CN104698138B - 一种微震响应煤与瓦斯突出自触发模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微震响应煤与瓦斯突出自触发模拟实验装置，其由后端板、圆柱形外板和压力加载可移动活塞共同组成密闭的突出腔体，圆柱形外板的孔内设置有瓦斯压力传感器和应力传感器；后端板上设置有突出口，突出口和圆柱形外板内设置有特殊密封材料密封，这种材料流变性能好，可以自动触发煤与瓦斯突出，腔体外设置有微震监测装置捕捉煤与瓦斯突出前兆信息，本发明通过不间断地向突出腔体内的煤样加大载荷或瓦斯压力，诱导突出腔体内煤样自突出口自动触发突出，详细地记录煤与瓦斯突出激发阶段的特征，直观地反应煤与瓦斯突出激发和发生阶段煤样应力场、瓦斯场的变化，为选择生产过程中合理、科学预测提供坚实的理论基础。

Description

一种微震响应煤与瓦斯突出自触发模拟实验装置

技术领域

本发明所涉及一种捕获煤与瓦斯突出实验及突出激发阶段信息的模拟实验装置，具体涉及用于不同瓦斯压力、不同应力条件下煤与瓦斯突出的模拟实验，以及不同瓦斯压力、不同应力条件下煤与瓦斯突出激发阶段信息的捕获。

背景技术

综合作用假说解释煤与瓦斯突出的机理被广大学者接受，认为煤与瓦斯突出的动力是瓦斯压力和应力，突出的阻力为煤体的强度。但到目前为止，瓦斯压力、应力和煤的力学性质在如何激发煤与瓦斯突出的作用机理尚未查明，前苏联、日体和我国在一些学者先后设计和制造了一些设备或装制用于煤与瓦斯突出的模拟和实验，这些设备或装制在研究煤与瓦斯突出发生阶段起到了一定的作用，例如中国矿业大学通过煤与瓦斯突出装制研究了突出过程中温度的变化，认为应力破碎煤体使弹性能释放导致了突出过程中温度的变化；焦作工学院通过煤与瓦斯突出装制研究了突出过程中温度的变化，认为瓦斯的膨胀作功过程是一个接近于等温过程的多变过程。重庆大学、重庆研究院、中国科学院力学研究所、辽宁工程技术大学等通过煤与瓦斯突出装制模拟研究不同强度煤体、三轴应力、不同瓦斯压力条件等环境下煤与瓦斯突出的过程，虽然在一定程度上推进了煤与瓦斯突出机理的研究进展，但多数只是模拟了突出的过程，对煤与瓦斯突出激发阶段在瓦斯压力、地应力作用下煤体的流变研究的少，而通过微震响应捕捉煤与瓦斯突出模拟实验突出前兆信息的更少。另外，煤与瓦斯突出激发阶段是一个流变过程，但多数的模拟装置不能模拟激发煤与瓦斯突出的流变过程。

发明内容

本发明目的在于提供一种微震响应煤与瓦斯突出自触发模拟实验装置，模拟煤与瓦斯突出的孕育、激发、发生和结束过程，通过突出口特殊密封材料实现煤与瓦斯突出自动触发，通过微震监测激发阶段煤体的流变破坏过程，捕获突出激发阶段释放的信息，实现煤与瓦斯突出预警。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种微震响应煤与瓦斯突出自触发模拟实验装置，其包括圆柱形外板、后端板、压力加载可移动活塞和应力加载杆，其特征在于，所述后端板、所述圆柱形外板和所述压力加载可移动活塞共同组成密闭的突出腔体，所述压力加载可移动活塞与所述圆柱形外板之间设置有密封装置，所述应力加载杆与所述压力加载可移动活塞连接，所述圆柱形外板上开有多个孔，瓦斯压力传感器和应力传感器的输出端分别穿过所述孔，并保证当向突出腔体内的实验煤体加载时，所述瓦斯压力传感器和所述应力传感器与实验煤体直接接触，所述圆柱形外板上还设置有瓦斯压力加载入口，所述瓦斯压力加载入口用于向所述突出腔体内加入高纯瓦斯气，所述圆柱形板外设置有微震传感器，所述后端板上设置有突出口，所述突出口为前大后小的喇叭口形结构，在实验煤体填入突出腔体并压实前，在煤与瓦斯突出口内填充有特殊密封材料，所述特殊密封材料采用压力机分层压实，且所述特殊密封材料压实密封在后端板的突出口和部分的突出腔体内，所述突出口外侧设置有预固定板，所述圆柱形外板上固定有基座连接装置，以保证模拟实验过程中突出腔体不发生移动、转动，所述瓦斯压力传感器、应力传感器和微震传感器与信号处理系统相连接。

