CN103884822A - 一种煤与瓦斯突出模拟系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤与瓦斯突出模拟系统，包括电子万能试验机、突出模拟装置、瓦斯气体系统、围压液压系统和计算机；突出模拟装置由巷帮模拟机构和巷帮周围环境模拟机构组成，巷帮模拟机构包括挡板、透气板、煤岩样和U型卡套；巷帮周围环境模拟机构包括底座、缸筒、筒盖、下压头、上半凹面压头、上半凸面压头和活塞；瓦斯气体系统包括瓦斯气体罐、减压阀和气压表；围压液压系统包括围压液箱、围压液流入管、液压泵、单向阀、围压液溢流管、围压液压力表和围压液溢流阀；本发明还提供了一种能够模拟无扰动影响和有扰动影响下的煤与瓦斯突出的煤与瓦斯突出模拟方法。本发明能够真实反映矿井的煤与瓦斯突出过程，实用性强，便于推广使用。

Description

一种煤与瓦斯突出模拟系统及方法

技术领域

本发明属于煤与瓦斯突出机理研究技术领域，具体涉及一种煤与瓦斯突出模拟系统及方法。

背景技术

在研究煤与瓦斯突出机理方面，现有的理论均指出地应力、瓦斯压力和煤岩体的力学性质是影响煤与瓦斯突出的三要素，但截止目前，还未能确定出三大要素各自对煤与瓦斯突出的作用机理，也未能确定出三大要素对其影响的大小。因此，国内外众多学者进行了煤与瓦斯突出的实验室模拟过程，也获得许多研究进展，但是，矿井下煤岩体的地应力包括轴压和围压，因围压因素难以控制，现有试验大多控制的是轴压和瓦斯气体压力，不能控制围压，难以完成围压对煤与瓦斯突出影响的机理研究；而且，现有的煤与瓦斯突出模拟试验未充分考虑扰动因素的影响，即使考虑扰动影响也大多是考虑顶板扰动的影响，而且不能测量扰动强度和扰动时间，而实际煤矿井下煤岩体常常因割煤机的采动、掘进面的放炮和巷帮煤岩体的打孔等受到不同程度的扰动影响，也常因扰动影响，煤岩体的力学性质发生改变，引发煤与瓦斯突出，这对井下正常采煤和人员安全造成了极大威胁，因此现有技术中煤与瓦斯突出模拟的真实性较差，还不能够真实地模拟煤与瓦斯突出的过程，获得的研究数据的准确性欠佳。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种结构简单、组装方便、使用操作便捷、能够真实地模拟煤与瓦斯突出过程的煤与瓦斯突出模拟系统。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种煤与瓦斯突出模拟系统，其特征在于：包括电子万能试验机、突出模拟装置、瓦斯气体系统、围压液压系统和计算机，所述突出模拟装置对中放置在电子万能试验机的底座上，所述电子万能试验机与计算机相接；

所述突出模拟装置由巷帮模拟机构和巷帮周围环境模拟机构组成，所述巷帮模拟机构包括依次对接的挡板、透气板、煤岩样和U型卡套，所述挡板、透气板、煤岩样和U型卡套通过电工胶带缠绕固定为一整体，所述U型卡套由套管和可拆卸连接在套管一端端部的套管盖组成，所述套管的外壁上设置有刻度，所述挡板中部设置有第一进气通道，所述透气板中部设置有与第一进气通道相连通的第二进气通道，所述透气板上位于第二进气通道的四周设置有辐射状的透气孔道；所述巷帮周围环境模拟机构包括底座、固定连接在底座顶部的缸筒和固定连接在缸筒顶部的筒盖，所述缸筒中部侧壁上开有供巷帮模拟机构插入的巷帮模拟机构插入孔，所述底座顶部中间位置处设置有凹槽，所述凹槽内放置有下压头，所述下压头的正上方从下到上依次设置有上半凹面压头、上半凸面压头和活塞，所述活塞穿过筒盖，且筒盖的中间位置处设置有供活塞穿过的通孔，所述活塞的上端面位于所述电子万能试验机的压头的正下方，所述巷帮模拟机构从所述巷帮模拟机构插入孔插入缸筒内部，且煤岩样对正位于下压头的上端面与上半凹面压头的下端面之间，所述U型卡套卡合连接在所述巷帮模拟机构插入孔内；所述底座上设置有第三进气通道和与第三进气通道相连通的气体入口，所述下压头上设置有与第三进气通道相连通的第四进气通道，所述第四进气通道通过第一气体传输管路与第一进气通道相连通；所述底座上设置有与缸筒内部空间相连通的围压液流入通道，所述底座侧部设置有与围压液流入通道相连通的围压液入口，所述缸筒侧面设有排气口，所述排气口上连接有排气口塞；

所述瓦斯气体系统包括瓦斯气体罐，所述瓦斯气体罐的出气口通过第二气体传输管路与气体入口连接，所述第二气体传输管路上设置有减压阀和气压表；

所述围压液压系统包括围压液箱和一端与围压液箱连接的围压液流入管，所述围压液流入管的另一端与围压液入口连接，所述围压液流入管上连接有液压泵和单向阀，位于液压泵和单向阀之间的一段围压液流入管上连接有围压液溢流管，所述围压液溢流管上连接有围压液压力表和围压液溢流阀，位于单向阀和围压液入口之间的一段围压液流入管上连接有围压液回流管，所述围压液回流管上连接有围压液回流阀。

上述的一种煤与瓦斯突出模拟系统，其特征在于：包括用于对振动强度进行检测的振动检测装置，所述振动检测装置的振动检测探头安放于拆卸下套管盖后套管内露出的煤岩样的表面上；位于筒盖外部的活塞的中部设置有环状凸起，所述活塞上套装有位于环状凸起上部的扰动环。

上述的一种煤与瓦斯突出模拟系统，其特征在于：所述底座与下压头之间、底座与缸筒之间、缸筒与筒盖之间、上半凹面压头与上半凸面压头之间、套管与缸筒之间、套管盖与套管之间以及筒盖与活塞之间均设置有密封圈。

