力室内的刺破刀具刺破主压力室上的密封铝片Ⅰ；胶套内的原煤试件和瓦斯气体发生突出；

10）二次突出：第二次压力室内的刺破刀具刺破第一次压力室上的密封铝片Ⅱ，二次突出发生；对整个实验过程中的各个数据进行实时监测与收集。

与现有技术相比，本发明的三轴煤与瓦斯多次突出试验方法具有如下优点：

1、该试验方法能够达到快速泄压的效果，并且能产生煤与瓦斯多次突出或煤与瓦斯延时突出的现象，从而对煤与瓦斯突出发生的机理进行更全面、更科学的研究。

2、该试验方法可以监测原煤体在突出前后中的瓦斯压力、应力应变状态和温度变化情况，以达到在各种因素作用下认识煤与瓦斯突出机制的目标；因为试验中采用原煤进行试验，结果更符合实际情况，能更好的揭示各种因素的作用。

3、该试验方法能够实现多次突出与延期突出试验，为这类特殊且危害程度大的突出情况的防止提供基础。通过调节各压力室的压力差诱发不同程度的突出。可以认识突出过程对煤体的破坏作用，对于煤层中软分层和突出煤成因研究提供支持；为煤体在突出作用下的损伤情况及微观破坏状态研究提供基础。以便更科学的研究煤与瓦斯突出产生的机理，形成科学的、完善的理论，为煤矿对煤与瓦斯突出的防治提供理论基础。

附图说明

图1为三轴煤与瓦斯多次突出试验装置的左视图；

图2为三轴煤与瓦斯多次突出试验装置的主视图；

图3为主压力室的结构示意图；

图4为主压力室上部密封的结构示意图；

图5为主压力室下部密封的结构示意图；

图6为次压力室的剖面视图；

图7为次压力室的俯视图。

附图中： 1—升降丝杆； 2—负荷传感器； 3—瓦斯进气管； 4—下承压板；5—围压活塞； 6—围压密封圈； 7—电缆密封接头； 8—径向引伸计； 9—伸缩钢套； 10—内置应变片； 11—胶套； 12—突出口密封锥套； 13—密封圈； 14—密封铝片Ⅰ； 15—密封螺塞Ⅰ； 16—突出口气压传感器； 17—排气阀； 18—围压腔上盖； 19—围压密封圈； 20—钢筒； 21—防护网； 22—拉杆； 23—安装压板； 24—围压室底座； 25—围压压力水管； 26—抽真空气管； 27—瓦斯进气道； 28—压力水进水道； 29—主压力室； 30—第一次压力室； 31—第二次压力室； 32—压力室套筒； 33—弹簧锁止销； 34—刺破刀具； 35—蓄能弹簧座； 36—蓄能弹簧； 37—顶盖； 38—密封铝片Ⅱ； 39—密封螺塞Ⅱ； 40—机架； 41—支座； 42—立柱； 43—移动横梁； 44—移动横梁驱动电机； 45—涡轮减速器； 46—磁带位移传感器； 47—锁止销密封圈； 48—密封圈； 49—螺钉； 50—牵引电磁铁； 51—齿条； 52—导向套； 53—齿条复位部件； 54—齿轮和凸轮机构； 55—护罩； 56—护罩锁紧螺钉； 57—复位弹簧。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

三轴煤与瓦斯多次突出试验方法，在该试验方法中采用了一种试验装置，如图1、2所示，试验装置包括机架40、支座41、主压力室29、第一次压力室30和第二次压力室31。支座41安装在机架40上，在机架40的两侧分别竖直设置立柱42，在两个立柱42之间设置一移动横梁43和移动横梁驱动电机44，移动横梁43与立柱42滑动配合。