进一步，作为优选，所述的特殊的密封材料是由粘土、蒙脱石、高岭石和海泡石按一定比例均匀混合制备成的混合物，且制备后的特殊密封材料中，石英的重量比例为61％，锐钛矿型重量比例为13％，其它填充材料比例为26％，所述特殊密封材料的真密度2.81g/cm。

进一步，作为优选，所述特殊的密封材料的制备过程为，首先选取粘土、蒙脱石、高岭石和海泡石，按照相应的成分、质量百分比混合并采用搅拌机械搅拌均匀，然后称重放入烘箱中烘烤24小时，依次取出后放在橡皮板上碾散并过1mm标准筛，筛下物按10∶1加入水充分搅拌均匀并放入密封袋中，并要求所述特殊密封材料的变形模量为32MPa，变形速率不超过0.005mm/min。

进一步，作为优选，使用所述特殊密封材料来封堵所述实验煤体时，首先将预固定板置于后端板外并通过螺母、螺栓、橡胶垫固定，然后逐层向突出腔体内填入特殊密封，通过应力加载杆和压力加载可移动活塞将1MPa的应力作用于特殊密封材料上，并持续24小时，并根据实验过程中可加载于实验煤体上的应力和瓦斯压力的大小来确定填入突出腔体内特殊密封材料量的多少。

进一步，作为优选，所述微震传感器在圆柱形外板外的设置方式为，一组3个且等分设置在圆柱形外板的圆截面上，微震传感器与圆柱形外板通过螺帽连接。

进一步，作为优选，所述应力加载杆和压力加载可移动活塞为一整体结构，压力加载可移动活塞可从突出腔体内移出，以便装入特殊密封材料和实验煤样至突出腔体内。

进一步，作为优选，瓦斯压力传感器、应力传感器和微震传感器共同连接到一个信号处理系统，该信号处理系统含有瓦斯压力、加载应力和微震各自信号的存储、分析软件，各软件之间采样频率可以相异、但时间必须同步。

进一步，作为优选，所述密封装置位于压力加载可移动活塞上，以便使所述压力加载可移动活塞和突出腔体的气密性保障通过密封装置来完成。

进一步，作为优选，所述预固定板通过螺母、螺栓和橡胶垫固定于后端板上，所述预固定板在自触发煤与瓦斯突出模拟实验前移除，其它条件下必须通过螺母紧密固定于后端板表面。

进一步，作为优选，触发煤与瓦斯突出的动力源为瓦斯压力或煤体应力或二者的共同作用，实验者根据所选煤样突出特征自行设置突出动力源。

本发明的有益效果在于：

1、本发明的特殊密封材料，具备良好的密封性能，不会导致在煤样吸附瓦斯、模拟突出期间突出口发生瓦斯泄漏、终止实验；其次特殊密封材料具备良好的流变性能，模拟在瓦斯压力、应力作用下煤样自动触发突出的过程，从而获得突出前兆信息的特征。

2、本发明的突出腔体、突出口、应力加载、注气口和信号采集口都经过密封处理，保证煤样吸附瓦斯、应力加载过程中不会发生泄漏，大大地提高了实验成功率。

3、本发明的煤样成型期间，采用预固定装置临时密封突出口；突出口特殊密封材料、煤样逐层加入至突出腔体内，采用压力机分层加压填实，操作工艺简单、快捷，容易在实验室实现。

4、本发明采用微震、瓦斯压力和应力等传感器捕捉突出孕育、激发、发生和结束四个阶段煤样内部的瓦斯场、应力场变化，并采用同一信号处理系统记录、分析，易实现监测数据同步，探索煤与瓦斯突出预警的有效手段，为煤矿井下生产过程中非接触式突出预测、预警方式提供有效的理论依据。

