CN107462473A - 一种不同强度水作用下煤体裂隙演化装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种不同强度水作用下煤体裂隙演化装置及方法。该装置包括两个煤样罐、水力加载装置、应力应变片、数据监测装置和裂隙演化录制装置；两个煤样罐内分别放置两种不同粒径的煤样，煤样罐前部设有观察窗，所述应力应变片贴在煤样侧壁上，所述水力加载装置包括水箱、可调压的高压水泵、压力表、流量计和连接水管，水力加载装置与煤样罐连通，所述数据监测装置与应力应变片连接，记录应力变化过程，所述裂隙演化录制装置设置在煤样罐上的可视窗前，录制整个试验煤样裂隙演化过程。本发明可以对比矿井工作面附近不同破碎区域煤层突水对煤体裂隙演化的影响，试验结果精确清晰。
Description
技术领域
本发明涉及一种不同强度水作用下煤体裂隙演化装置及方法，具体涉及一种适用于模拟矿井不同破碎程度下的煤体在水作用下的裂隙演化情况试验装置，属于煤矿煤层突水灾害试验领域。
背景技术
在煤矿的开采过程中，煤体中总存在着不同发育程度的裂隙。在本来的地应力和周期来压作用下，采空区顶板岩层会发生垮落、断裂和移动变形，使煤体应力场重新分布。随着开采的深入，工作面附近的煤体破碎情况必然不同。在水的渗透和扩散作用下，使煤体软化或者加速裂隙发育，进一步加重了工作面附近顶板垮落的危险。
本发明在研究过程中发现以往的模型试验仅仅是对一种煤体在受压或水的作用下的煤层裂隙发育情况进行模拟，而没有一种针对不同破碎程度煤体在流体作用下的裂隙发育情况的研究。
发明内容
本发明旨在提供一种不同强度水作用下煤体裂隙演化装置及方法，对不同破碎程度的煤体在水作用下的裂隙发育情况进行研究，并做出模拟矿井不同破碎程度下的含水煤体的裂隙演化试验装置。通过该装置，可以了解不同强度水作用下对煤体裂隙演化的影响，对预防煤矿突水冒顶等灾害事故，保障煤矿安全开采具有重要意义。
本发明提供了一种不同强度水作用下煤体裂隙演化装置，包括两个煤样罐、水力加载装置、应力应变片、数据监测装置和裂隙演化录制装置；两个煤样罐内分别放置两种不同粒径的煤样，煤样罐前部设有观察窗，所述应力应变片贴在煤样侧壁上，所述水力加载装置包括水箱、可调压的高压水泵、压力表、流量计和连接水管，水力加载装置与煤样罐连通，所述数据监测装置与应力应变片连接，记录应力变化过程，所述裂隙演化录制装置设置在煤样罐上的可视窗前，录制整个试验煤样裂隙演化过程。
进一步地，所述两个煤样罐包括两个圆柱形煤样罐体，在罐体上部均有注水水管孔，可视窗位于罐体壁面中间位置，密封条是为了防止可视窗和注水水管孔漏水，其余部位密封性良好。
进一步地，所述煤样的粒径为0.2-0.25mm和1-3mm两种。
进一步地，所述水箱为带刻度水箱，水箱通过管道连接两个注水支管，管道上分别设有可调压的高压水泵、压力表、流量计和连接水管，连接水管下部设有两条注水支管分别连接煤样罐，注水支管上分别设有第一控制阀和第二控制阀。
进一步的，所述数据采集监测装置包括应力应变片和导线，与计算机的信号输入端传输连接，所述裂隙演化录制装置包括摄像机和机架。
本发明提供了一种不同强度水作用下煤体裂隙演化方法，包括以下步骤：
（1）试验前，通过密封条密封煤样罐上部注水水管孔和可视窗边缘，防止漏水；
（2）首先将取回煤块在试验室粉碎机上进行粉碎,并筛选出粒径为0.2-0.25mm和1-3mm的煤粒，然后压制成和实验煤样罐匹配的圆柱形型煤试件；
（3）在型煤试件侧壁粘贴应力应变片，其过程为：首先是清除煤壁表面氧化层和污垢，待清洗剂挥发后,用4H的硬质铅笔在过型煤试件侧壁的中心做水平和竖直方向的记号,注意做记号时不要留下刻痕。然后确认好应变片的正反面，向应变片的背面滴一滴粘贴剂（CC-33A），将滴有粘贴剂的应变片立即粘在所作记号的中心位置。定位后,在应力应变片上垫一层四氟乙烯薄膜,用手指轻轻挤压出多余的胶水和气泡，待胶水初步固化后即可松开。粘贴好的应力应变片应保证位置准确,粘结牢固、胶层均匀、无气泡和整洁干净；
（4）在水箱内加入纯净水，然后按墨水与清水比例为1:5的比列加入红墨水并搅拌均匀，直至水箱内的水变为红色。根据预设好的连接顺序通过连接水管与两个注水支管把煤样罐、可调压水泵和水箱连接好，通过注水支管的第一控制阀和第二控制阀来控制水的进入；
（5）打开高压水泵，使水力加载装置和注水装置连通，使水增压到6MPa，开启计算机，使其处于记录准备阶段，开启摄像机的同时开启高压水泵，通入高压水开始试验。打开两个注水支管上的第一控制阀和第二控制阀，使注水装置和煤样罐连通，让高压水进入煤样罐进行第一次实验；