主压力室的结构如图3、4和5所示，该主压力室29包括围压室底座24、钢筒20、围压腔上盖18、突出口密封锥套12、密封铝片Ⅰ14、密封螺塞Ⅰ15、升降丝杆1、可驱动升降丝杆1上升或下降的驱动机构，负荷传感器2、下承压板4和围压活塞5。围压室底座24通过安装压板23安装在机架40上，钢筒20放置在围压室底座24上，围压腔上盖18与钢筒20之间设置围压密封圈19，围压腔上盖18通过拉杆22压在钢筒20上，在钢筒20外设置一层防护网21。下承压板4设置在钢筒20内并与钢筒20的内壁滑动配合，升降丝杆1竖直设置在下承压板4的下方并通过负荷传感器2顶在下承压板4上。下承压板4的上部呈锥形结构，围压活塞5套在下承压板4的上部并通过胶套11与下承压板4密封配合，围压活塞5的外壁通过围压密封圈6与钢筒20的内壁密封配合。围压腔上盖18的中部为上口大的锥形中空结构，突出口密封锥套12压在围压腔上盖18的锥形口内并通过胶套11与围压腔上盖18密封配合，在围压腔上盖18上设有排气阀17。在围压活塞5和下承压板4的中部设有瓦斯进气道27和排真空气道，瓦斯进气道27与瓦斯进气管3连接，排真空气道与抽真空气管26连接，在围压活塞5和下承压板4上并靠近边缘设有压力水进水道28，压力水进水道28与围压压力水管25连接。升降丝杆1为滚珠丝杆，驱动机构包括设置在升降丝杆1下方的涡轮减速器45以及电机，电机带动涡轮减速器45等部件驱动升降丝杆1向上或向下移动，从而推动下承压板4向上或向下移动。在涡轮减速器45的下方设有磁带位移传感器46。

如图6、7所示，第一次压力室30和第二次压力室31均包括压力室套筒32、弹簧锁止销33、刺破刀具34、蓄能弹簧座35、蓄能弹簧36、顶盖37、密封铝片Ⅱ38、密封螺塞Ⅱ39和锁止销驱动机构。压力室套筒32的圆周上均布设有至少两个通孔（本实施例中，压力室套筒32的圆周上均布设有三个通孔），每个通孔内设有一伸进压力室套筒32内的弹簧锁止销33，弹簧锁止销33通过锁止销密封圈47与通孔内壁密封配合，弹簧锁止销33也可在通孔内滑动。蓄能弹簧座35为中空结构，蓄能弹簧座35设在压力室套筒32内并与压力室套筒32的内壁滑动配合。顶盖37为中空结构并通过螺钉49安装在压力室套筒32的顶部，顶盖37与压力室套筒32的顶部密封配合。蓄能弹簧36的一端压在蓄能弹簧座35上，蓄能弹簧36的另一端压在顶盖37上，蓄能弹簧座35压在弹簧锁止销33上。刺破刀具34为中空结构，刺破刀具34安装在蓄能弹簧座35的中部下方，本实施例中，刺破刀具34为中空管，中空管的一端通过法兰盘连接在蓄能弹簧座35的中部下方，中空管的另一端为锥形结构。密封铝片Ⅱ38设置在顶盖37的中空孔内，密封螺塞Ⅱ39旋合在顶盖37的中空孔内并压在密封铝片Ⅱ38上，密封铝片Ⅱ38通过密封圈48与顶盖37的内孔壁密封配合。锁止销驱动机构包括牵引电磁铁50、齿条51、导向套52、齿条复位部件53、齿轮和凸轮机构54、护罩55和护罩锁紧螺钉56。齿条51靠近两端分别设有一导向套52，齿条51与导向套52滑动配合，齿条51的一端设置牵引电磁铁50，该牵引电磁铁50用于驱动齿条51在导向套52上滑动，在齿条51的另一端设置齿条复位部件53。齿轮和凸轮机构54上的齿轮与齿条51齿啮合，凸轮与弹簧锁止销33可滑动接触，在凸轮转动的过程中，凸轮可推动弹簧锁止销33向压力室套筒32内移动，在凸轮脱离弹簧锁止销33时，在复位弹簧57的作用下，弹簧锁止销33向外移动。在齿轮和凸轮机构54外设置护罩55，护罩55之间通过护罩锁紧螺钉56连接。 

该三轴煤与瓦斯多次突出试验方法，包括如下步骤：

1）提取直径为50～100mm的原煤试件，将原煤试件装在伸缩钢套9内并由伸缩钢套9固定，伸缩钢套9安装在主压力室29内的围压腔上盖18和下承压板4之间，再用胶套11套在伸缩钢套9外将原煤试件密封。使瓦斯进气道27和排真空气道与原煤试件相通，本实施例中，排真空气道与瓦斯进气道27连通。使胶套11和钢筒20之间形成围压腔，围压腔与压力水进水道28相通，排气阀17与围压腔内相通。