5、使用本发明的实验装置，实验者可以依据突出煤样自身特征自行选择合理的突出动力源，可以选择瓦斯压力或应力，也可以二者混合，模拟瓦斯场、应力场单因素或二因素共同作用下发生煤与瓦斯突出，丰富突出模拟的触发机制。

附图说明

图1是微震响应煤与瓦斯突出自触发装置未填充煤体前的剖面图；

图2是微震响应煤与瓦斯突出自触发装置实验前的剖面图；

图3是微震响应煤与瓦斯突出自触发装置右视图；

图4是微震响应煤与瓦斯突出自触发装置左视图；

图5为本发明的实验系统图。

其中，11-应力加载杆；12-密封装置；13-突出腔体；14-圆柱形外板；15-压力加载可移动活塞；16-后端板；17-实验煤体；18-突出口；19-特殊密封材料；21-瓦斯压力加载入口；22-瓦斯压力传感器；23-应力传感器；24-微震传感器；25-信号处理系统；31-橡胶垫；32-预固定板；33-螺母；34-螺栓；35-基座连接装置。

具体实施方式

以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。

如图1-5所示，本发明提供了一种微震响应煤与瓦斯突出自触发模拟实验装置，其包括圆柱形外板14、后端板16、压力加载可移动活塞15和应力加载杆11，后端板16、圆柱形外板14和压力加载可移动活塞15共同组成密闭的突出腔体13，压力加载可移动活塞15与圆柱形外板14之间设置有密封装置12，应力加载杆11与压力加载可移动活塞15连接，圆柱形外板14上开有多个孔，瓦斯压力传感器22和应力传感器23的输出端分别穿过孔，并保证当向突出腔体13内的实验煤体17加载时，瓦斯压力传感器22和应力传感器23与实验煤体17直接接触，圆柱形板14上还设置有瓦斯压力加载入口21，瓦斯压力加载入口21用于向突出腔体13内加入高纯瓦斯气，圆柱形外板14外设置有微震传感器24，后端板16上设置有突出口18，突出口18为前大后小的喇叭口形结构，在实验煤体17填入突出腔体13并压实前，在煤与瓦斯突出口18内填充有特殊密封材料19，特殊密封材料19采用压力机分层压实，且特殊密封材料19压实密封在后端板16的突出口和部分的突出腔体13内，突出口18外侧设置有预固定板32，圆柱形外板14上固定有基座连接装置35，以保证模拟实验过程中突出腔体不发生移动、转动，瓦斯压力传感器22、应力传感器23和微震传感器24与信号处理系统25相连接。

在本实施例中，特殊的密封材料19是由粘土、蒙脱石、高岭石和海泡石按一定比例均匀混合制备成的混合物，且制备后的特殊密封材料中，石英的重量比例为61％，锐钛矿型重量比例为13％，其它填充材料比例为26％，所述特殊密封材料的真密度2.81g/cm。

其中，特殊的密封材料19的制备过程为，首先选取粘土、蒙脱石、高岭石和海泡石，按照相应的成分、质量百分比混合并采用搅拌机械搅拌均匀，然后称重放入烘箱中烘烤24小时，依次取出后放在橡皮板上碾散并过1mm标准筛，筛下物按10∶1加入水充分搅拌均匀并放入密封袋中，并要求所述特殊密封材料的变形模量为32MPa，变形速率不超过0.005mm/min。

使用特殊密封材料19来封堵实验煤体17时，首先将预固定板置于后端板16外并通过螺母33、螺栓34、橡胶垫31固定，然后逐层向突出腔体13内填入特殊密封材料19，通过应力加载杆11和压力加载可移动活塞15将1MPa的应力作用于特殊密封材料19上，并持续24小时，并根据实验过程中可加载于实验煤体17上的应力和瓦斯压力的大小来确定填入突出腔体13内特殊密封材料量的多少。

