CN105910913A - 原煤煤样下冲击载荷诱发煤与瓦斯突出试验系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种原煤煤样下冲击载荷诱发煤与瓦斯突出试验系统及方法，包括静载荷施加装置、高压瓦斯供给装置、抽真空装置、冲击载荷施加装置和突出强度测试装置；本发明还公开了使用所述的原煤煤样下冲击载荷诱发煤与瓦斯突出试验系统的试验方法，依次按以下步骤进行：先对试验系统进行气密性检查，再连接轴向加载缸体和水平方向缸体，再抽真空，然后向煤样中充入瓦斯，再施加冲击载荷。本发明适于以原煤煤样为试验对象，能够模拟冲击载荷引发瓦斯突出的现象，能更真实地模拟矿下瓦斯突出现场的环境，能精确得到煤与瓦斯突出的始突条件，更为真实、可靠地研究煤与瓦斯突出规律和现象。
Description
技术领域
本发明涉及一种研究煤矿瓦斯灾害发生规律及其机理的模拟试验系统及方法，适用于在原煤煤样下模拟冲击载荷进行试验。
背景技术
煤与瓦斯突出系指煤矿井下这样一种煤体动力现象：在极短时间内，由煤体向巷道（包括采场）中突然喷出大量的瓦斯和粉碎的煤，并在煤体中形成某种特殊形状的空洞。喷出的粉煤被瓦斯流所携带运动，并造成一定的动力效应（推倒矿车、巨石、破坏支架等）。根据煤与瓦斯突出综合作用假说，煤与瓦斯突出是在地应力、瓦斯压力和煤体物理力学性质综合作用影响下发生的一种复杂动力灾害现象，煤与瓦斯突出是威胁煤矿安全生产的最严重的自然灾害，因此对煤与瓦斯突出机理的研究可以解释煤矿井下瓦斯灾害的发生条件和规律，以使突出预防措施更具针对性和实效性。
20世纪80年代以来，我国的学者在煤与瓦斯突出机理试验研究方面取得了许多成就，自1989年邓全封研发了一维煤与瓦斯突出模拟试验装置以来，此后各相关高校和研究机构相继研发出了能模拟各种试验条件和适用于不同原煤煤样尺寸的煤与瓦斯突出模拟试验装备，并取得了一系列的研究成果。但就研究现状来看，目前的突出模拟装置还存在以下问题和不足：
（1）定性地模拟突出过程。目前的突出模拟装置能提供的往往都是一种定性模拟，无法计算突出能量大小。
（2）所用原煤煤样多采用煤粉压制。煤粉压制的型煤无论在物理力学性质上，还是在内部孔隙/裂隙结构上，与原煤煤样均有很大的差别，采用型煤原煤煤样显然降低了模拟试验过程的真实性。
（3）现有突出设备无法模拟突出前方煤体厚度对突出的影响。在煤与瓦斯突出过程中，煤柱厚度是一个重要参数，煤柱越厚越不容易发生突出。现场的突出都是在一定厚度煤柱条件下发生的，因此在模拟突出时有必要考虑煤柱厚度的重要影响。
（4）突出之前的试验系统为封闭系统。井下煤与瓦斯突出的发生是在煤层瓦斯持续向外涌出的过程中发生的，而目前的试验装置在突出时，发生突出之前瓦斯气体一直都处于一种封闭状态，只有在打开突出口瞬间才让瓦斯涌出，这种处理方法与现场瓦斯涌出的开放系统是相悖的。
（5）煤体是否达到吸附解吸平衡不能较好的衡量，煤层赋存在地下，在一定的瓦斯压力下，经过较长时间的吸附，多为吸附平衡状态，如果煤体未达到吸附平衡，在进行冲击试验时，煤体瓦斯吸附情况与现场不符。
发明内容
本发明的目的在于提供一种原煤煤样下冲击载荷诱发煤与瓦斯突出试验系统，适于以原煤煤样为试验对象，能够模拟冲击载荷引发瓦斯突出的现象，并且能够更真实地模拟矿下瓦斯突出现场的环境。
为实现上述目的，本发明的原煤煤样下冲击载荷诱发煤与瓦斯突出试验系统包括静载荷施加装置、高压瓦斯供给装置、抽真空装置、冲击载荷施加装置和突出强度测试装置；
静载荷施加装置包括轴向加载缸体，轴向加载缸体包括通过第一法兰结构连接在一起的上部缸体和下部缸体，轴向加载缸体内沿上下轴线方向设有加载杆，加载杆的顶端向上滑动密封伸出上部缸体，加载杆的底端向下伸入下部缸体，加载杆的底端设有下活塞头，下活塞头与下部缸体的内壁滑动密封连接，下活塞头与下部缸体之间围成煤样室；
上部缸体中部的加载杆上设有上活塞头，上活塞头与上部缸体的内壁滑动密封连接，上部缸体顶部侧壁设有上油口，上油口位于上活塞头上方；上部缸体底部侧壁设有下油口，下油口位于上活塞头与下活塞头之间；上部缸体通过上油口和下油口连接有液压加载机构；