上述的一种煤与瓦斯突出模拟系统，其特征在于：所述套管盖通过第一螺栓可拆卸连接在套管一端端部，所述缸筒通过第二螺栓固定连接在底座顶部，所述筒盖通过第三螺栓固定连接在缸筒顶部；所述第一气体传输管路的一端通过第一快速接头与第一进气通道相接，所述第一气体传输管路的另一端通过第二快速接头与第四进气通道相接。

上述的一种煤与瓦斯突出模拟系统，其特征在于：所述缸筒外轮廓的形状、下压头外轮廓的形状、煤岩样外轮廓的形状、套管外轮廓的形状和上半凹面压头下部外轮廓的形状均为长方体形，所述煤岩样的长度与下压头的长度和上半凹面压头下部的长度相等，所述煤岩样的宽度与下压头的宽度、套管外轮廓的宽度和上半凹面压头下部的宽度相等，所述煤岩样的高度与套管外轮廓的高度相等；所述环状凸起下表面与活塞的下端面之间的距离加上组合后的上半凹面压头和上半凸面压头的总高度大于筒盖的上端面至下压头的上端面之间的距离。

上述的一种煤与瓦斯突出模拟系统，其特征在于：所述振动检测装置为型号为DH5960的超动态信号测试分析系统。

本发明还提供了一种方法步骤简单、能够实现围压对煤与瓦斯突出作用研究的无扰动影响的煤与瓦斯突出模拟方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、组装煤与瓦斯突出模拟系统，其具体过程为：

步骤101、将依次对接的挡板、透气板、煤岩样和所述U型卡套通过电工胶带缠绕固定为一整体，组合成巷帮模拟机构；

步骤102、将下压头放置在所述凹槽内，且使第四进气通道与第三进气通道相连通，并将第一气体传输管路的一端连接在第四进气通道上；

步骤103、将缸筒固定连接在底座顶部；

步骤104、将所述巷帮模拟机构具有挡板的一端插入所述巷帮模拟机构插入孔内，并通过观察设置在套管外壁上的刻度，使煤岩样对正位于下压头的上端面上；

步骤105、将第一气体传输管路的另一端连接在第一进气通道上；

步骤106、将上半凹面压头对正放置于煤岩样的上端面上，并在上半凹面压头的顶部放置上半凸面压头；

步骤107、将活塞穿过设置在筒盖中间位置处的通孔中，并将筒盖固定连接在缸筒顶部，同时保证活塞的中心与上半凸面压头的中心对正；

步骤108、将第二气体传输管路连接到气体入口上；

步骤109、将围压液流入管连接到围压液入口上；

步骤1010、将电子万能试验机与计算机连接，并将步骤101～步骤107组装完成的突出模拟装置对中放置在电子万能试验机的底座上，且使活塞的上端面位于所述电子万能试验机的压头的正下方；

步骤二、模拟地应力，其具体过程如下：

步骤201、给煤岩样加载轴压：在计算机上，打开预先安装好的电子万能试验机软件，操作电子万能试验机软件启动电子万能试验机，并设定电子万能试验机的压头下压活塞的速度参数和压力参数，电子万能试验机的压头根据设定的速度参数下压活塞，直到显示在电子万能试验机软件中的压力参数达到设定的压力参数；

步骤202、给煤岩样加载围压：取下连接在排气口上的排气口塞，打开排气口，打开围压液溢流阀的进液开关，开启所述围压液压系统，围压液箱内的围压液经过第二液压泵加压后经由围压液流入管和围压液入口流入缸筒内，当排气口有围压液流出时，将排气口塞连接在排气口上，关闭排气口；

步骤三、模拟瓦斯气体压力：打开减压阀的开关，开启所述瓦斯气体系统，瓦斯气体罐内的瓦斯气体通过减压阀减压到0.8MPa～1MPa后经由第二气体传输管路和气体入口进入第一进气通道和第二进气通道内，并进入透气孔道内；24～48小时后，关闭减压阀的开关；

步骤四、模拟无扰动影响下的煤与瓦斯突出：拆卸下套管盖，煤与瓦斯形成突出。

本发明还提供了一种方法步骤简单、能够实现围压和扰动作用对煤与瓦斯突出作用研究的有扰动影响的煤与瓦斯突出模拟方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、组装煤与瓦斯突出模拟系统，其具体过程为：

步骤101、将依次对接的挡板、透气板、煤岩样和所述U型卡套通过电工胶带缠绕固定为一整体，组合成巷帮模拟机构；

步骤102、将下压头放置在所述凹槽内，且使第四进气通道与第三进气通道相连通，并将第一气体传输管路的一端连接在第四进气通道上；

步骤103、将缸筒固定连接在底座顶部；

步骤104、将所述巷帮模拟机构具有挡板的一端插入所述巷帮模拟机构插入孔内，并通过观察设置在套管外壁上的刻度，使煤岩样对正位于下压头的上端面上；

步骤105、将第一气体传输管路的另一端连接在第一进气通道上；

步骤106、将上半凹面压头对正放置于煤岩样的上端面上，并在上半凹面压头的顶部放置上半凸面压头；

步骤107、将活塞穿过设置在筒盖中间位置处的通孔中，并将筒盖固定连接在缸筒顶部，同时保证活塞的中心与上半凸面压头的中心对正；

步骤108、将扰动环套装在活塞上位于环状凸起上部的位置处；

步骤109、将第二气体传输管路连接到气体入口上；

步骤1010、将围压液流入管连接到围压液入口上；

步骤1011、将电子万能试验机与计算机连接，并将步骤101～步骤108组装完成的突出模拟装置对中放置在电子万能试验机的底座上，且使活塞的上端面位于所述电子万能试验机的压头的正下方；

步骤二、模拟地应力，其具体过程如下：

步骤201、给煤岩样加载轴压：在计算机上，打开预先安装好的电子万能试验机软件，操作电子万能试验机软件启动电子万能试验机，并设定电子万能试验机的压头下压活塞的速度参数和压力参数，电子万能试验机的压头根据设定的速度参数下压活塞，直到显示在电子万能试验机软件中的压力参数达到设定的压力参数；

步骤202、给煤岩样加载围压：取下连接在排气口上的排气口塞，打开排气口，打开围压液溢流阀的进液开关，开启所述围压液压系统，围压液箱内的围压液经过第二液压泵加压后经由围压液流入管和围压液入口流入缸筒内，当排气口有围压液流出时，将排气口塞连接在排气口上，关闭排气口；

