CN104391102B - 高压气体环向对称瞬时卸压破煤实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压气体环向对称瞬时卸压破煤实验装置，包括上部开有试验腔的试验缸，在试验缸上固定插有活塞杆的盖体，在试验缸上还开有四个周向均布的卸压孔，在卸压孔外连接有由直线段、大圆弧段和四个小圆弧段构成的卸压通道，其中直线段的一端安装有爆破片，直线段的另一端连接在大圆弧段中部，小圆弧段两两一组连接在大圆弧段的两端，每组中两个小圆弧段的另一端各自与两个相邻卸压孔相连；在试验缸内侧壁上安装有温度传感器和压力传感器，在试验缸侧壁上还连接有气体管道，气体管道的另一端与高压气瓶和真空泵相连。上述结构避免了各卸压孔分别安装爆破片难以同时爆破的问题，使高压气体的卸压速度更快，效率更高。

Description

高压气体环向对称瞬时卸压破煤实验装置

技术领域

本发明属于采矿技术领域，具体地讲，特别涉及一种高压气体环向对称瞬时卸压破煤实验装置。

背景技术

煤与瓦斯突出事故是指煤矿开采过程中，在地应力、瓦斯压力和煤岩物理力学性质三者综合作用下，破碎的煤和瓦斯由煤体或岩体内突然向采掘空间抛出的异常动力现象。表现为几吨至数千吨甚至达万吨以上的破碎煤岩在数秒至几十秒时间内，由煤岩体向采掘空间抛出，同时伴有大量瓦斯涌出，给矿井安全生产带来极大的危害。如此巨大的能量是如何聚集，又是如何耗散的呢？故需要一种实验装置，能够模拟煤在高压瓦斯环境里吸附一段时间，再突然卸压的过程。通过观察卸压后煤的破碎程度，进而计算吸附瓦斯解吸过程破碎煤的能力；同时监测卸压过程中气体压力变化和温度变化。从而进一步分析煤与瓦斯突出的能量源和能量耗散规律，为更好地预测和预防煤与瓦斯突出提供理论依据。

现有的煤与瓦斯突出试验主要分为大型的突出模拟装置和小型突出模拟装置，大型模拟装置能很好地模拟型煤的突出，但是用来模拟高压吸附瓦斯瞬间卸压破煤较不方便；小型的模拟装置试验缸的卸压口普遍只有一个，有的在圆柱状试验缸一端沿轴向开设，有的在圆柱状试验缸一端沿径向开设，这类只开设一个卸压口的试验缸均存在卸压时试样受力不均衡、卸压速度慢等问题。

本申请人于2013年12月24日提出的名为“高压瓦斯破煤实验装置”的发明专利申请，提出了一种在圆柱状试验缸外开有沿径向对称开设两个的卸压口的实验装置，使试验缸的卸压更加均衡，但是该申请中两个卸压口各自安装爆破片，由于爆破片额定爆破压力有误差，在实验中即使是额定爆破压力相同的两个爆破片都很难实现同时爆破，通常是只有一个爆破片爆破，高压气体卸压速度慢、卸压时试样受力不均匀等问题仍然存在。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种卸压快的高压气体环向对称瞬时卸压破煤实验装置。

本发明的技术方案如下：一种高压气体环向对称瞬时卸压破煤实验装置，包括圆柱状的试验缸，在所述试验缸上部开有与试验缸同轴的圆柱状试验腔，在所述试验缸上端固定有盖体，在所述盖体上插有活塞杆，所述活塞杆的中心线与试验腔的中心线重合，在所述试验缸上还开有四个周向均布的卸压孔，所述卸压孔的内孔口与试验腔连通，在四个所述卸压孔外连接有卸压通道，所述卸压通道包括直线段、大圆弧段和四个小圆弧段，其中直线段的一端安装有爆破片，直线段的另一端连接在大圆弧段的中部，所述小圆弧段两两一组连接在大圆弧段的两端，每组中两个小圆弧段的一端交汇并与大圆弧段的对应端头相连，每组中两个小圆弧段的另一端各自与两个相邻的卸压孔相连；在所述试验缸的内侧壁上还安装有温度传感器和压力传感器，在所述试验缸的侧壁上还开有气孔，所述气孔上连接有气体管道，所述气体管道的另一端与高压气瓶和真空泵相连。