突出强度测试装置包括水平方向缸体，水平方向缸体的左端与所述煤样室的侧壁相连通；水平方向缸体内沿水平轴向方向设有水平方向活塞杆，水平方向活塞杆的右端滑动密封伸出水平方向缸体并连接有挡板；水平方向活塞杆的左端设有左活塞头，左活塞头与水平方向缸体的内壁滑动密封连接；
左活塞头左侧的水平方向缸体内填充有用于模拟突出前方煤体厚度的煤柱，煤柱处的水平方向缸体上设有左气压表和模拟涌出接口，模拟涌出接口连接有放空管，放空管上设有用于模拟瓦斯涌出的瓦斯放空阀；左活塞头右侧的水平方向缸体上设有右气压表和缸体放空阀；水平方向缸体的右端设有第一位移传感器，水平方向活塞杆伸出水平方向缸体的部分连接所述第一位移传感器；挡板左侧的水平方向活塞杆上设有第一应力传感器；
高压瓦斯供给装置包括高压瓦斯罐，高压瓦斯罐通过第一瓦斯管路连接有缓冲罐，缓冲罐通过第二瓦斯管路连接有瓦斯两位三通阀，瓦斯两位三通阀连接有第三瓦斯管路，第三瓦斯管路连接所述煤样室的侧壁；第一瓦斯管路上设有总开关阀，第三瓦斯管路上设有防冲击开关阀；
抽真空装置包括抽真空管路，抽真空管路的一端与所述瓦斯两位三通阀相连接，抽真空管路上设有真空计和抽真空开关阀；抽真空管路的另一端连接有真空泵；
冲击载荷施加装置包括两根立柱，两根立柱分别位于轴向加载缸体的左侧和右侧，两根立柱的顶部高于轴向加载缸体，且两根立柱的顶端之间固定连接有横梁，横梁向下连接有两根设有导轨的标杆，两根标杆之间滑动连接有砝码组，砝码组的顶端连接有提升装置；
所述加载杆向上伸出轴向加载缸体的部分设有第二应力传感器，所述加载杆的顶端连接有承载板，承载板与轴向加载缸体 的顶端之间连接有第二位移传感器；所述砝码组位于承载板的正上方。
所述液压加载机构包括第一连接油管、第二连接油管和液压泵，液压泵连接有一根送油管和两根回油管，两根回油管分别为第一回油管和第二回油管；
第一连接油管连接所述上油口，第二连接油管连接所述下油口，第一连接油管和第二连接油管之间连接有第三油管，第三油管上设有油路两位三通阀，油路两位三通阀连接送油管并使送油管选择连通第一连接油管或第二连接油管；
第一连接油管的末端通过第一开关阀连接第一回油管，第二连接油管的末端通过第二开关阀连接第二回油管；
沿送油方向，送油管上依次设有送油开关阀、油压调节阀和送油液压表；第一回油管和第二回油管上分别设有回油液压表。
所述放空管上设有放空气压表，放空管的末端连接有瓦斯解析仪；水平方向缸体包括左缸体和右缸体，左缸体左端固定连接在下部缸体上并与煤样室相连通，右缸体的左端通过第二法兰结构与左缸体相连通。
所述高压瓦斯供给装置还包括高压氦气罐，高压氦气罐和高压瓦斯罐的出口分别连接有一出口管路，高压瓦斯罐的出口管路上设有瓦斯出口开关阀和瓦斯减压阀，高压氦气罐的出口管路上设有氦气出口开关阀和氦气减压阀；高压氦气罐和高压瓦斯罐的出口管路均与所述第一瓦斯管路相连接。
本发明的目的还在于提供一种使用上述原煤煤样下冲击载荷诱发煤与瓦斯突出试验系统的试验方法。
为实现上述目的，本发明的试验方法依次按以下步骤进行：
（1）先对试验系统进行气密性检查，确保试验系统不漏气；气密性检查的具体方法是：打开氦气出口开关阀、氦气减压阀、总开关阀和防冲击开关阀，使瓦斯两位三通阀连通第二瓦斯管路与第三瓦斯管路；
通过氦气减压阀将氦气压力调节至预定值，然后通过高压氦气瓶向煤样室中注入预定压力的氦气；
如果左气压表在2小时内读数保持不变，则表明试验系统不漏气，试验系统气密性良好；如果左气压表在2小时内读数降低，则检查并处理系统漏点后，重新进行本气密性检查步骤；检查结果表明试验系统气密性良好后，关闭氦气出口开关阀并进行下一步骤；
（2）装入原煤煤样；打开第一法兰结构，卸下上部缸体和加载杆，将事先做好的原煤煤样装入煤样室，使用细煤粉将原煤煤样与煤样室内壁之间的空隙填满并压实；
（3）安装上部缸体和加载杆，拧紧第一法兰结构处的螺栓从而将上部缸体和下部缸体固定连接在一起；
使用煤粉压制预定厚度的煤柱，将煤柱放入左缸体内，将水平方向活塞杆安装在右缸体内，再将右缸体通过第二法兰结构与左缸体相连接，拧紧第二法兰结构处的螺栓从而将左缸体和右缸体固定在一起；调节水平方向活塞杆的左右位置，使煤柱的左端面与下部缸体的内壁相齐平；使用挡板将水平方向活塞杆的左端固定好；
利用液压加载机构和加载杆向下对原煤煤样施加一个用以模拟煤层上覆岩层的自重应力的轴向载荷，以保证在充入瓦斯气体的时候加载杆不会被向上顶起；