步骤三、模拟瓦斯气体压力：打开减压阀的开关，开启所述瓦斯气体系统，瓦斯气体罐内的瓦斯气体通过减压阀减压到0.5MPa～0.7MPa后经由第二气体传输管路和气体入口进入第一进气通道和第二进气通道内，并进入透气孔道内；24～48小时后，关闭减压阀的开关；

步骤四、模拟扰动影响下的煤与瓦斯突出，其具体过程如下：

步骤401、拆卸下套管盖，并将振动检测装置的振动检测探头安放于套管内露出的煤岩样的表面上，开启振动检测装置；

步骤402、将扰动环提起再放开，使扰动环从高处沿着活塞向下自由落体式冲击环状凸起，形成对煤岩样的冲击扰动，并不断重复该扰动过程，直至煤与瓦斯形成突出；扰动过程中，振动检测装置对扰动产生的振动强度进行检测并存储。

上述的方法，其特征在于：所述步骤102中在将下压头放置在所述凹槽内之前，先在凹槽内放入密封圈；所述步骤103中在将缸筒固定连接在底座顶部之前，先在底座顶部放入密封圈；所述步骤104中在将所述巷帮模拟机构具有挡板的一端插入所述巷帮模拟机构插入孔内之前，先在所述巷帮模拟机构插入孔内放入密封圈；所述步骤106中在将上半凸面压头放置在上半凹面压头的顶部之前，先在上半凹面压头内放入密封圈；所述步骤107中在将活塞穿过设置在筒盖中间位置处的通孔中之前，先在设置在筒盖中间位置处的通孔中放入密封圈；所述步骤107中在将筒盖固定连接在缸筒顶部之前，先在缸筒顶部放入密封圈；所述步骤103中将缸筒固定连接在底座顶部是采用第二螺栓；所述步骤107中将筒盖固定连接在缸筒顶部是采用第三螺栓。

上述的方法，其特征在于：所述步骤二中设定的电子万能试验机的压头下压活塞的速度参数为0.4mm/min～0.6mm/min，所述步骤二中设定的电子万能试验机的压头下压活塞的压力参数为3MPa～5MPa。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明煤与瓦斯突出模拟系统的结构简单，组装方便，使用操作便捷。

2、本发明的突出模拟装置由巷帮模拟机构和巷帮周围环境模拟机构组成，通过与电子万能试验机、瓦斯气体系统、围压液压系统和计算机配合使用，能够完成现有技术中难以完成的围压对煤与瓦斯突出影响的机理研究，能够在实验室，通过调节轴压、围压和瓦斯气体压力，真实地模拟煤与瓦斯突出过程；且在煤与瓦斯形成突出时，通过查看显示在计算机上电子万能试验机软件中的轴压压力、显示在围压液压力表上的围压压力和显示在气压表上的瓦斯气体压力，能够得知煤与瓦斯形成突出时煤岩样所承受的轴压压力值、围压压力值和瓦斯气体压力值，为研究煤与瓦斯突出时煤岩体的临界压力值提供了依据，且为煤与瓦斯突出的理论研究提供了实验佐证。

3、本发明通过在位于筒盖外部的活塞的中部设置环状凸起，在活塞上套装位于环状凸起上部的扰动环，并设置振动检测装置，能够在轴压、围压和瓦斯气体压力保持不变的情况下，进行因扰动影响而引发的煤与瓦斯突出试验，能够为研究扰动产生的振动强度和扰动时间对煤与瓦斯突出的影响效果提供依据，且能够为煤与瓦斯突出的扰动因素影响提供了实验佐证。

4、本发明的透气板上位于第二进气通道的四周设置有辐射状的透气孔道，瓦斯气体能够通过透气板上的透气孔道对煤岩样进行瓦斯面加压，加压效果好，能够真实地模拟煤矿井下瓦斯气体压力对煤岩体的作用。

5、本发明的套管外壁上设置有刻度，能够通过观察设置在套管外壁上的刻度，使煤岩样对正位于下压头的上端面上，且能够使电子万能试验机的压头通过活塞对煤岩样进行准确地加载轴压，有助于提高煤与瓦斯突出模拟的精度。

6、本发明能够真实地反映矿井的煤与瓦斯突出过程，同时能够实现围压以及扰动作用的分析和研究，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

综上所述，本发明实现方便，能够真实地反映矿井的煤与瓦斯突出过程，同时能够实现围压以及扰动作用对煤与瓦斯突出作用的分析和研究，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图。

图2为本发明实施例1中突出模拟装置的结构示意图。

图3为本发明实施例2的结构示意图。

图4为本发明实施例2中突出模拟装置的结构示意图。

附图标记说明:

1—挡板；              2—透气板；            3—煤岩样；

4-1—套管；            4-2—套管盖；          5—第一进气通道；

6—第二进气通道；      7—透气孔道；          8—底座；

9—缸筒；              10—筒盖；             11—下压头；

12—上半凸面压头；     13—活塞；             14—第三进气通道；

15—气体入口；         16—第四进气通道；

17—第一气体传输管路； 18—围压液流入通道；

19—围压液入口；       20—排气口；           21—排气口塞；

22—瓦斯气体罐；       23—第二气体传输管路；

24—减压阀；           25—气压表；           26—围压液箱；

27—围压液流入管；     28—液压泵；           29—围压液溢流管；

30—围压液压力表；     31—围压液溢流阀；     32—围压液回流管；

33—围压液回流阀；     34—第三螺栓；         35—第一螺栓；

36—环状凸起；         37—扰动环；           38—振动检测装置；

39—上半凹面压头；     40—电子万能试验机；   41—突出模拟装置；

42—计算机；           43—单向阀；           44—密封圈；

45—第二螺栓。

具体实施方式

实施例1

如图1和图2所示，本发明的一种煤与瓦斯突出模拟系统，包括电子万能试验机40、突出模拟装置41、瓦斯气体系统、围压液压系统和计算机42，所述突出模拟装置41对中放置在电子万能试验机40的底座上，所述电子万能试验机40与计算机42相接；