采用上述结构，在试验缸的侧壁上开设四个周向均布的卸压孔，四个卸压孔与同一卸压通道相连，所述卸压通道上只安装有一个爆破片，从而解决了各个卸压孔分别安装爆破片难以同时爆破的问题，使高压气体的卸压速度更快，卸压效果更好，从而实现高压气体瞬时卸压破煤。并且，卸压通道包括直线段、大圆弧段和四个小圆弧段，不仅使卸压通道的结构简单、强度可靠，而且平滑的大圆弧段和小圆弧段使气体的排出更加顺畅，卸压更加快速。再则，通过同一气体管道连接真空泵和高压气瓶，减少了在试验缸上的开孔，有利于提高试验缸的强度，更加适用于高压气体瞬时卸压破煤实验。安装在试验缸内侧壁上的温度传感器和压力传感器，可以实时监测试验缸内气体压力和温度变化。试验时，先将试样装入试验腔，固定好盖体，然后通过真空泵抽一段时间真空，关闭真空泵，再从高压气瓶充入一定量的瓦斯气体控制瓦斯压力不变，让煤试样充分吸附瓦斯后，再次充入瓦斯气体，使瓦斯压力达到爆破片额定爆破压力，爆破片破坏，即完成一次卸压实验；也可通过活塞杆给试样施加一定压力，然后重复上述的操作完成实验，从而通过活塞杆模拟地应力作用，完成地应力作用下的瞬时卸压实验。为了达到更佳的实验效果，试样采用与试验缸同轴的圆柱体，并且试样的直径比试验腔内径小的1-2mm。

四个所述小圆弧段完全相同，每组中的两个小圆弧段相向布置；并且所述直线段、大圆弧段和四个小圆弧段的内径相等。四个完全相同的小圆弧段，使每一卸压孔到爆破片的距离相等；并且直线段、大圆弧段和四个小圆弧段的内径相等，使每一卸压孔的气流通道完全相同，二者相结合使各个卸压孔的卸压作用完全相等，使试样周向受力更加均衡，实验效果更加准确。再则，每组中的两个小圆弧段相向布置，使气体的流出更加顺畅，卸压更加快速。

所述直线段、大圆弧段和四个小圆弧段成一体。卸压通道的强度更高。

所述活塞杆的下端面呈向上凹的半球面，该半球面的半径与活塞杆的半径相同，在所述试验腔内还设置有加载头，所述加载头从上到下由半球段、小圆柱段和大圆柱段构成，其中半球段呈向上拱的半球形，所述半球段的半径与活塞杆的半径相同，半球段的中心线与活塞杆的中心线重合，半球段的下端与小圆柱段的上端相连，所述小圆柱段的中心线与半球段的中心线重合，并且小圆柱段的半径与半球段的半径相同，在所述小圆柱段的下端连接有同轴的大圆柱段，所述大圆柱段的半径与试验腔的半径相同。这样设置加载头，在通过活塞对试样进行加压时，避免了端部效应产生局部应力集中，使试样的受力更加均匀，更加准确地模拟地应力作用。

所述卸压孔呈圆形，该卸压孔的直径d＝H-h，其中H为试验腔的高度，h为加载头大圆柱段的高度。卸压孔的直径值设置为试验腔与加载头圆柱段之间的高度差，而实验试样的高度也为试验腔与加载头圆柱段之间的高度差，这就使试样轴向受力更加均衡，进一步提高了卸压的速度和效率。当然，如果不需要进行地应力作用的模拟，也可以不设置加载头和活塞杆，这样相当于加载头大圆柱段的高度为零，试样的高度、试验腔的高度和卸压孔的直径值均相同。