（4）本步骤是对煤样室抽真空；打开抽真空开关阀和防冲击开关阀，使瓦斯两位三通阀连通抽真空管路与第三瓦斯管路；
打开真空泵，对装入原煤煤样的煤样室抽真空，通过真空计随时观察煤样室内的真空度变化情况；对原煤煤样抽真空的时间不少于12小时，煤样室达到试验预定的真空度后，关闭真空泵和抽真空开关阀；
（5）使瓦斯两位三通阀连通第二瓦斯管路与第三瓦斯管路；打开瓦斯出口开关阀和总开关阀，并通过瓦斯减压阀调节瓦斯压力，使高压瓦斯罐向原煤煤样中充入预定压力的瓦斯气体，直到原煤煤样达到吸附解吸平衡状态；
（6）原煤煤样达到吸附解吸平衡后，确保总开关阀、瓦斯出口开关阀和防冲击开关阀处于关闭状态；
利用加载杆向下对原煤煤样施加试验预定的载荷，从而模拟煤层上覆岩层所产生的自重应力；然后打开瓦斯放空阀，模拟瓦斯涌出现象；当左气压表所显示的相对瓦斯压力为零时，将放空管的末端接到解吸仪上，利用冲击载荷施加装置对原煤煤样施加预定大小的冲击载荷，同时撤掉挡板，观察是否发生突出现象；
（7）经过以上6个步骤后，如果没有发生突出现象，则更换原煤煤样，通过选用不同质量的砝码组或通过将砝码组提升至不同的高度来更改冲击载荷的大小，重复上述（1）～（6）步骤，直至发生突出现象；如果发生突出现象，则保存第一位移传感器、第二位移传感器、第一应力传感器和第二应力传感器的试验数据，通过计算获取原煤煤样的输入冲击能量和突出发生后的突出强度。
所述第（5）步骤中，判断原煤煤样达到吸附解吸平衡的方法是：①使原煤煤样吸附瓦斯12小时之后，关闭总开关阀和防冲击开关阀，2小时之后，如果左气压表的读数不稳定，表明原煤煤样还没达到吸附解吸平衡，此时再次打开总开关阀和防冲击开关阀，继续向原煤煤样中充入预定压力的瓦斯气体，并重新执行本判断原煤煤样达到吸附解吸平衡的方法；如果左气压表的读数不再变化，则表明原煤煤样已经达到吸附解吸平衡状态，此时关闭瓦斯出口开关阀。
所述第（6）步骤中，利用冲击载荷施加装置对原煤煤样施加预定大小的冲击载荷的具体操作是：
首先根据预定的冲击载荷的大小确定砝码组的质量和提升高度，然后使用提升装置将砝码组提升至预定高度后释放，砝码组下落后冲击承载板并通过加载杆对原煤煤样施加预定大小的冲击载荷。
所述第（3）步骤中，利用液压加载机构和加载杆向下对原煤煤样施加一个用以模拟煤层上覆岩层的自重应力的轴向载荷的具体操作是：打开送油开关阀，使油路两位三通阀连通送油管和第一连接油管；关闭第一开关阀从而中断第一连接油管与第一回油管的连接，打开第二开关阀从而连通第二连接油管与第二回油管；启动液压泵，使液压油经过送油管、油路两位三通阀、第一连接油管和上油口进入上部缸体并推动上活塞头向下移动；上活塞头向下移动时，将上活塞头下方的液压油经过下油口、第二连接油管、第二开关阀和第二回油管回流至液压泵。
本发明不但能够进行定性试验，而且试验条件更为精准，能够较为精确地计算突出能量大小，从而更精确地分析试验结果，更准确地指导采煤作业实践。本发明利用原煤煤样进行试验，消除了使用粉煤压制的煤样带来的内部孔隙/裂隙结构与原煤的不同，与以往相比提高了模拟试验过程的真实程度。在突出模拟试验中，本发明与以往的同类试验装置相比，在试验中能够模拟突出前瓦斯的自然涌出过程并在开放条件下进行试验，能够模拟前方煤柱厚度对突出的影响，并在原煤煤样处于瓦斯吸附平衡状态时进行试验。另外，本发明设置了垂直方向的载荷施加功能，可以模拟煤层中上覆岩层的自重应力，能精确得到煤与瓦斯突出的始突条件，包括应力始突条件和瓦斯压力始突条件。以上特点使本发明的试验条件更接近于现场实际条件，能准确地模拟现场突出过程，更为真实、可靠地研究煤与瓦斯突出规律和现象，为研究煤与瓦斯突出的发生机理提供可靠的试验基础，并指导煤矿生产实践。
附图说明
图1是原煤煤样下冲击载荷诱发煤与瓦斯突出试验系统的结构示意图；
图2是三次试验中冲击载荷的监测结果的示意图；
图3是三次试验中水平载荷的监测结果示意图；
图4是三次实验中水平方向活塞杆及左活塞头位移的监测结果示意图；
图5是三次实验中垂直方向位移的监测结果；
图6是图1中A处的放大图；
图7是图1中突出强度测试装置处的放大图；
图8是图1中静载荷施加装置处的放大图；
图9是图1中高压瓦斯供给装置处的放大图。
具体实施方式