另外，微震传感器24在圆柱形外板14外的设置方式为，一组3个且等分设置在圆柱形外板14的圆截面上，微震传感器24与圆柱形外板14通过螺帽连接。应力加载杆11和压力加载可移动活塞15为一整体结构，压力加载可移动活塞15可从突出腔体13内移出，以便装入特殊密封材料19和实验煤样17至突出腔体13内。瓦斯压力传感器22、应力传感器23和微震传感器24共同连接到一个信号处理系统25，该信号处理系统含有瓦斯压力、加载应力和微震各自信号的存储、分析软件，各软件之间采样频率可以相异、但时间必须同步。密封装置位于压力加载可移动活塞上，以便使所述压力加载可移动活塞和突出腔体的气密性保障通过密封装置来完成。预固定板32通过螺母33、螺栓34和橡胶垫31固定于后端板16上，预固定板32在自触发煤与瓦斯突出模拟实验前移除，其它条件下必须通过螺母紧密固定于后端板16表面。触发煤与瓦斯突出的动力源为瓦斯压力或煤体应力或二者的共同作用，实验者根据所选煤样突出特征自行设置突出动力源。

使用本发明的实验装置进行实验的步骤如下：

(1)、特殊密封材料制备

取一定数量的特殊密封材料(约为20kg)放在橡皮板上碾散，过1mm标准筛，将筛下品拌匀后，再掺入的一定量水搅拌均匀，掺入水量以能捏成块为佳，密封材料制备完成；

(2)、突出腔体内材料成型

实验前先制备特殊的特殊密封材料，制备后将特殊密封材料填入突出腔体中并通过压力加载可移动活塞用1MPa的压力压实特殊密封材料，压实后持续时间大于24小时；

煤样取自实验区井下煤体，经粉碎后制备成小于5目、5～10目、10～20目、20～40目、40～60目、60～80目、80～100目七个粒径级别。每次实验时需准备100kg左右的煤样，取少许(约2kg)干燥6h并冷却，称量干燥后煤样的质量，确定煤样中已含水率，然后根据实验方案选择不同粒径级别进行配比，配好的煤样含水率为3.5％。配好的煤样放入煤样成型模具内，加压10MPa制备成易于放入突出腔体内厚约10cm的圆饼；

(3)、监测传感器安装

在突出腔体外壳布置微震传感器，将瓦斯压力传感器和应力传感器埋入到突出腔体内并连线到传感器信号处理系统，设置各种传感器存储参数，各种传感器时间计时需要同步，同时开始监测突出腔体内瓦斯压力；

(4)、突出腔体气密性检查

突出腔体特殊密封材料、煤样成型后，保持预定的液压千斤顶轴向压力(采用轴向压力不变，为5MPa)，采用真空泵对突出腔体进行气密性检查，气体压力下降小于±0.005MPa，则气密性符合要求，否则为不合格，需要对突出腔体密封效果进行检查直至合格；

(5)、煤样吸附

维持液压千斤顶轴向压力不变，将高压纯甲烷罐(罐压不低于10MPa、甲烷浓度99.9％)与充气管路连接，使突出煤样充气煤样吸附瓦斯，通过瓦斯压力传感器控制突出腔体内瓦斯压力，保证等压吸附不小于24小时。

(6)、突出模拟

去除预固定装置，提高瓦斯压力或轴向压力或二者同时施加，使特殊密封材料发生流变并触发煤与瓦斯突出，记录整个模拟实验过程中轴向压力、突出腔体内瓦斯压力和突出腔体微震响应的信号。

本发明结构简单，操作方便，实验结果可靠，可获得煤体在发生突出前的震传信号、侧应力变化和瓦斯压力变化。实验过程可通过加载瓦斯压力大小和速度来控制，可控性强。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (9)