所述爆破片通过夹持器安装在直线段的相应端头，爆破片呈向外凸的拱形圆片，并且爆破片为316L(YCA80-1.0～9.0-SS)的不锈钢。爆破片的安装结构简单，爆破片的规格为316L(YCA80-1.0～9.0-SS)的不锈钢，即爆破片所能承受的压强为1.0～9.0MPa。

所述气体管道分别通过第一连接管和第二连接管与高压气瓶和真空泵相连，其中第一连接管和第二连接管的一端交汇并与气体管道连通，第一连接管的另一端与高压气瓶连接，第二连接管的另一端与真空泵连接。这样通过同一气体管道与高压气瓶和真空泵的连接结构简单，操作容易。

在所述第一连接管上安装有控制阀、压力表和减压阀，其中减压阀靠近高压气瓶布置，控制阀靠近气体管道布置，压力表位于减压阀和控制阀之间。

在所述第二连接管上安装有真空控制阀和开关，其中真空控制阀靠近气体管道布置，开关靠近真空泵布置。

在所述活塞杆与盖体之间垫有密封圈。

有益效果：本发明通过在试验缸的侧壁上开设四个周向均布的卸压孔，四个卸压孔与同一卸压通道相连，所述卸压通道上只安装有一个爆破片，从而避免了各个卸压孔分别安装爆破片难以同时爆破的问题，确保了四个卸压孔同时卸压，使试验腔内的高压气体能快速高效低卸压。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1的A-A剖视图。

图3为爆破片的安装结构示意图。

图4为加载头的结构示意图。

图中标记如下：试验缸1、试验腔1a、卸压孔1b、温度传感器2、压力传感器3、加载头4、半球段4a、小圆柱段4b、大圆柱段4c、盖体5、活塞杆6、密封圈7、卸压通道8、直线段8a、大圆弧段8b、小圆弧段8c、气体管道9、第一连接管10、控制阀11、压力表12、减压阀13、高压气瓶14、第二连接管15、开关16、真空泵17、真空控制阀18、夹持器19和爆破片20。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述的实施例示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述实施例是示例性的，旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不应理解为限制本发明的具体保护范围。在本发明中，除另有明确规定和限定，如有术语“组装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应作广义去理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；也可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介相连，可以是两个元件内部相连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述的术语在本发明中的具体含义。在发明中，除非另有规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“之下”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅是表示第一特征水平高度高于第二特征的高度。第一特征在第二特征“之上”、“之下”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。

下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式作进一步的描述，使本发明的技术方案及其有益效果更加清楚、明确。

如图1和图4所示，本发明包括圆柱状的试验缸1，在所述试验缸1上部开有与试验缸1同轴的圆柱状试验腔1a，在所述试验缸1上端固定有盖体5，在所述盖体5上插有活塞杆6，所述活塞杆6的中心线与试验腔1a的中心线重合，并且在所述活塞杆6与盖体5上部之间垫有密封圈7。所述活塞杆6的下端面呈向上凹的半球面，该半球面的半径与活塞杆6的半径相同。在所述试验腔1a内设置有加载头4，所述加载头4从上到下由半球段4a、小圆柱段4b和大圆柱段4c构成。其中，半球段4a呈向上拱的半球形，所述半球段4a的半径与活塞杆6的半径相同，半球段4a的中心线与活塞杆6的中心线重合，半球段4a的下端与小圆柱段4b的上端相连。所述小圆柱段4b的中心线与半球段4a的中心线重合，并且小圆柱段4b的半径与半球段4a的半径相同，在所述小圆柱段4b的下端连接有同轴的大圆柱段4c，所述大圆柱段4c的半径与试验腔1a的半径相同。使用过程中，圆柱状的试样放置在试验腔1a内，所述加载头4位于试样上方，所述盖体5位于加载头4上方，并且盖体5的下端面与加载头4大圆柱段4c的台阶面相抵，所述活塞杆6的下端与加载头4的上端半球段4a相配合，使活塞杆6通过加载头4对试样进行加压。