如图1至图9所示，本发明的原煤煤样下冲击载荷诱发煤与瓦斯突出试验系统包括静载荷施加装置、高压瓦斯供给装置、抽真空装置、冲击载荷施加装置和突出强度测试装置；
静载荷施加装置包括轴向加载缸体，轴向加载缸体包括通过第一法兰结构39连接在一起的上部缸体8和下部缸体84，轴向加载缸体内沿上下轴线方向设有加载杆9，加载杆9的顶端向上滑动密封伸出上部缸体8，加载杆9的底端向下穿过第一法兰结构39伸入下部缸体84，加载杆9的底端设有下活塞头85，下活塞头85与下部缸体84的内壁滑动密封连接，下活塞头85与下部缸体84之间围成煤样室18；
上部缸体8中部的加载杆9上设有上活塞头86，上活塞头86与上部缸体8的内壁滑动密封连接，上部缸体8顶部侧壁设有上油口6，上油口6位于上活塞头86上方；上部缸体8底部侧壁设有下油口7，下油口7位于上活塞头86与下活塞头85之间；上部缸体8通过上油口6和下油口7连接有液压加载机构；
突出强度测试装置包括水平方向缸体，水平方向缸体的左端与所述煤样室18的侧壁相连通；水平方向缸体内沿水平轴向方向设有水平方向活塞杆11，水平方向活塞杆11的右端滑动密封伸出水平方向缸体并连接有挡板44；水平方向活塞杆11的左端设有左活塞头87，左活塞头87与水平方向缸体的内壁滑动密封连接；
左活塞头87左侧的水平方向缸体内填充有用于模拟突出前方煤体厚度的煤柱19，煤柱19处的水平方向缸体上设有左气压表21和模拟涌出接口88，模拟涌出接口88连接有放空管89，放空管89上设有用于模拟瓦斯涌出的瓦斯放空阀13；左活塞头87右侧的水平方向缸体上设有右气压表50和缸体放空阀12；水平方向缸体的右端设有第一位移传感器14，水平方向活塞杆11伸出水平方向缸体的部分连接所述第一位移传感器14；挡板44左侧的水平方向活塞杆11上设有第一应力传感器16；
高压瓦斯供给装置包括高压瓦斯罐46，高压瓦斯罐46通过第一瓦斯管路74连接有缓冲罐48（缓冲罐48的设置能够使高压瓦斯供给装置输出的瓦斯压力更加稳定），缓冲罐48通过第二瓦斯管路75连接有瓦斯两位三通阀27，瓦斯两位三通阀27连接有第三瓦斯管路76，第三瓦斯管路76连接所述煤样室18的侧壁；第一瓦斯管路74上设有总开关阀30，第三瓦斯管路76上设有防冲击开关阀77。
抽真空装置包括抽真空管路73，抽真空管路73的一端与所述瓦斯两位三通阀27相连接，抽真空管路73上设有真空计24和抽真空开关阀31；抽真空管路73的另一端连接有真空泵43。
冲击载荷施加装置包括两根立柱3，两根立柱3分别位于轴向加载缸体的左侧和右侧，两根立柱3的顶部高于轴向加载缸体，且两根立柱3的顶端之间固定连接有横梁2，横梁2向下连接有两根设有导轨的标杆4，两根标杆4之间滑动连接有砝码组5，砝码组5的顶端连接有提升装置1；
所述加载杆9向上伸出轴向加载缸体的部分设有第二应力传感器17，所述加载杆9的顶端连接有承载板90，承载板90与轴向加载缸体 的顶端之间连接有第二位移传感器15；所述砝码组5位于承载板90的正上方。
横梁2与立柱33等起支撑固定作用，防止因冲击力的作用造成整套装置发生倾倒，通过提升装置1将砝码5提升至一定高度然后释放，通过带导轨标杆4测量冲击高度并充当砝码5下滑时的导轨；释放的砝码对加载杆9施加冲击载荷，冲击载荷通过加载杆9传至煤样室18内的原煤煤样之上；对原煤煤样施加的轴向静载荷通过液压加载机构和下活塞头85来实现。
对原煤煤样施加的冲击载荷通过第二应力传感器17来监测，原煤煤样在冲击载荷作用下的位移通过第二位移传感器15进行监测。
使用时，液压加载机构通过液压泵38和油压调节阀37调节所加静载荷的大小，用以模拟煤矿井下开采过程中，煤层上覆岩层压力。
所述液压加载机构包括第一连接油管78、第二连接油管79和液压泵38，液压泵38连接有一根送油管80和两根回油管，两根回油管分别为第一回油管81和第二回油管82；
第一连接油管78连接所述上油口66，第二连接油管79连接所述下油口7，第一连接油管78和第二连接油管79之间连接有第三油管83，第三油管83上设有油路两位三通阀28，油路两位三通阀28连接送油管80并使送油管80选择连通第一连接油管78或第二连接油管79；
第一连接油管78的末端通过第一开关阀32连接第一回油管81，第二连接油管79的末端通过第二开关阀33连接第二回油管82；