所述突出模拟装置41由巷帮模拟机构和巷帮周围环境模拟机构组成，所述巷帮模拟机构包括依次对接的挡板1、透气板2、煤岩样3和U型卡套，所述挡板1、透气板2、煤岩样3和U型卡套通过电工胶带缠绕固定为一整体，所述U型卡套由套管4-1和可拆卸连接在套管4-1一端端部的套管盖4-2组成，所述套管4-1的外壁上设置有刻度，所述挡板1中部设置有第一进气通道5，所述透气板2中部设置有与第一进气通道5相连通的第二进气通道6，所述透气板2上位于第二进气通道6的四周设置有辐射状的透气孔道7；所述巷帮周围环境模拟机构包括底座8、固定连接在底座8顶部的缸筒9和固定连接在缸筒9顶部的筒盖10，所述缸筒9中部侧壁上开有供巷帮模拟机构插入的巷帮模拟机构插入孔，所述底座8顶部中间位置处设置有凹槽，所述凹槽内放置有下压头11，所述下压头11的正上方从下到上依次设置有上半凹面压头39、上半凸面压头12和活塞13，所述活塞13穿过筒盖10，且筒盖10的中间位置处设置有供活塞13穿过的通孔，所述活塞13的上端面位于所述电子万能试验机40的压头的正下方，所述巷帮模拟机构从所述巷帮模拟机构插入孔插入缸筒9内部，且煤岩样3对正位于下压头11的上端面与上半凹面压头39的下端面之间，所述U型卡套卡合连接在所述巷帮模拟机构插入孔内；所述底座8上设置有第三进气通道14和与第三进气通道14相连通的气体入口15，所述下压头11上设置有与第三进气通道14相连通的第四进气通道16，所述第四进气通道16通过第一气体传输管路17与第一进气通道5相连通；所述底座8上设置有与缸筒9内部空间相连通的围压液流入通道18，所述底座8侧部设置有与围压液流入通道18相连通的围压液入口19，所述缸筒9侧面设有排气口20，所述排气口20上连接有排气口塞21；

所述瓦斯气体系统包括瓦斯气体罐22，所述瓦斯气体罐22的出气口通过第二气体传输管路23与气体入口15连接，所述第二气体传输管路23上设置有减压阀24和气压表25；

所述围压液压系统包括围压液箱26和一端与围压液箱26连接的围压液流入管27，所述围压液流入管27的另一端与围压液入口19连接，所述围压液流入管27上连接有液压泵28和单向阀43，位于液压泵28和单向阀43之间的一段围压液流入管27上连接有围压液溢流管29，所述围压液溢流管29上连接有围压液压力表30和围压液溢流阀31，位于单向阀43和围压液入口19之间的一段围压液流入管27上连接有围压液回流管32，所述围压液回流管32上连接有围压液回流阀33。

本实施例中，所述底座8与下压头11之间、底座8与缸筒9之间、缸筒9与筒盖10之间、上半凹面压头39与上半凸面压头12之间、套管4-1与缸筒9之间、套管盖4-2与套管4-1之间以及筒盖10与活塞13之间均设置有密封圈44。

本实施例中，所述套管盖4-2通过第一螺栓35可拆卸连接在套管4-1一端端部，所述缸筒9通过第二螺栓45固定连接在底座8顶部，所述筒盖10通过第三螺栓34固定连接在缸筒9顶部；所述第一气体传输管路17的一端通过第一快速接头与第一进气通道5相接，所述第一气体传输管路17的另一端通过第二快速接头与第四进气通道16相接。

本实施例中，所述缸筒9外轮廓的形状、下压头11外轮廓的形状、煤岩样3外轮廓的形状、套管4-1外轮廓的形状和上半凹面压头39下部外轮廓的形状均为长方体形，所述煤岩样3的长度与下压头11的长度和上半凹面压头39下部的长度相等，所述煤岩样3的宽度与下压头11的宽度、套管4-1外轮廓的宽度和上半凹面压头39下部的宽度相等，所述煤岩样3的高度与套管4-1外轮廓的高度相等；所述环状凸起36下表面与活塞13的下端面之间的距离加上组合后的上半凹面压头39和上半凸面压头12的总高度大于筒盖10的上端面至下压头11的上端面之间的距离，能够保证在电子万能试验机40的下压头11下压活塞13的过程中，环状凸起36不碰到筒盖10。

采用本实施例中的一种煤与瓦斯突出模拟系统进行无扰动影响下煤与瓦斯突出模拟的方法，包括以下步骤：

步骤一、组装煤与瓦斯突出模拟系统，其具体过程为：

步骤101、将依次对接的挡板1、透气板2、煤岩样3和所述U型卡套通过电工胶带缠绕固定为一整体，组合成巷帮模拟机构；

步骤102、将下压头11放置在所述凹槽内，且使第四进气通道16与第三进气通道14相连通，并将第一气体传输管路17的一端连接在第四进气通道16上；

步骤103、将缸筒9固定连接在底座8顶部；

步骤104、将所述巷帮模拟机构具有挡板1的一端插入所述巷帮模拟机构插入孔内，并通过观察设置在套管4-1外壁上的刻度，使煤岩样3对正位于下压头11的上端面上；具体实施时，已知底座8中心至缸筒9开有巷帮模拟机构插入孔的一侧侧面的距离为l₁，且已知煤岩样3的长度的一半为l₂，通过公式l=l₁-l₂就能够计算得到套管4-1伸入缸筒9内部的侧面至缸筒9开有巷帮模拟机构插入孔的一侧侧面的距离l，而该距离l能够通过观察设置在套管4-1外壁上的刻度得知；

步骤105、将第一气体传输管路17的另一端连接在第一进气通道5上；

步骤106、将上半凹面压头39对正放置于煤岩样3的上端面上，并在上半凹面压头39的顶部放置上半凸面压头12；

步骤107、将活塞13穿过设置在筒盖10中间位置处的通孔中，并将筒盖10固定连接在缸筒9顶部，同时保证活塞13的中心与上半凸面压头12的中心对正；

步骤108、将第二气体传输管路23连接到气体入口15上；

步骤109、将围压液流入管27连接到围压液入口19上；

步骤1010、将电子万能试验机40与计算机42连接，并将步骤101～步骤107组装完成的突出模拟装置41对中放置在电子万能试验机40的底座上，且使活塞13的上端面位于所述电子万能试验机40的压头的正下方；