如图1、图2、图3和图4所示，在所述试验缸1上还开有四个周向均布的卸压孔1b，所述卸压孔1b的内孔口与试验腔1a连通。所述卸压孔1b呈圆形，该卸压孔1b的直径d＝H-h，其中H为试验腔1a的高度，h为加载头4大圆柱段4c的高度，从而使卸压孔1b的直径与试样的高度相同。在四个所述卸压孔1b外连接有卸压通道8，所述卸压通道8包括直线段8a、大圆弧段8b和四个小圆弧段8c。其中直线段8a的一端安装有爆破片20。所述爆破片20通过夹持器19安装在直线段8a的相应端头，爆破片20呈向外凸的拱形圆片，并且爆破片20为316L(YCA80-1.0～9.0-SS)的不锈钢，即爆破片20所能承受的压强为1.0～9.0MPa。所述爆破片20的圆周夹持于夹持器19的上下阀体之间，所述夹持器19通过螺栓固定的直线段8a的对应端头。所述直线段8a的另一端连接在大圆弧段8b的中部。四个所述小圆弧段8c完全相同，并且所述小圆弧段8c两两一组连接在大圆弧段8b的两端，每组中的两个小圆弧段8c相向布置，每组中两个小圆弧段8c的一端交汇并与大圆弧段8b的对应端头相连，每组中两个小圆弧段8c的另一端各自与两个相邻的卸压孔1b相连。所述直线段8a、大圆弧段8b和四个小圆弧段8c的内径相等。并且所述直线段8a、大圆弧段8b和四个小圆弧段8c成一体。

如图1和图2所示，在所述试验缸1的内侧壁上还安装有温度传感器2和压力传感器3，所述温度传感器2和压力传感器3均与数据采集分析仪相连。在所述试验缸1的侧壁上还开有气孔1c，所述气孔1c上连接有气体管道9，所述气体管道9的另一端与高压气瓶14和真空泵17相连。所述气体管道9分别通过第一连接管10和第二连接管15与高压气瓶14和真空泵17相连，其中第一连接管10和第二连接管15的一端交汇并与气体管道9连通，第一连接管10的另一端与高压气瓶14连接，第二连接管15的另一端与真空泵17连接。在所述第一连接管10上安装有控制阀11、压力表12和减压阀13，其中减压阀13靠近高压气瓶14布置，控制阀11靠近气体管道9布置，压力表12位于减压阀13和控制阀11之间。在所述第二连接管15上安装有真空控制阀18和开关16，其中真空控制阀18靠近气体管道布置，开关16靠近真空泵17布置。

Claims (10)

1.一种高压气体环向对称瞬时卸压破煤实验装置，包括圆柱状的试验缸(1)，在所述试验缸(1)上部开有与试验缸(1)同轴的圆柱状试验腔(1a)，在所述试验缸(1)上端固定有盖体(5)，在所述盖体(5)上插有活塞杆(6)，所述活塞杆(6)的中心线与试验腔(1a)的中心线重合，其特征在于：在所述试验缸(1)上还开有四个周向均布的卸压孔(1b)，所述卸压孔(1b)的内孔口与试验腔(1a)连通，在四个所述卸压孔(1b)外连接有卸压通道(8)，所述卸压通道(8)包括直线段(8a)、大圆弧段(8b)和四个小圆弧段(8c)，其中直线段(8a)的一端安装有爆破片(20)，直线段(8a)的另一端连接在大圆弧段(8b)的中部，所述小圆弧段(8c)两两一组连接在大圆弧段(8b)的两端，每组中两个小圆弧段(8c)的一端交汇并与大圆弧段(8b)的对应端头相连，每组中两个小圆弧段(8c)的另一端各自与两个相邻的卸压孔(1b)相连；在所述试验缸(1)的内侧壁上还安装有温度传感器(2)和压力传感器(3)，在所述试验缸(1)的侧壁上还开有气孔(1c)，所述气孔(1c)上连接有气体管道(9)，所述气体管道(9)远离气孔(1c)的一端通过两条并行的管路与高压气瓶(14)和真空泵(17)相连。