沿送油方向，送油管80上依次设有送油开关阀34、油压调节阀37和送油液压表25；第一回油管81和第二回油管82上分别设有回油液压表26。
所述放空管89上设有放空气压表22，放空管89的末端连接有瓦斯解析仪49；水平方向缸体包括左缸体71和右缸体72，左缸体71左端固定连接在下部缸体84上并与煤样室18相连通，右缸体72的左端通过第二法兰结构40与左缸体71相连通。
所述高压瓦斯供给装置还包括高压氦气罐47，高压氦气罐47和高压瓦斯罐46的出口分别连接有一出口管路，高压瓦斯罐46的出口管路上设有瓦斯出口开关阀29和瓦斯减压阀41，高压氦气罐47的出口管路上设有氦气出口开关阀36和氦气减压阀42；高压氦气罐47和高压瓦斯罐46的出口管路均与所述第一瓦斯管路74相连接。
本发明还公开了使用上述原煤煤样下冲击载荷诱发煤与瓦斯突出试验系统的试验方法，依次按以下步骤进行：
（1）先对试验系统进行气密性检查，确保试验系统不漏气；气密性检查的具体方法是：打开氦气出口开关阀36、氦气减压阀42、总开关阀30和防冲击开关阀77，使瓦斯两位三通阀27连通第二瓦斯管路75与第三瓦斯管路76；
通过氦气减压阀42将氦气压力调节至预定值，然后通过高压氦气瓶47向煤样室18中注入预定压力的氦气；
如果左气压表21在2小时内读数保持不变，则表明试验系统不漏气，试验系统气密性良好；如果左气压表21在2小时内读数降低，则检查并处理系统漏点后，重新进行本气密性检查步骤；检查结果表明试验系统气密性良好后，关闭氦气出口开关阀36并进行下一步骤；
（2）装入原煤煤样；打开第一法兰结构39，卸下上部缸体8和加载杆9，将事先做好的一个原煤煤样（直径100mm，长度200mm）装入煤样室18，使用细煤粉将原煤煤样与煤样室18内壁之间的空隙填满并压实；
（3）装好原煤煤样之后，安装上部缸体8和加载杆9，拧紧第一法兰结构39处的螺栓从而将上部缸体8和下部缸体84固定连接在一起；
使用煤粉压制预定厚度的煤柱19，煤柱19用以模拟突出前方煤柱19对突出强度的影响；将煤柱19放入左缸体71内，将水平方向活塞杆11安装在右缸体72内，再将右缸体72通过第二法兰结构40与左缸体71相连接，拧紧第二法兰结构40处的螺栓从而将左缸体71和右缸体72固定在一起；调节水平方向活塞杆11的左右位置，使煤柱19的左端面与下部缸体84的内壁相齐平；使用挡板44将水平方向活塞杆11的左端固定好；
利用液压加载机构和加载杆9向下对原煤煤样施加一个用以模拟煤层上覆岩层的自重应力的轴向载荷（较小即可），以保证在充入瓦斯气体的时候加载杆9不会被向上顶起；
（4）本步骤是对煤样室18抽真空；打开抽真空开关阀31和防冲击开关阀77，使瓦斯两位三通阀27连通抽真空管路73与第三瓦斯管路76；
打开真空泵43，对装入原煤煤样的煤样室18抽真空，通过真空计24随时观察煤样室18内的真空度变化情况；对原煤煤样抽真空的时间不少于12小时，煤样室18达到试验预定的真空度后，关闭真空泵43和抽真空开关阀31；
（5）使瓦斯两位三通阀27连通第二瓦斯管路75与第三瓦斯管路76；打开瓦斯出口开关阀29和总开关阀30，并通过瓦斯减压阀41调节瓦斯压力，使高压瓦斯罐46向原煤煤样中充入预定压力的瓦斯气体，直到原煤煤样达到吸附解吸平衡状态；
（6）原煤煤样达到吸附解吸平衡后，确保总开关阀30、瓦斯出口开关阀29和防冲击开关阀77处于关闭状态；
利用加载杆9向下对原煤煤样施加试验预定的载荷，从而模拟煤层上覆岩层所产生的自重应力；然后打开瓦斯放空阀13，模拟瓦斯涌出现象；当左气压表21所显示的相对瓦斯压力为零时，将放空管89的末端接到解吸仪上，利用冲击载荷施加装置对原煤煤样施加预定大小的冲击载荷，同时撤掉挡板44，观察是否发生突出现象；
当砝码5释放、同时将挡板44撤掉后，原煤煤样在冲击载荷作用下破碎，破碎后的原煤煤样在冲击载荷和瓦斯压力共同作用下推动水平方向活塞杆11向外（图1所示向右的方向）发生位移；应力传感器16监测冲击载荷施加之前原煤煤样所受水平方向的载荷大小；位移传感器14监测突出发生后水平方向活塞杆11的位移大小，右气压表50可以监测水平方向缸体中的空气气压变化，根据位移大小、水平方向活塞杆11所受的摩擦阻力与水平方向缸体中的气压监测值可以得到突出能量大小。