步骤二、模拟地应力，其具体过程如下：

步骤201、给煤岩样3加载轴压：在计算机42上，打开预先安装好的电子万能试验机软件，操作电子万能试验机软件启动电子万能试验机40，并设定电子万能试验机40的压头下压活塞13的速度参数和压力参数，电子万能试验机40的压头根据设定的速度参数下压活塞13，直到显示在电子万能试验机软件中的压力参数达到设定的压力参数；

步骤202、给煤岩样3加载围压：取下连接在排气口20上的排气口塞21，打开排气口20，打开围压液溢流阀31的进液开关，开启所述围压液压系统，围压液箱26内的围压液经过第二液压泵37加压后经由围压液流入管27和围压液入口19流入缸筒9内，当排气口20有围压液流出时，将排气口塞21连接在排气口20上，关闭排气口20；

通过在步骤201中设置不同的电子万能试验机40的压头下压活塞13的压力参数，能够实现对轴压的调节；通过在步骤202中操作围压液溢流阀31，能够实现对围压的调节；进而能够依据不同矿井煤岩体的地应力大小，真实地模拟出煤矿井下煤岩体所受地应力情况。

步骤三、模拟瓦斯气体压力：打开减压阀24的开关，开启所述瓦斯气体系统，瓦斯气体罐22内的瓦斯气体通过减压阀24减压到0.8MPa～1MPa（该压力值达到了煤与瓦斯突出矿井鉴定规范AQ/024-2006所规定的突出危险性瓦斯压力单项指标）后经由第二气体传输管路23和气体入口15进入第一进气通道5和第二进气通道6内，并进入透气孔道7内；24～48小时后，关闭减压阀24的开关；24～48小时后关闭减压阀24的开关，能够保证进入透气孔道7内的瓦斯气体充分饱和；

通过在步骤三中操作减压阀24，能够实现对瓦斯气体压力大小的调节，能够依据不同矿井的瓦斯储量和压力，真实模拟出煤矿井下煤岩体内瓦斯自身含量和压力。

步骤四、模拟无扰动影响下的煤与瓦斯突出：拆卸下套管盖4-2，煤与瓦斯形成突出。煤与瓦斯形成突出时，通过查看显示在计算机42上电子万能试验机软件中的轴压压力、显示在围压液压力表30上的围压压力和显示在气压表25上的瓦斯气体压力，能够得知煤与瓦斯形成突出时煤岩样所承受的轴压压力值、围压压力值和瓦斯气体压力值，为研究煤与瓦斯突出时煤岩体的临界压力值提供了依据，且为煤与瓦斯突出的理论研究提供了试验佐证。

具体实施时，所述步骤102中在将下压头11放置在所述凹槽内之前，先在凹槽内放入密封圈44；所述步骤103中在将缸筒9固定连接在底座8顶部之前，先在底座8顶部放入密封圈44；所述步骤104中在将所述巷帮模拟机构具有挡板1的一端插入所述巷帮模拟机构插入孔内之前，先在所述巷帮模拟机构插入孔内放入密封圈44；所述步骤106中在将上半凸面压头12放置在上半凹面压头39的顶部之前，先在上半凹面压头39内放入密封圈44；所述步骤107中在将活塞13穿过设置在筒盖10中间位置处的通孔中之前，先在设置在筒盖10中间位置处的通孔中放入密封圈44；所述步骤107中在将筒盖10固定连接在缸筒9顶部之前，先在缸筒9顶部放入密封圈44；所述步骤103中将缸筒9固定连接在底座8顶部是采用第二螺栓45；所述步骤107中将筒盖10固定连接在缸筒9顶部是采用第三螺栓34。所述步骤二中设定的电子万能试验机40的压头下压活塞13的速度参数为0.4mm/min～0.6mm/min，所述步骤二中设定的电子万能试验机40的压头下压活塞13的压力参数为3MPa～5MPa。

实施例2

如图3和图4所示，本实施例与实施例1不同的是：本发明还包括用于对振动强度进行检测的振动检测装置38，所述振动检测装置38的振动检测探头安放于拆卸下套管盖4-2后套管4-1内露出的煤岩样3的表面上；位于筒盖10外部的活塞13的中部设置有环状凸起36，所述活塞13上套装有位于环状凸起36上部的扰动环37。具体地，所述振动检测装置38为型号为DH5960的超动态信号测试分析系统。其余结构均与实施例1相同。

采用本实施例中的一种煤与瓦斯突出模拟系统进行扰动影响下煤与瓦斯突出模拟的方法，包括以下步骤：

步骤一、组装煤与瓦斯突出模拟系统，其具体过程为：

步骤101、将依次对接的挡板1、透气板2、煤岩样3和所述U型卡套通过电工胶带缠绕固定为一整体，组合成巷帮模拟机构；

步骤102、将下压头11放置在所述凹槽内，且使第四进气通道16与第三进气通道14相连通，并将第一气体传输管路17的一端连接在第四进气通道16上；

步骤103、将缸筒9固定连接在底座8顶部；

步骤104、将所述巷帮模拟机构具有挡板1的一端插入所述巷帮模拟机构插入孔内，并通过观察设置在套管4-1外壁上的刻度，使煤岩样3对正位于下压头11的上端面上；具体实施时，已知底座8中心至缸筒9开有巷帮模拟机构插入孔的一侧侧面的距离为l₁，且已知煤岩样3的长度的一半为l₂，通过公式l=l₁-l₂就能够计算得到套管4-1伸入缸筒9内部的侧面至缸筒9开有巷帮模拟机构插入孔的一侧侧面的距离l，而该距离l能够通过观察设置在套管4-1外壁上的刻度得知；

步骤105、将第一气体传输管路17的另一端连接在第一进气通道5上；

步骤106、将上半凹面压头39对正放置于煤岩样3的上端面上，并在上半凹面压头39的顶部放置上半凸面压头12；

步骤107、将活塞13穿过设置在筒盖10中间位置处的通孔中，并将筒盖10固定连接在缸筒9顶部，同时保证活塞13的中心与上半凸面压头12的中心对正；

步骤108、将扰动环37套装在活塞13上位于环状凸起36上部的位置处；

步骤109、将第二气体传输管路23连接到气体入口15上；

步骤1010、将围压液流入管27连接到围压液入口19上；

步骤1011、将电子万能试验机40与计算机42连接，并将步骤101～步骤108组装完成的突出模拟装置41对中放置在电子万能试验机40的底座上，且使活塞13的上端面位于所述电子万能试验机40的压头的正下方；

