CN103529188A - 一种煤与瓦斯突出渗透失稳试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及煤矿地下开采煤与瓦斯突出预测及防治领域，特别是涉及一种煤与瓦斯突出渗透失稳试验装置，该试验装置包括一组合煤样室，组合煤样室由多个单节煤样室连接而成，单节煤样室由无缝钢管制成，每个单节煤样室的外壁均设有单向进气阀以及气压测量装置，每个单向进气阀均与注气管连接；每个单节煤样室内腔中均装有煤样，煤样通过煤样压实装置压实，装有已压实煤样的单节煤样室经法兰连接在一起形成组合煤样室；所述组合煤样室在靠近揭煤模拟装置一端的外端盖上装有放气阀。本发明的组合煤样室采用多节拼装形式，能够保证煤样有相同的压实度，且保证煤样有足够的长度实现气压梯度的观测；通过注气管、放气阀及砂砾石层可以调整揭煤前、后煤样的气压梯度。

Description

一种煤与瓦斯突出渗透失稳试验装置

【技术领域】

本发明涉及煤矿地下开采煤与瓦斯突出预测与防治领域，特别是涉及一种煤与瓦斯突出渗透失稳试验装置。

【背景技术】

煤与瓦斯突出是主要的矿井灾害之一。

由于煤与瓦斯突出机理的复杂性，国内外对煤与瓦斯突出机理的研究仍在继续探索中。煤与瓦斯突出机理的假说之一“渗透失稳机理假说”，强调的是煤层瓦斯压力梯度对煤层稳定性的作用。然而，煤层瓦斯压力梯度对煤与瓦斯突出强度的影响如何，需要通过试验来检验。目前，缺少专门的煤与瓦斯突出渗透失稳的试验装置。

中国专利ZL200810021141.6公开了一种煤层瓦斯动力作用模拟系统，包括有注气系统、装样系统、压实系统和信息采集系统，装样系统，包括有布置多种信息传感器的高压缸体，所述高压缸体一端安装有卸气阀门，另一端为密封液压柱塞；所述液压柱塞内有液压油腔，液压柱塞中间有贯穿柱塞的进气管，所述的进气管穿过液压油腔的端盖；所述的注气系统包括高压气瓶、调压阀、管阀件，向进气管提供瓦斯气体；所述的压实系统包括有液压泵站，向液压柱塞内的液压油腔注油，提供油压；所述装样、压实、注气过程的数据采集由信息采集系统控制。

中国专利ZL200910103154.2公开了一种煤与瓦斯突出综合试验装置，包括煤样室、地应力模拟加载系统和气压加载设备，所述煤样室设置煤与瓦斯喷出口，煤与瓦斯喷出口设置阀，还包括密闭容器，所述气压加载设备的加压气体通道与密闭容器内部相通，地应力模拟加载系统包括充压设备、设置在密闭容器内的施力胶囊和加载装置，所述施力胶囊的胶囊壁为夹层设置，充压设备的充压通道与胶囊壁夹层相通，加载装置包括至少两个加载块，所述煤样室由至少两个加载块围成，相邻加载块之间存在间隙，所述施力胶囊套在煤样室外部；所述煤与瓦斯喷出口设置在密闭容器外部；所述施力胶囊为上下开口的圆柱形，由加载块围成的煤样室为上下开口的圆柱形；还包括压力采集装置和摄像机，所述压力采集装置设置在煤样室内，煤样室与摄像机相对的位置透明设置。

上述试验装置存在的主要缺陷是：煤样室只有单节，且只能一次性加载煤样，导致煤样室煤样长度较短且煤样压实不均匀，不利于进行瓦斯压力梯度试验的观测，不利于对煤与瓦斯突出发展过程的研究。此外，没有密闭的模拟巷道，不能研究巷道背景气压变化对突出的影响。