2）在伸缩钢套9内放置温度传感器、压力传感器、内置应变片10（包括轴向位移传感器和径向引伸计8），完成各种引线的连接。径向引伸计8的引线通过电缆密封接头7与围压活塞5上的电缆接头连接。

3）密封铝片Ⅰ14设置在突出口密封锥套12上，密封螺塞Ⅰ15旋合在围压腔上盖18的上端口内并压在密封铝片Ⅰ14上，密封铝片Ⅰ14通过密封圈13与突出口密封锥套12密封配合。在靠近突出口密封锥套12的内孔设置有突出口气压传感器16。 

4）在主压力室29的顶部安装第一次压力室30，使第一次压力室30的压力室套筒32与围压腔上盖18的顶部密封配合，第一次压力室30上的刺破刀具34对准主压力室29上的密封铝片Ⅰ14。在第一次压力室30的顶部安装第二次压力室31，使第二次压力室31的压力室套筒32与第一次压力室30的压力室套筒32的顶部密封配合，第二次压力室31上的刺破刀具34对准第一次压力室30上的密封铝片Ⅱ38。

5）启动数据控制与采集系统，监测试验前后原煤试件的应力、温度以及气体压力的变化，并对其进行采集。

6）对主压力室内的原煤试件进行加压，通过围压压力水管25和压力水进水道28向伸缩钢套9与钢筒20之间的围压腔内注水，对伸缩钢套9内的原煤试件施加围压；通过升降丝杆1对伸缩钢套9内的原煤试件施加轴压，将轴压和围压加至预定载荷。

7）对主压力室胶套11内部的空气进行排空，在保持轴压与围压不变的情况下用真空泵通过抽真空气管26和排真空气道抽掉主压力室胶套11内部的空气，直至气体压力低于10Pa。

8）在保持轴压与围压不变的情况下，通过瓦斯进气管3和瓦斯进气道27向原煤试件充入瓦斯气体，对第一次压力室30和第二次压力室31内充入瓦斯气体，使原煤试件吸附气体达到平衡状态，充入瓦斯气体必须保证48h以上；而第一次压力室30和第二次压力室31内的气体压力要低于主压力室29的胶套11内部的气体压力。 

9）一次突出：第一次压力室30内的刺破刀具34刺破主压力室29上的密封铝片Ⅰ14；胶套11内的原煤试件和瓦斯气体发生突出。

10）二次突出：第二次压力室31内的刺破刀具34刺破第一次压力室30上的密封铝片Ⅱ38，二次突出发生；对整个实验过程中的各个数据进行实时监测与收集。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.三轴煤与瓦斯多次突出试验方法，其特征在于，在该试验方法中采用了一种包括主压力室（29）、第一次压力室（30）和第二次压力室（31）的试验装置；

该主压力室（29）包括围压室底座（24）、钢筒（20）、围压腔上盖（18）、突出口密封锥套（12）、密封铝片Ⅰ（14）、密封螺塞Ⅰ（15）、升降丝杆（1）、可驱动升降丝杆（1）上升或下降的驱动机构，负荷传感器（2）、下承压板（4）和围压活塞（5）；所述钢筒（20）放置在围压室底座（24）上，所述围压腔上盖（18）与钢筒（20）之间设置围压密封圈（19），围压腔上盖（18）通过拉杆（22）压在钢筒（20）上；所述下承压板（4）设置在钢筒（20）内并与钢筒（20）的内壁滑动配合，所述升降丝杆（1）竖直设置在下承压板（4）的下方并通过负荷传感器（2）顶在下承压板（4）上，所述下承压板（4）的上部呈锥形结构，所述围压活塞（5）套在下承压板（4）的上部并与下承压板（4）密封配合，所述围压活塞（5）与钢筒（20）的内壁密封配合；所述围压腔上盖（18）的中部为上口大的锥形中空结构，所述突出口密封锥套（12）压在围压腔上盖（18）的锥形口内并与围压腔上盖（18）密封配合；