（7）经过以上6个步骤后，如果没有发生突出现象，则更换原煤煤样，通过选用不同质量的砝码组5或通过将砝码组5提升至不同的高度来更改冲击载荷的大小，重复上述（1）～（6）步骤，直至发生突出现象；如果发生突出现象，则利用电脑自动监测并保存第一位移传感器14、第二位移传感器15、第一应力传感器16和第二应力传感器17的试验数据，通过计算获取原煤煤样的输入冲击能量和突出发生后的突出强度。
在所述第（5）步骤中，判断原煤煤样达到吸附解吸平衡的方法是：①使原煤煤样吸附瓦斯12小时之后，关闭总开关阀30和防冲击开关阀77，2小时之后，如果左气压表21的读数不稳定，表明原煤煤样还没达到吸附解吸平衡，此时再次打开总开关阀30和防冲击开关阀77，继续向原煤煤样中充入预定压力的瓦斯气体，并重新执行本判断原煤煤样达到吸附解吸平衡的方法；如果左气压表21的读数不再变化，则表明原煤煤样已经达到吸附解吸平衡状态，此时关闭瓦斯出口开关阀29；
根据利用缓冲罐48中的瓦斯压力降，以及煤样室18和相关管路的死空间计算得出原煤煤样的瓦斯吸附量大小。
所述第（6）步骤中，利用冲击载荷施加装置对原煤煤样施加预定大小的冲击载荷的具体操作是：
首先根据预定的冲击载荷的大小确定砝码组5的质量和提升高度，然后使用提升装置1将砝码组5提升至预定高度后释放，砝码组5下落后冲击承载板90并通过加载杆9对原煤煤样施加预定大小的冲击载荷。
8. 所述第（3）步骤中，利用液压加载机构和加载杆9向下对原煤煤样施加一个用以模拟煤层上覆岩层的自重应力的轴向载荷的具体操作是：打开送油开关阀34，使油路两位三通阀28连通送油管80和第一连接油管78；关闭第一开关阀32从而中断第一连接油管78与第一回油管81的连接，打开第二开关阀33从而连通第二连接油管79与第二回油管82；启动液压泵38，使液压油经过送油管80、油路两位三通阀28、第一连接油管78和上油口66进入上部缸体8并推动上活塞头86向下移动；上活塞头86向下移动时，将上活塞头86下方的液压油经过下油口77、第二连接油管79、第二开关阀33和第二回油管82回流至液压泵38。
试验完成后，使油路两位三通阀28连通送油管80和第二连接油管79，并且打开第一开关阀32从而连通第一连接油管78与第一回油管81，关闭第二开关阀33从而中断第二连接油管79与第二回油管82的连通状态。此时在液压泵38的动力作用下，液压油经过送油管80、油路两位三通阀28、第二连接油管79和下油口77进入上部缸体8并推动上活塞头86向上移动；上活塞头86向上移动时，将上活塞头86上方的液压油经过上油口66、第一连接油管78、第一开关阀32和第一回油管81回流至液压泵38，从而使加载杆9和下活塞头85复位。
假设突出过程中满足以下条件：①突出为恒温过程；②各种能量在试验过程中皆释放完全，且无其他形式的能量损失；③试验过程中煤体重力做功、产生声发射、辐射等能量损耗可以忽略。
在满足以上条件时，煤与瓦斯突出模拟试验装置的突出能量Wt可近似为克服水平缸摩擦力做的功Wf与水平缸活塞压缩气体做功Ws之和，具体如以下的公式1：
式中：Ff为左活塞头87滑动摩擦阻力，经测定后试验系统的摩擦为4.71 kN；l为水平活塞的最大位移量，即水平方向缸体的内腔长度减去煤柱19厚度（长度）后的数值，单位为米；x为试验过程中水平活塞的实际位移量，单位为米；P0为水平方向缸体内原始气体压力，单位为Pa；V0为水平方向缸体内原始气体体积，单位为立方米。
本实施例根据上述试验思路，共进行了三次冲击载荷条件下的突出模拟试验，分别为1#试验、2#试验和3#试验。
三次试验所施加的静态和动态载荷都一样，具体试验条件见表1，1#试验中无煤柱19影响，2#和3#试验中均考虑了煤柱19对突出的影响，不同的是3#试验在冲击载荷施加时，考虑了瓦斯解吸的影响。
表1 试验条件
初步的试验结果见表2：
表2 试验结果
根据公式1可计算得出1#实验中的突出能量大小为W t=766.70 J，2#实验中的突出能量大小为W t=518.95 J，3#实验未发生突出，突出能量为零。
Claims (8)
1.原煤煤样下冲击载荷诱发煤与瓦斯突出试验系统，其特征在于：包括静载荷施加装置、高压瓦斯供给装置、抽真空装置、冲击载荷施加装置和突出强度测试装置；