【发明内容】

为克服现有技术的不足之处，本发明提供一种煤与瓦斯突出渗透失稳试验装置，为煤层瓦斯突出研究提供一种专用的渗透失稳试验装置，以准确获取煤层瓦斯压力梯度对煤层稳定性的数据。

本发明所采用的技术方案是：一种煤与瓦斯突出渗透失稳试验装置，该试验装置包括一组合煤样室，所述组合煤样室由多个单节煤样室连接而成，所述单节煤样室由无缝钢管制成，两端设有法兰，每个所述单节煤样室的外壁均设有单向进气阀以及气压测量装置，每个所述单向进气阀均与注气管连接；每个所述单节煤样室内腔中均装有煤样，煤样通过煤样压实装置压实，煤样压实后固定在煤样室，装有已压实煤样的单节煤样室通过法兰连接在一起形成组合煤样室，虽然每个单节煤样室之间的煤样存在缝隙，但是从渗透失稳的角度不影响试验的总体效果；所述组合煤样室在靠近揭煤模拟装置一端的外端盖上装有放气阀；组合煤样室可保证煤样有足够的长度实现气压梯度的观测，以及保证组合煤样室的煤样有相同的压实度。注气管为组合煤样室煤样注气，并达到所需气压。打开组合煤样室的放气阀，就可以调整揭煤前煤样室煤层瓦斯压力梯度。

进一步的，所述煤样压实装置包括反力框架和油压千斤顶，所述油压千斤顶固定于所述反力框架的测试中心区，所述油压千斤顶的油管穿过所述单节煤样室的外壁与油泵连接。反力框架为现有技术，主要包括辅助梁、反力梁、分配梁、加载体和油压系统组成，由反力框架提供反力，油压施荷，可以对煤样室的煤样进行压实。

进一步的，所述试验装置还包括一组合模拟巷道，所述组合模拟巷道由多个单节模拟巷道连接而成，所述单节模拟巷道由无缝钢管制成，两端设有法兰，组合模拟巷道的外端盖设有放气阀，所述放气阀外接流量计用于测量气体体积；所述组合模拟巷道一端与所述组合煤样室通过连接管连接，该连接管上设有球阀作为揭煤模拟装置。组合模拟巷道可保证模拟巷道有足够长的空间，更加符合实际情况。所述揭煤模拟装置采用的是球阀。打开球阀可进行揭煤试验，用于测量模拟巷道中喷出的煤粉量和组合煤样室中的松散煤粉量，评价瓦斯突出的强度。

进一步的，所述单节模拟巷道中至少有一个安装有沙砾石层，所述沙砾石层通过两端的滤网固定。在组合模拟巷道中设置沙砾石层，在揭煤后起到延长气体渗流长度，达到降低煤样室煤样气体压力梯度的作用，缩短突出持续的时间，降低突出强度，研究突出发生后煤样室煤样气压梯度改变对突出发展过程的影响。

发明原理：通过煤样压实装置对单节煤样室的煤样进行压实达到一定压实度。将装有已压实煤样的单节煤样室通过法兰组装到一起形成组合煤样室，使组合煤样室有一定的长度。将单节模拟巷道通过法兰组装到一起形成组合模拟巷道，使组合模拟巷道有一定长度。组合模拟巷道与组合煤样室之间通过连接管连接在一起，连接管上装有球阀作为揭煤模拟装置。通过注气管向组合煤样室煤样注气，通过煤样室的放气阀放气使煤样室煤样有一定的气压梯度，当煤样室气压梯度为一定值时打开揭煤模拟装置，以此研究煤层的临界失稳梯度。组合模拟巷道外端盖上装有注气阀，通过注气阀向模拟巷道注气，用于调整模拟巷道中的背景气压，也起到调整煤样室煤样气压梯度的作用。组合模拟巷道中安装有沙砾石层。在揭煤后起到延长气体渗流长度，达到降低煤样室煤样气体压力梯度的作用，从而缩短突出持续的时间，降低突出强度。通过调整砂砾石层厚度及砂砾石粒径，可以调整突出的强度。据此研究组合煤样室煤样突出的发展过程。突出的强度通过测量揭煤后组合模拟巷道中突出的煤粉量和组合煤样室中的松散煤粉量的质量来确定。