所述第一次压力室（30）和第二次压力室（31）均包括压力室套筒（32）、弹簧锁止销（33）、刺破刀具（34）、蓄能弹簧座（35）、蓄能弹簧（36）、顶盖（37）、密封铝片Ⅱ（38）和密封螺塞Ⅱ（39）；所述压力室套筒（32）的圆周上均布设有至少两个通孔，每个通孔内设有一伸进压力室套筒（32）内的弹簧锁止销（33），所述弹簧锁止销（33）与通孔滑动、且密封配合；所述蓄能弹簧座（35）为中空结构，蓄能弹簧座（35）设在压力室套筒（32）内并与压力室套筒（32）的内壁滑动配合，所述顶盖（37）为中空结构并安装在压力室套筒（32）的顶部，顶盖（37）与压力室套筒（32）密封配合，所述蓄能弹簧（36）的一端压在蓄能弹簧座（35）上，蓄能弹簧（36）的另一端压在顶盖（37）上，所述蓄能弹簧座（35）压在弹簧锁止销（33）上；所述刺破刀具（34）为中空结构，刺破刀具（34）安装在蓄能弹簧座（35）的中部下方；所述密封铝片Ⅱ（38）设置在顶盖（37）的中空孔内，密封螺塞Ⅱ（39）旋合在顶盖（37）的中空孔内并压在密封铝片Ⅱ（38）上；  

该试验方法包括如下步骤：

1）提取原煤试件，将原煤试件装在伸缩钢套（9）内并由伸缩钢套（9）固定，伸缩钢套（9）安装在主压力室内的围压腔上盖（18）和下承压板（4）之间，再用胶套（11）套在伸缩钢套（9）外将原煤试件密封；

2）在伸缩钢套（9）内放置温度传感器、压力传感器、轴向位移传感器和径向引伸计（8）；

3）所述密封铝片Ⅰ（14）设置在突出口密封锥套（12）上，所述密封螺塞Ⅰ（15）为中空结构，密封螺塞Ⅰ（15）旋合在围压腔上盖（18）的上端口内并压在密封铝片Ⅰ（14）上，密封铝片Ⅰ（14）与突出口密封锥套（12）密封配合； 

4）在主压力室（29）的顶部安装第一次压力室（30），使第一次压力室（30）的压力室套筒（32）与围压腔上盖（18）的顶部密封配合，第一次压力室（30）上的刺破刀具（34）对准主压力室（29）上的密封铝片Ⅰ（14）；在第一次压力室（30）的顶部安装第二次压力室（31），使第二次压力室（31）的压力室套筒（32）与第一次压力室（30）的压力室套筒（32）的顶部密封配合，第二次压力室（31）上的刺破刀具（34）对准第一次压力室（30）上的密封铝片Ⅱ（38）；

5）启动数据控制与采集系统，监测试验前后原煤试件的应力、温度以及气体压力的变化，并对其进行采集；

6）对主压力室内的原煤试件进行加压，向伸缩钢套（9）与钢筒（20）之间注水，对伸缩钢套（9）内的原煤试件施加围压；通过升降丝杆（1）对伸缩钢套（9）内的原煤试件施加轴压；

7）对主压力室胶套（11）内部的空气进行排空，在保持轴压与围压不变的情况下用真空泵抽掉主压力室胶套（11）内部的空气，直至气体压力低于10Pa；

8）在保持轴压与围压不变的情况下，分别对主压力室内的原煤试件、第一次压力室（30）和第二次压力室（31）内充入瓦斯气体，使原煤试件吸附气体达到平衡状态，充入瓦斯气体必须保证48h以上；而第一次压力室（30）和第二次压力室（31）内的气体压力要低于主压力室（29）的胶套（11）内部的气体压力； 

9）一次突出：第一次压力室（30）内的刺破刀具（34）刺破主压力室（29）上的密封铝片Ⅰ（14）；胶套（11）内的原煤试件和瓦斯气体发生突出；

10）二次突出：第二次压力室（31）内的刺破刀具（34）刺破第一次压力室（30）上的密封铝片Ⅱ（38），二次突出发生；对整个实验过程中的各个数据进行实时监测与收集。