1.一种微震响应煤与瓦斯突出自触发模拟实验装置，其包括圆柱形外板、后端板、压力加载可移动活塞和应力加载杆，其特征在于，所述后端板、所述圆柱形外板和所述压力加载可移动活塞共同组成密闭的突出腔体，所述压力加载可移动活塞与所述圆柱形外板之间设置有密封装置，所述应力加载杆与所述压力加载可移动活塞连接，所述圆柱形外板上开有多个孔，瓦斯压力传感器和应力传感器的输出端分别穿过所述孔，并保证当向突出腔体内的实验煤体加载时，所述瓦斯压力传感器和所述应力传感器与实验煤体直接接触，所述圆柱形外板上还设置有瓦斯压力加载入口，所述瓦斯压力加载入口用于向所述突出腔体内加入高纯瓦斯气，所述圆柱形外板外设置有微震传感器，所述后端板上设置有突出口，所述突出口为前大后小的喇叭口形结构，在实验煤体填入突出腔体并压实前，在煤与瓦斯突出口内填充有特殊密封材料，所述特殊密封材料采用压力机分层压实，且所述特殊密封材料压实密封在后端板的突出口和部分的突出腔体内，所述突出口外侧设置有预固定板，所述圆柱形外板上固定有基座连接装置，以保证模拟实验过程中突出腔体不发生移动、转动，所述瓦斯压力传感器、应力传感器和微震传感器与信号处理系统相连接；所述的特殊的密封材料是由粘土、蒙脱石、高岭石和海泡石按一定比例均匀混合制备成的混合物，且制备后的特殊密封材料中，石英的重量比例为61％，锐钛矿型重量比例为13％，其它填充材料比例为26％，所述特殊密封材料的真密度2.81g/cm。

2.根据权利要求1所述的一种微震响应煤与瓦斯突出自触发模拟实验装置，其特征在于，所述特殊的密封材料的制备过程为，首先选取粘土、蒙脱石、高岭石和海泡石，按照相应的成分、质量百分比混合并采用搅拌机械搅拌均匀，然后称重放入烘箱中烘烤24小时，依次取出后放在橡皮板上碾散并过1mm标准筛，筛下物按10∶1加入水充分搅拌均匀并放入密封袋中，并要求所述特殊密封材料的变形模量为32MPa，变形速率不超过0.005mm/min。

3.根据权利要求1所述的一种微震响应煤与瓦斯突出自触发模拟实验装置，其特征在于，使用所述特殊密封材料来封堵所述实验煤体时，首先将所述预固定板置于所述后端板外并通过螺母、螺栓、橡胶垫固定，然后逐层向突出腔体内填入所述特殊密封材料，通过所述应力加载杆和压力加载可移动活塞将1MPa的应力作用于特殊密封材料上，并持续24小时，并根据实验过程中可加载于实验煤体上的应力和瓦斯压力的大小来确定填入突出腔体内特殊密封材料量的多少。

4.根据权利要求1所述的一种微震响应煤与瓦斯突出自触发模拟实验装置，其特征在于，所述微震传感器在圆柱形外板外的设置方式为，一组3个且等分设置在圆柱形外板的圆截面上，微震传感器与圆柱形外板通过螺帽连接。

5.根据权利要求1所述的一种微震响应煤与瓦斯突出自触发模拟实验装置，其特征在于，所述应力加载杆和压力加载可移动活塞为一整体结构，压力加载可移动活塞可从突出腔体内移出，以便装入特殊密封材料和实验煤样至突出腔体内。

6.根据权利要求1所述的一种微震响应煤与瓦斯突出自触发模拟实验装置，其特征在于，瓦斯压力传感器、应力传感器和微震传感器共同连接到一个信号处理系统，该信号处理系统含有瓦斯压力、加载应力和微震各自信号的存储、分析软件，各软件之间采样频率相异、但时间必须同步。

7.根据权利要求1所述的一种微震响应煤与瓦斯突出自触发模拟实验装置，其特征在于，所述密封装置位于压力加载可移动活塞上，以便使所述压力加载可移动活塞和突出腔体的气密性保障通过密封装置来完成。

8.根据权利要求1所述的一种微震响应煤与瓦斯突出自触发模拟实验装置，其特征在于，所述预固定板通过螺母、螺栓和橡胶垫固定于后端板上，所述预固定板在自触发煤与瓦斯突出模拟实验前移除，其它条件下必须通过螺母紧密固定于后端板表面。

9.根据权利要求1所述的一种微震响应煤与瓦斯突出自触发模拟实验装置，其特征在于，触发煤与瓦斯突出的动力源为瓦斯压力或煤体应力或二者的共同作用，实验者根据所选煤样突出特征自行设置突出动力源。