静载荷施加装置包括轴向加载缸体，轴向加载缸体包括通过第一法兰结构连接在一起的上部缸体和下部缸体，轴向加载缸体内沿上下轴线方向设有加载杆，加载杆的顶端向上滑动密封伸出上部缸体，加载杆的底端向下伸入下部缸体，加载杆的底端设有下活塞头，下活塞头与下部缸体的内壁滑动密封连接，下活塞头与下部缸体之间围成煤样室；
上部缸体中部的加载杆上设有上活塞头，上活塞头与上部缸体的内壁滑动密封连接，上部缸体顶部侧壁设有上油口，上油口位于上活塞头上方；上部缸体底部侧壁设有下油口，下油口位于上活塞头与下活塞头之间；上部缸体通过上油口和下油口连接有液压加载机构；
突出强度测试装置包括水平方向缸体，水平方向缸体的左端与所述煤样室的侧壁相连通；水平方向缸体内沿水平轴向方向设有水平方向活塞杆，水平方向活塞杆的右端滑动密封伸出水平方向缸体并连接有挡板；水平方向活塞杆的左端设有左活塞头，左活塞头与水平方向缸体的内壁滑动密封连接；
左活塞头左侧的水平方向缸体内填充有用于模拟突出前方煤体厚度的煤柱，煤柱处的水平方向缸体上设有左气压表和模拟涌出接口，模拟涌出接口连接有放空管，放空管上设有用于模拟瓦斯涌出的瓦斯放空阀；左活塞头右侧的水平方向缸体上设有右气压表和缸体放空阀；水平方向缸体的右端设有第一位移传感器，水平方向活塞杆伸出水平方向缸体的部分连接所述第一位移传感器；挡板左侧的水平方向活塞杆上设有第一应力传感器；
高压瓦斯供给装置包括高压瓦斯罐，高压瓦斯罐通过第一瓦斯管路连接有缓冲罐，缓冲罐通过第二瓦斯管路连接有瓦斯两位三通阀，瓦斯两位三通阀连接有第三瓦斯管路，第三瓦斯管路连接所述煤样室的侧壁；第一瓦斯管路上设有总开关阀，第三瓦斯管路上设有防冲击开关阀；
抽真空装置包括抽真空管路，抽真空管路的一端与所述瓦斯两位三通阀相连接，抽真空管路上设有真空计和抽真空开关阀；抽真空管路的另一端连接有真空泵；
冲击载荷施加装置包括两根立柱，两根立柱分别位于轴向加载缸体的左侧和右侧，两根立柱的顶部高于轴向加载缸体，且两根立柱的顶端之间固定连接有横梁，横梁向下连接有两根设有导轨的标杆，两根标杆之间滑动连接有砝码组，砝码组的顶端连接有提升装置；
所述加载杆向上伸出轴向加载缸体的部分设有第二应力传感器，所述加载杆的顶端连接有承载板，承载板与轴向加载缸体 的顶端之间连接有第二位移传感器；所述砝码组位于承载板的正上方。
2.根据权利要求1所述的原煤煤样下冲击载荷诱发煤与瓦斯突出试验系统，其特征在于：所述液压加载机构包括第一连接油管、第二连接油管和液压泵，液压泵连接有一根送油管和两根回油管，两根回油管分别为第一回油管和第二回油管；
第一连接油管连接所述上油口，第二连接油管连接所述下油口，第一连接油管和第二连接油管之间连接有第三油管，第三油管上设有油路两位三通阀，油路两位三通阀连接送油管并使送油管选择连通第一连接油管或第二连接油管；
第一连接油管的末端通过第一开关阀连接第一回油管，第二连接油管的末端通过第二开关阀连接第二回油管；
沿送油方向，送油管上依次设有送油开关阀、油压调节阀和送油液压表；第一回油管和第二回油管上分别设有回油液压表。
3.根据权利要求1所述的原煤煤样下冲击载荷诱发煤与瓦斯突出试验系统，其特征在于：所述放空管上设有放空气压表，放空管的末端连接有瓦斯解析仪；水平方向缸体包括左缸体和右缸体，左缸体左端固定连接在下部缸体上并与煤样室相连通，右缸体的左端通过第二法兰结构与左缸体相连通。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的原煤煤样下冲击载荷诱发煤与瓦斯突出试验系统，其特征在于：所述高压瓦斯供给装置还包括高压氦气罐，高压氦气罐和高压瓦斯罐的出口分别连接有一出口管路，高压瓦斯罐的出口管路上设有瓦斯出口开关阀和瓦斯减压阀，高压氦气罐的出口管路上设有氦气出口开关阀和氦气减压阀；高压氦气罐和高压瓦斯罐的出口管路均与所述第一瓦斯管路相连接。
5.采用权利要求4中所述的原煤煤样下冲击载荷诱发煤与瓦斯突出试验系统的试验方法，其特征在于依次按以下步骤进行：
（1）先对试验系统进行气密性检查，确保试验系统不漏气；气密性检查的具体方法是：打开氦气出口开关阀、氦气减压阀、总开关阀和防冲击开关阀，使瓦斯两位三通阀连通第二瓦斯管路与第三瓦斯管路；