本发明具有的有益效果是：本发明能模拟石门揭煤时煤与瓦斯突出的过程。组合煤样室采用多节拼装形式，能够保证组合煤样室的煤样有相同的压实度，且保证煤样有足够的长度实现气压梯度的观测，有利于观测突出向煤样室深部发展的过程。通过组合煤样室的注气管、放气阀和组合模拟巷道的注气管调节揭煤前的煤样室中煤样的气压梯度，研究揭煤前煤样室气压梯度对突出的影响；通过组合模拟巷道中的砂砾石层调整揭煤后煤样室中煤样的气压梯度，研究揭煤后煤样室气压梯度对突出的影响。突出的煤粉收集在模拟巷道中，能实现突出强度的测定。

【附图说明】

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的描述。

图1是本发明突出试验系统结构原理示意图；

图2是本发明煤样压实装置结构原理示意图；

图3是本发明反力框架结构示意图；

图4是本发明反力框架俯视图。

图中，1-1.托架，1-2.煤样室注气管外接口(外接高压气瓶)，1-3.组合煤样室，1-4.法兰，1-5.气压表，1-6.注气管，1-7.连接螺栓，1-8.放气阀，1-9.连接管，1-10.活接头，1-11.球阀(揭煤模拟装置)，1-12.砂砾石层，1-13.滤网，1-14.组合模拟巷道，1-15.模拟巷道注气阀，1-16.模拟巷道放气阀(外接流量计)，2-1.油压千斤顶，2-2.反力框架，2-3.单节煤样室。

【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。图1是本发明突出试验系统结构原理示意图。图2是本发明煤样压实装置原理示意图。

参见图1，一种煤与瓦斯突出渗透失稳试验装置，该试验装置包括一组合煤样室，1-3，组合煤样室1-3由多个单节煤样室2-3连接而成，单节煤样室2-3由无缝钢管制成，两端设有法兰1-4，每个单节煤样室2-3的外壁均设有单向进气阀和气压表1-5，组合煤样1-3外接放气阀1-8，每个单向进气阀均与注气管1-6连接，每个单节煤样室2-3内均装有煤样，每个单节煤样室2-3内的煤样经专门的煤样压实装置分别压实后(如图2所示)，通过法兰1-4和连接螺栓1-7组合在一起，形成一定长度的组合煤样室1-3。

进一步的，所述煤样压实装置包括反力框架2-2和油压千斤顶2-1，油压千斤顶2-1固定于反力框架2-2的测试中心区，油压千斤顶2-1的油管穿过单节煤样室2-3的外壁与油泵连接。反力框架2-2采用现有产品(如图3、4所示)，主要包括辅助梁、反力梁、分配梁、加载体和油压系统组成，由反力架提供反力，油压系统施荷，通过油压千斤顶2-1给单节煤样室2-3中的煤样施加一定压力，保证煤样有一定压实度。

组合煤样室1-3采用多节拼装形式，能够保证组合煤样室的煤样有相同的压实度，且保证煤样有足够的长度实现气压梯度的观测，有利于观测突出向煤样室深部发展的过程。通过组合煤样室1-3的注气管1-6、放气阀1-8调节揭煤前煤样室中煤样的气压梯度，有利于研究揭煤前煤样室气压梯度对突出的影响。

进一步的，试验装置还包括一组合模拟巷道1-14，组合模拟巷道由多个单节模拟巷道连接而成，单节模拟巷道由无缝钢管制成，两端设有法兰，单节模拟巷道通过法兰1-4和连接螺栓1-7组合在一起形成组合模拟巷道1-14，组合煤样室1-3和组合模拟巷道1-14由连接管1-9和活接头1-10连接，连接管1-9上装有球阀1-11作为揭煤模拟装置，揭煤前球阀1-11处于关闭状态。