步骤二、模拟地应力，其具体过程如下：

步骤201、给煤岩样3加载轴压：在计算机42上，打开预先安装好的电子万能试验机软件，操作电子万能试验机软件启动电子万能试验机40，并设定电子万能试验机40的压头下压活塞13的速度参数和压力参数，电子万能试验机40的压头根据设定的速度参数下压活塞13，直到显示在电子万能试验机软件中的压力参数达到设定的压力参数；

步骤202、给煤岩样3加载围压：取下连接在排气口20上的排气口塞21，打开排气口20，打开围压液溢流阀31的进液开关，开启所述围压液压系统，围压液箱26内的围压液经过第二液压泵37加压后经由围压液流入管27和围压液入口19流入缸筒9内，当排气口20有围压液流出时，将排气口塞21连接在排气口20上，关闭排气口20；

通过在步骤201中设置不同的电子万能试验机40的压头下压活塞13的压力参数，能够实现对轴压的调节；通过在步骤202中操作围压液溢流阀31，能够实现对围压的调节；进而能够依据不同矿井煤岩体的地应力大小，真实地模拟出煤矿井下煤岩体所受地应力情况。

步骤三、模拟瓦斯气体压力：打开减压阀24的开关，开启所述瓦斯气体系统，瓦斯气体罐22内的瓦斯气体通过减压阀24减压到0.5MPa～0.7MPa（该压力值未达到煤与瓦斯突出矿井鉴定规范AQ/024-2006所规定的突出危险性瓦斯压力单项指标）后经由第二气体传输管路23和气体入口15进入第一进气通道5和第二进气通道6内，并进入透气孔道7内；24～48小时后，关闭减压阀24的开关；24～48小时后关闭减压阀24的开关，能够保证进入透气孔道7内的瓦斯气体充分饱和；

通过在步骤三中操作减压阀24，能够实现对瓦斯气体压力大小的调节，能够依据不同矿井的瓦斯储量和压力，真实模拟出煤矿井下煤岩体内瓦斯自身含量和压力。

步骤四、模拟扰动影响下的煤与瓦斯突出，其具体过程如下：

步骤401、拆卸下套管盖4-2，并将振动检测装置38的振动检测探头安放于套管4-1内露出的煤岩样3的表面上，开启振动检测装置38；

步骤402、将扰动环37提起再放开，使扰动环37从高处沿着活塞13向下自由落体式冲击环状凸起36，形成对煤岩样3的冲击扰动，并不断重复该扰动过程，直至煤与瓦斯形成突出；扰动过程中，振动检测装置38对扰动产生的振动强度进行检测并存储。另外，还可以记录扰动时间，为研究扰动产生的振动强度和扰动时间对煤与瓦斯突出的影响效果提供依据，且为煤与瓦斯突出的扰动因素影响提供了实验佐证。

具体实施时，所述步骤102中在将下压头11放置在所述凹槽内之前，先在凹槽内放入密封圈44；所述步骤103中在将缸筒9固定连接在底座8顶部之前，先在底座8顶部放入密封圈44；所述步骤104中在将所述巷帮模拟机构具有挡板1的一端插入所述巷帮模拟机构插入孔内之前，先在所述巷帮模拟机构插入孔内放入密封圈44；所述步骤106中在将上半凸面压头12放置在上半凹面压头39的顶部之前，先在上半凹面压头39内放入密封圈44；所述步骤107中在将活塞13穿过设置在筒盖10中间位置处的通孔中之前，先在设置在筒盖10中间位置处的通孔中放入密封圈44；所述步骤107中在将筒盖10固定连接在缸筒9顶部之前，先在缸筒9顶部放入密封圈44；所述步骤103中将缸筒9固定连接在底座8顶部是采用第二螺栓45；所述步骤107中将筒盖10固定连接在缸筒9顶部是采用第三螺栓34。所述步骤二中设定的电子万能试验机40的压头下压活塞13的速度参数为0.4mm/min～0.6mm/min，所述步骤二中设定的电子万能试验机40的压头下压活塞13的压力参数为3MPa～5MPa。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种煤与瓦斯突出模拟系统，其特征在于：包括电子万能试验机（40）、突出模拟装置（41）、瓦斯气体系统、围压液压系统和计算机（42），所述突出模拟装置（41）对中放置在电子万能试验机（40）的底座上，所述电子万能试验机（40）与计算机（42）相接；

所述突出模拟装置（41）由巷帮模拟机构和巷帮周围环境模拟机构组成，所述巷帮模拟机构包括依次对接的挡板（1）、透气板（2）、煤岩样（3）和U型卡套，所述挡板（1）、透气板（2）、煤岩样（3）和U型卡套通过电工胶带缠绕固定为一整体，所述U型卡套由套管（4-1）和可拆卸连接在套管（4-1）一端端部的套管盖（4-2）组成，所述套管（4-1）的外壁上设置有刻度，所述挡板（1）中部设置有第一进气通道（5），所述透气板（2）中部设置有与第一进气通道（5）相连通的第二进气通道（6），所述透气板（2）上位于第二进气通道（6）的四周设置有辐射状的透气孔道（7）；所述巷帮周围环境模拟机构包括底座（8）、固定连接在底座（8）顶部的缸筒（9）和固定连接在缸筒（9）顶部的筒盖（10），所述缸筒（9）中部侧壁上开有供巷帮模拟机构插入的巷帮模拟机构插入孔，所述底座（8）顶部中间位置处设置有凹槽，所述凹槽内放置有下压头（11），所述下压头（11）的正上方从下到上依次设置有上半凹面压头（39）、上半凸面压头（12）和活塞（13），所述活塞（13）穿过筒盖（10），且筒盖（10）的中间位置处设置有供活塞（13）穿过的通孔，所述活塞（13）的上端面位于所述电子万能试验机（40）的压头的正下方，所述巷帮模拟机构从所述巷帮模拟机构插入孔插入缸筒（9）内部，且煤岩样（3）对正位于下压头（11）的上端面与上半凹面压头（39）的下端面之间，所述U型卡套卡合连接在所述巷帮模拟机构插入孔内；所述底座（8）上设置有第三进气通道（14）和与第三进气通道（14）相连通的气体入口（15），所述下压头（11）上设置有与第三进气通道（14）相连通的第四进气通道（16），所述第四进气通道（16）通过第一气体传输管路（17）与第一进气通道（5）相连通；所述底座（8）上设置有与缸筒（9）内部空间相连通的围压液流入通道（18），所述底座（8）侧部设置有与围压液流入通道（18）相连通的围压液入口（19），所述缸筒（9）侧面设有排气口（20），所述排气口（20）上连接有排气口塞（21）；