通过氦气减压阀将氦气压力调节至预定值，然后通过高压氦气瓶向煤样室中注入预定压力的氦气；
如果左气压表在2小时内读数保持不变，则表明试验系统不漏气，试验系统气密性良好；如果左气压表在2小时内读数降低，则检查并处理系统漏点后，重新进行本气密性检查步骤；检查结果表明试验系统气密性良好后，关闭氦气出口开关阀并进行下一步骤；
（2）装入原煤煤样；打开第一法兰结构，卸下上部缸体和加载杆，将事先做好的原煤煤样装入煤样室，使用细煤粉将原煤煤样与煤样室内壁之间的空隙填满并压实；
（3）安装上部缸体和加载杆，拧紧第一法兰结构处的螺栓从而将上部缸体和下部缸体固定连接在一起；
使用煤粉压制预定厚度的煤柱，将煤柱放入左缸体内，将水平方向活塞杆安装在右缸体内，再将右缸体通过第二法兰结构与左缸体相连接，拧紧第二法兰结构处的螺栓从而将左缸体和右缸体固定在一起；调节水平方向活塞杆的左右位置，使煤柱的左端面与下部缸体的内壁相齐平；使用挡板将水平方向活塞杆的左端固定好；
利用液压加载机构和加载杆向下对原煤煤样施加一个用以模拟煤层上覆岩层的自重应力的轴向载荷，以保证在充入瓦斯气体的时候加载杆不会被向上顶起；
（4）本步骤是对煤样室抽真空；打开抽真空开关阀和防冲击开关阀，使瓦斯两位三通阀连通抽真空管路与第三瓦斯管路；
打开真空泵，对装入原煤煤样的煤样室抽真空，通过真空计随时观察煤样室内的真空度变化情况；对原煤煤样抽真空的时间不少于12小时，煤样室达到试验预定的真空度后，关闭真空泵和抽真空开关阀；
（5）使瓦斯两位三通阀连通第二瓦斯管路与第三瓦斯管路；打开瓦斯出口开关阀和总开关阀，并通过瓦斯减压阀调节瓦斯压力，使高压瓦斯罐向原煤煤样中充入预定压力的瓦斯气体，直到原煤煤样达到吸附解吸平衡状态；
（6）原煤煤样达到吸附解吸平衡后，确保总开关阀、瓦斯出口开关阀和防冲击开关阀处于关闭状态；
利用加载杆向下对原煤煤样施加试验预定的载荷，从而模拟煤层上覆岩层所产生的自重应力；然后打开瓦斯放空阀，模拟瓦斯涌出现象；当左气压表所显示的相对瓦斯压力为零时，将放空管的末端接到解吸仪上，利用冲击载荷施加装置对原煤煤样施加预定大小的冲击载荷，同时撤掉挡板，观察是否发生突出现象；
（7）经过以上6个步骤后，如果没有发生突出现象，则更换原煤煤样，通过选用不同质量的砝码组或通过将砝码组提升至不同的高度来更改冲击载荷的大小，重复上述（1）～（6）步骤，直至发生突出现象；如果发生突出现象，则保存第一位移传感器、第二位移传感器、第一应力传感器和第二应力传感器的试验数据，通过计算获取原煤煤样的输入冲击能量和突出发生后的突出强度。
6.根据权利要求5所述的试验方法，其特征在于：
所述第（5）步骤中，判断原煤煤样达到吸附解吸平衡的方法是：①使原煤煤样吸附瓦斯12小时之后，关闭总开关阀和防冲击开关阀，2小时之后，如果左气压表的读数不稳定，表明原煤煤样还没达到吸附解吸平衡，此时再次打开总开关阀和防冲击开关阀，继续向原煤煤样中充入预定压力的瓦斯气体，并重新执行本判断原煤煤样达到吸附解吸平衡的方法；如果左气压表的读数不再变化，则表明原煤煤样已经达到吸附解吸平衡状态，此时关闭瓦斯出口开关阀。
7.根据权利要求6所述的试验方法，其特征在于：所述第（6）步骤中，利用冲击载荷施加装置对原煤煤样施加预定大小的冲击载荷的具体操作是：
首先根据预定的冲击载荷的大小确定砝码组的质量和提升高度，然后使用提升装置将砝码组提升至预定高度后释放，砝码组下落后冲击承载板并通过加载杆对原煤煤样施加预定大小的冲击载荷。
8.根据权利要求7所述的试验方法，其特征在于：所述第（3）步骤中，利用液压加载机构和加载杆向下对原煤煤样施加一个用以模拟煤层上覆岩层的自重应力的轴向载荷的具体操作是：打开送油开关阀，使油路两位三通阀连通送油管和第一连接油管；关闭第一开关阀从而中断第一连接油管与第一回油管的连接，打开第二开关阀从而连通第二连接油管与第二回油管；启动液压泵，使液压油经过送油管、油路两位三通阀、第一连接油管和上油口进入上部缸体并推动上活塞头向下移动；上活塞头向下移动时，将上活塞头下方的液压油经过下油口、第二连接油管、第二开关阀和第二回油管回流至液压泵。
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