单节模拟巷道中至少有一个安装有沙砾石层1-12，沙砾石层1-12通过两端的滤网1-13固定，揭煤后，砂砾石层1-12起到延长气体渗流长度的作用，使组合煤样室1-3中煤样的气压梯度降低，缩短突出的终止时间，降低突出强度。

通过注气管1-6、放气阀1-8以及模拟巷道注气阀1-15调节揭煤前煤样室中煤样的气压梯度，通过组合模拟巷道中的砂砾石层1-12，调整揭煤后煤样室中煤样的气压梯度，可进一步揭示揭煤后煤样室气压梯度对突出的影响。突出的煤粉收集在模拟巷道1-14中，能实现突出强度的测定。

本试验装置的使用方法如下：注气管1-6通过煤样室注气管外接口1-2外接高压气瓶，通过外接高压气瓶向组合煤样室1-3中的煤样注气，组合煤样室1-3和组合模拟巷道安装有气压表1-5测试试验过程中的气压。组合模拟巷道端盖装有模拟巷道注气阀1-15用于调整揭煤前组合模拟巷道中的气压背景值，组合煤样室1-3靠近揭煤模拟装置1-11一端的外端盖上装有放气阀1-8，通过模拟巷道注气阀1-15向组合模拟巷道1-14注气，以及打开放气阀1-8放气，使组合煤样室1-3中的煤样达到一定的气体压力梯度，当组合煤样室1-3中煤样的压力梯度为一定值时，打开球阀1-11进行揭煤试验，通过测量模拟巷道1-14中喷出的煤粉量和组合煤样室1-3中的松散煤粉量，进行突出强度的分析。组合模拟巷道放气阀1-16外接流量计测量气体体积。上述各部件均安装在托架1-1上。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种煤与瓦斯突出渗透失稳试验装置，其特征在于：该试验装置包括一组合煤样室，所述组合煤样室由多个单节煤样室连接而成，所述单节煤样室由无缝钢管制成，两端设有法兰，每个所述单节煤样室的外壁均设有单向进气阀以及气压测量装置，每个所述单向进气阀均与注气管连接；每个所述单节煤样室内腔中均装有煤样，煤样通过煤样压实装置压实后固定在煤样室中，装有已压实煤样的单节煤样室通过法兰连接在一起形成组合煤样室；所述组合煤样室中最外侧的单节煤样室装有一根通过外界的短管，该短管上装有揭煤模拟装置，在该单节煤样室的外端盖上装有放气阀。

2.根据权利要求1所述一种煤与瓦斯突出渗透失稳试验装置，其特征在于：所述揭煤模拟装置为球阀。

3.根据权利要求1所述一种煤与瓦斯突出渗透失稳试验装置，其特征在于：所述煤样压实装置包括反力框架和油压千斤顶，所述油压千斤顶固定于所述反力框架的测试中心区，所述油压千斤顶的油管穿过所述单节煤样室的外壁与油泵连接。

4.根据权利要求1-3任一项所述一种煤与瓦斯突出渗透失稳试验装置，其特征在于：所述试验装置还包括一组合模拟巷道，所述组合模拟巷道由多个单节模拟巷道连接而成，所述单节模拟巷道由无缝钢管制成，两端设有法兰，所述组合模拟巷道的外端盖设有放气阀，所述放气阀外接流量计用于测量气体体积；所述组合模拟巷道一端与所述组合煤样室通过一根带有揭煤模拟装置的连接管连接。

5.根据权利要求4所述一种煤与瓦斯突出渗透失稳试验装置，其特征在于：所述单节模拟巷道中至少有一个安装有沙砾石层，所述沙砾石层通过两端的滤网固定。

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