所述瓦斯气体系统包括瓦斯气体罐（22），所述瓦斯气体罐（22）的出气口通过第二气体传输管路（23）与气体入口（15）连接，所述第二气体传输管路（23）上设置有减压阀（24）和气压表（25）；

所述围压液压系统包括围压液箱（26）和一端与围压液箱（26）连接的围压液流入管（27），所述围压液流入管（27）的另一端与围压液入口（19）连接，所述围压液流入管（27）上连接有液压泵（28）和单向阀（43），位于液压泵（28）和单向阀（43）之间的一段围压液流入管（27）上连接有围压液溢流管（29），所述围压液溢流管（29）上连接有围压液压力表（30）和围压液溢流阀（31），位于单向阀（43）和围压液入口（19）之间的一段围压液流入管（27）上连接有围压液回流管（32），所述围压液回流管（32）上连接有围压液回流阀（33）。

2.按照权利要求1所述的一种煤与瓦斯突出模拟系统，其特征在于：包括用于对振动强度进行检测的振动检测装置（38），所述振动检测装置（38）的振动检测探头安放于拆卸下套管盖（4-2）后套管（4-1）内露出的煤岩样（3）的表面上；位于筒盖（10）外部的活塞（13）的中部设置有环状凸起（36），所述活塞（13）上套装有位于环状凸起（36）上部的扰动环（37）。

3.按照权利要求1或2所述的一种煤与瓦斯突出模拟系统，其特征在于：所述底座（8）与下压头（11）之间、底座（8）与缸筒（9）之间、缸筒（9）与筒盖（10）之间、上半凹面压头（39）与上半凸面压头（12）之间、套管（4-1）与缸筒（9）之间、套管盖（4-2）与套管（4-1）之间以及筒盖（10）与活塞（13）之间均设置有密封圈（44）。

4.按照权利要求1或2所述的一种煤与瓦斯突出模拟系统，其特征在于：所述套管盖（4-2）通过第一螺栓（35）可拆卸连接在套管（4-1）一端端部，所述缸筒（9）通过第二螺栓（45）固定连接在底座（8）顶部，所述筒盖（10）通过第三螺栓（34）固定连接在缸筒（9）顶部；所述第一气体传输管路（17）的一端通过第一快速接头与第一进气通道（5）相接，所述第一气体传输管路（17）的另一端通过第二快速接头与第四进气通道（16）相接。

5.按照权利要求1或2所述的一种煤与瓦斯突出模拟系统，其特征在于：所述缸筒（9）外轮廓的形状、下压头（11）外轮廓的形状、煤岩样（3）外轮廓的形状、套管（4-1）外轮廓的形状和上半凹面压头（39）下部外轮廓的形状均为长方体形，所述煤岩样（3）的长度与下压头（11）的长度和上半凹面压头（39）下部的长度相等，所述煤岩样（3）的宽度与下压头（11）的宽度、套管（4-1）外轮廓的宽度和上半凹面压头（39）下部的宽度相等，所述煤岩样（3）的高度与套管（4-1）外轮廓的高度相等；所述环状凸起（36）下表面与活塞（13）的下端面之间的距离加上组合后的上半凹面压头（39）和上半凸面压头（12）的总高度大于筒盖（10）的上端面至下压头（11）的上端面之间的距离。

6.按照权利要求2所述的一种煤与瓦斯突出模拟系统，其特征在于：所述振动检测装置（38）为型号为DH5960的超动态信号测试分析系统。

7.一种利用如权利要求1所述装置进行煤与瓦斯突出模拟的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、组装煤与瓦斯突出模拟系统，其具体过程为：

步骤101、将依次对接的挡板（1）、透气板（2）、煤岩样（3）和所述U型卡套通过电工胶带缠绕固定为一整体，组合成巷帮模拟机构；

步骤102、将下压头（11）放置在所述凹槽内，且使第四进气通道（16）与第三进气通道（14）相连通，并将第一气体传输管路（17）的一端连接在第四进气通道（16）上；

步骤103、将缸筒（9）固定连接在底座（8）顶部；

步骤104、将所述巷帮模拟机构具有挡板（1）的一端插入所述巷帮模拟机构插入孔内，并通过观察设置在套管（4-1）外壁上的刻度，使煤岩样（3）对正位于下压头（11）的上端面上；

步骤105、将第一气体传输管路（17）的另一端连接在第一进气通道（5）上；

步骤106、将上半凹面压头（39）对正放置于煤岩样（3）的上端面上，并在上半凹面压头（39）的顶部放置上半凸面压头（12）；

步骤107、将活塞（13）穿过设置在筒盖（10）中间位置处的通孔中，并将筒盖（10）固定连接在缸筒（9）顶部，同时保证活塞（13）的中心与上半凸面压头（12）的中心对正；

步骤108、将第二气体传输管路（23）连接到气体入口（15）上；

步骤109、将围压液流入管（27）连接到围压液入口（19）上；

步骤1010、将电子万能试验机（40）与计算机（42）连接，并将步骤101～步骤107组装完成的突出模拟装置（41）对中放置在电子万能试验机（40）的底座上，且使活塞（13）的上端面位于所述电子万能试验机（40）的压头的正下方；

步骤二、模拟地应力，其具体过程如下：

步骤201、给煤岩样（3）加载轴压：在计算机（42）上，打开预先安装好的电子万能试验机软件，操作电子万能试验机软件启动电子万能试验机（40），并设定电子万能试验机（40）的压头下压活塞（13）的速度参数和压力参数，电子万能试验机（40）的压头根据设定的速度参数下压活塞（13），直到显示在电子万能试验机软件中的压力参数达到设定的压力参数；