2.根据权利要求1所述的高压气体环向对称瞬时卸压破煤实验装置，其特征在于：四个所述小圆弧段(8c)完全相同，每组中的两个小圆弧段(8c)相向布置；并且所述直线段(8a)、大圆弧段(8b)和四个小圆弧段(8c)的内径相等。

3.根据权利要求2所述的高压气体环向对称瞬时卸压破煤实验装置，其特征在于：所述直线段(8a)、大圆弧段(8b)和四个小圆弧段(8c)成一体。

4.根据权利要求1或2或3所述的高压气体环向对称瞬时卸压破煤实验装置，其特征在于：所述活塞杆(6)的下端面呈向上凹的半球面，该半球面的半径与活塞杆(6)的半径相同，在所述试验腔(1a)内还设置有加载头(4)，所述加载头(4)从上到下由半球段(4a)、小圆柱段(4b)和大圆柱段(4c)构成，其中半球段(4a)呈向上拱的半球形，所述半球段(4a)的半径与活塞杆(6)的半径相同，半球段(4a)的中心线与活塞杆(6)的中心线重合，半球段(4a)的下端与小圆柱段(4b)的上端相连，所述小圆柱段(4b)的中心线与半球段(4a)的中心线重合，并且小圆柱段(4b)的半径与半球段(4a)的半径相同，在所述小圆柱段(4b)的下端连接有同轴的大圆柱段(4c)，所述大圆柱段(4c)的半径与试验腔(1a)的半径相同。

5.根据权利要求4所述的高压气体环向对称瞬时卸压破煤实验装置，其特征在于：所述卸压孔(1b)呈圆形，该卸压孔(1b)的直径d＝H-h，其中H为试验腔(1a)的高度，h为加载头(4)大圆柱段(4c)的高度。

6.根据权利要求5所述的高压气体环向对称瞬时卸压破煤实验装置，其特征在于：所述爆破片(20)通过夹持器(19)安装在直线段(8a)的相应端头，爆破片(20)呈向外凸的拱形圆片，并且爆破片(20)为316L的不锈钢。

7.根据权利要求6所述的高压气体环向对称瞬时卸压破煤实验装置，其特征在于：所述气体管道(9)分别通过第一连接管(10)和第二连接管(15)与高压气瓶(14)和真空泵(17)相连，其中第一连接管(10)和第二连接管(15)的一端交汇并与气体管道(9)连通，第一连接管(10)的另一端与高压气瓶(14)连接，第二连接管(15)的另一端与真空泵(17)连接。

8.根据权利要求7所述的高压气体环向对称瞬时卸压破煤实验装置，其特征在于：在所述第一连接管(10)上安装有控制阀(11)、压力表(12)和减压阀(13)，其中减压阀(13)靠近高压气瓶(14)布置，控制阀(11)靠近气体管道(9)布置，压力表(12)位于减压阀(13)和控制阀(11)之间。

9.根据权利要求8所述的高压气体环向对称瞬时卸压破煤实验装置，其特征在于：在所述第二连接管(15)上安装有真空控制阀(18)和开关(16)，其中真空控制阀(18)靠近气体管道布置，开关(16)靠近真空泵(17)布置。

10.根据权利要求9所述的高压气体环向对称瞬时卸压破煤实验装置，其特征在于：在所述活塞杆(6)与盖体(5)之间垫有密封圈(7)。