步骤202、给煤岩样（3）加载围压：取下连接在排气口（20）上的排气口塞（21），打开排气口（20），打开围压液溢流阀（31）的进液开关，开启所述围压液压系统，围压液箱（26）内的围压液经过第二液压泵（37）加压后经由围压液流入管（27）和围压液入口（19）流入缸筒（9）内，当排气口（20）有围压液流出时，将排气口塞（21）连接在排气口（20）上，关闭排气口（20）；

步骤三、模拟瓦斯气体压力：打开减压阀（24）的开关，开启所述瓦斯气体系统，瓦斯气体罐（22）内的瓦斯气体通过减压阀（24）减压到0.8MPa～1MPa后经由第二气体传输管路（23）和气体入口（15）进入第一进气通道（5）和第二进气通道（6）内，并进入透气孔道（7）内；24～48小时后，关闭减压阀（24）的开关；

步骤四、模拟无扰动影响下的煤与瓦斯突出：拆卸下套管盖（4-2），煤与瓦斯形成突出。

8.一种利用如权利要求2所述装置进行煤体渗透特性测试的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、组装煤与瓦斯突出模拟系统，其具体过程为：

步骤101、将依次对接的挡板（1）、透气板（2）、煤岩样（3）和所述U型卡套通过电工胶带缠绕固定为一整体，组合成巷帮模拟机构；

步骤102、将下压头（11）放置在所述凹槽内，且使第四进气通道（16）与第三进气通道（14）相连通，并将第一气体传输管路（17）的一端连接在第四进气通道（16）上；

步骤103、将缸筒（9）固定连接在底座（8）顶部；

步骤104、将所述巷帮模拟机构具有挡板（1）的一端插入所述巷帮模拟机构插入孔内，并通过观察设置在套管（4-1）外壁上的刻度，使煤岩样（3）对正位于下压头（11）的上端面上；

步骤105、将第一气体传输管路（17）的另一端连接在第一进气通道（5）上；

步骤106、将上半凹面压头（39）对正放置于煤岩样（3）的上端面上，并在上半凹面压头（39）的顶部放置上半凸面压头（12）；

步骤107、将活塞（13）穿过设置在筒盖（10）中间位置处的通孔中，并将筒盖（10）固定连接在缸筒（9）顶部，同时保证活塞（13）的中心与上半凸面压头（12）的中心对正；

步骤108、将扰动环（37）套装在活塞（13）上位于环状凸起（36）上部的位置处；

步骤109、将第二气体传输管路（23）连接到气体入口（15）上；

步骤1010、将围压液流入管（27）连接到围压液入口（19）上；

步骤1011、将电子万能试验机（40）与计算机（42）连接，并将步骤101～步骤108组装完成的突出模拟装置（41）对中放置在电子万能试验机（40）的底座上，且使活塞（13）的上端面位于所述电子万能试验机（40）的压头的正下方；

步骤二、模拟地应力，其具体过程如下：

步骤201、给煤岩样（3）加载轴压：在计算机（42）上，打开预先安装好的电子万能试验机软件，操作电子万能试验机软件启动电子万能试验机（40），并设定电子万能试验机（40）的压头下压活塞（13）的速度参数和压力参数，电子万能试验机（40）的压头根据设定的速度参数下压活塞（13），直到显示在电子万能试验机软件中的压力参数达到设定的压力参数；

步骤202、给煤岩样（3）加载围压：取下连接在排气口（20）上的排气口塞（21），打开排气口（20），打开围压液溢流阀（31）的进液开关，开启所述围压液压系统，围压液箱（26）内的围压液经过第二液压泵（37）加压后经由围压液流入管（27）和围压液入口（19）流入缸筒（9）内，当排气口（20）有围压液流出时，将排气口塞（21）连接在排气口（20）上，关闭排气口（20）；

步骤三、模拟瓦斯气体压力：打开减压阀（24）的开关，开启所述瓦斯气体系统，瓦斯气体罐（22）内的瓦斯气体通过减压阀（24）减压到0.5MPa～0.7MPa后经由第二气体传输管路（23）和气体入口（15）进入第一进气通道（5）和第二进气通道（6）内，并进入透气孔道（7）内；24～48小时后，关闭减压阀（24）的开关；

步骤四、模拟扰动影响下的煤与瓦斯突出，其具体过程如下：

步骤401、拆卸下套管盖（4-2），并将振动检测装置（38）的振动检测探头安放于套管（4-1）内露出的煤岩样（3）的表面上，开启振动检测装置（38）；

步骤402、将扰动环（37）提起再放开，使扰动环（37）从高处沿着活塞（13）向下自由落体式冲击环状凸起（36），形成对煤岩样（3）的冲击扰动，并不断重复该扰动过程，直至煤与瓦斯形成突出；扰动过程中，振动检测装置（38）对扰动产生的振动强度进行检测并存储。

9.按照权利要求7或8所述的方法，其特征在于：所述步骤102中在将下压头（11）放置在所述凹槽内之前，先在凹槽内放入密封圈（44）；所述步骤103中在将缸筒（9）固定连接在底座（8）顶部之前，先在底座（8）顶部放入密封圈（44）；所述步骤104中在将所述巷帮模拟机构具有挡板（1）的一端插入所述巷帮模拟机构插入孔内之前，先在所述巷帮模拟机构插入孔内放入密封圈（44）；所述步骤106中在将上半凸面压头（12）放置在上半凹面压头（39）的顶部之前，先在上半凹面压头（39）内放入密封圈（44）；所述步骤107中在将活塞（13）穿过设置在筒盖（10）中间位置处的通孔中之前，先在设置在筒盖（10）中间位置处的通孔中放入密封圈（44）；所述步骤107中在将筒盖（10）固定连接在缸筒（9）顶部之前，先在缸筒（9）顶部放入密封圈（44）；所述步骤103中将缸筒（9）固定连接在底座（8）顶部是采用第二螺栓（45）；所述步骤107中将筒盖（10）固定连接在缸筒（9）顶部是采用第三螺栓（34）。

10.按照权利要求7或8所述的方法，其特征在于：所述步骤二中设定的电子万能试验机（40）的压头下压活塞（13）的速度参数为0.4mm/min～0.6mm/min，所述步骤二中设定的电子万能试验机（40）的压头下压活塞（13）的压力参数为3MPa～5MPa。

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