（6）通过应力监测装置实时监测应力数据，通过试图录制装置观测型煤裂隙演化过程。实验结束后关闭注水支管上的第一控制阀和第二控制阀和高压水泵；
（7）调节高压水泵使水增压到压力表的读数为12MPa重复步骤（5）（6），进行第二次实验；
（8）调节高压水泵使水增压到压力表的读数为18MPa重复步骤（5）（6），进行第三次实验。
本发明的有益效果：
（1）本发明可以对比矿井工作面附近不同破碎区域煤层突水对煤体裂隙演化的影响，试验结果精确清晰。（2）采用该技术方案，可以进行不同破碎程度、不同水力条件的突水对比模拟试验；具体体现为：①通过调节压力水泵，实现不同水力条件下的模拟；②可以通过可视窗和应力监测装置观察裂隙的演变过程；③通过两组不同粒径煤样的对比实验模拟煤在不同区域不同的破碎程度。
附图说明
图1为本发明试验装置的结构示意图；
图中1为第一控制阀，2为第二控制阀，3为注水支管，4为煤样罐，5为应力应变片，6为水管，7为压力表，8为流量计，9为水箱，10为高压水泵，11为计算机，12为可视窗。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例1：
如图1所示，一种不同强度水作用下煤体裂隙演化装置，包括两个煤样罐4、水力加载装置、应力应变片5、数据监测装置和裂隙演化录制装置；两个煤样罐7内分别放置两种不同粒径的煤样，煤样罐前部设有可视窗12，所述应力应变片5贴在煤样侧壁上，所述水力加载装置包括水箱9、可调压的高压水泵10、压力表7、流量计8和连接水管6，水力加载装置与煤样罐4连通，所述数据监测装置与应力应变片5连接，记录应力变化过程，所述裂隙演化录制装置设置在煤样罐7上的可视窗12前，录制整个试验煤样裂隙演化过程。
进一步地，所述两个煤样罐包括两个圆柱形煤样罐体，在罐体上部均有注水水管孔，可视窗位于罐体壁面中间位置，密封条是为了防止可视窗和注水水管孔漏水，其余部位密封性良好。
进一步地，所述煤样的粒径为0.2-0.25mm和1-3mm两种。
进一步地，所述水箱9为带刻度水箱，水箱通过管道连接两个注水支管3，管道上分别设有可调压的高压水泵10、压力表7、流量计8和连接水管6，连接水管6下部设有两条注水支管3分别连接煤样罐，注水支管3上分别设有第一控制阀1和第二控制阀2。
进一步的，所述数据采集监测装置包括应力应变片5和导线，与计算机11的信号输入端传输连接，所述裂隙演化录制装置包括摄像机和机架（图中未示出）。摄像机和机架设置在可视窗的前面。
本发明提供了一种不同强度水作用下煤体裂隙演化方法，包括以下步骤：
（1）试验前，通过密封条密封煤样罐上部注水水管孔和可视窗边缘，防止漏水；
（2）首先将取回煤块在试验室粉碎机上进行粉碎,并筛选出粒径为0.2-0.25mm和1-3mm的煤粒，然后压制成和实验煤样罐匹配的圆柱形型煤试件；
（3）在型煤试件侧壁粘贴应力应变片，其过程为：首先是清除煤壁表面氧化层和污垢，待清洗剂挥发后,用4H的硬质铅笔在过型煤试件侧壁的中心做水平和竖直方向的记号,注意做记号时不要留下刻痕。然后确认好应变片的正反面，向应变片的背面滴一滴粘贴剂（CC-33A），将滴有粘贴剂的应变片立即粘在所作记号的中心位置。定位后,在应力应变片上垫一层四氟乙烯薄膜,用手指轻轻挤压出多余的胶水和气泡，待胶水初步固化后即可松开。粘贴好的应力应变片应保证位置准确,粘结牢固、胶层均匀、无气泡和整洁干净；
（4）在水箱内加入纯净水，然后按墨水与清水比例为1:5的比列加入红墨水并搅拌均匀，直至水箱内的水变为红色。根据预设好的连接顺序通过连接水管与两个注水支管把煤样罐、可调压水泵和水箱连接好，通过注水支管的第一控制阀和第二控制阀来控制水的进入；
（5）打开高压水泵，使水力加载装置和注水装置连通，使水增压到6MPa，开启计算机，使其处于记录准备阶段，开启摄像机的同时开启高压水泵，通入高压水开始试验。打开两个注水支管上的第一控制阀和第二控制阀，使注水装置和煤样罐连通，让高压水进入煤样罐进行第一次实验；
（6）通过应力监测装置实时监测应力数据，通过试图录制装置观测型煤裂隙演化过程。实验结束后关闭注水支管上的第一控制阀和第二控制阀和高压水泵；
（7）调节高压水泵使水增压到压力表的读数为12MPa重复步骤（5）（6），进行第二次实验；
（8）调节高压水泵使水增压到压力表的读数为18MPa重复步骤（5）（6），进行第三次实验。
Claims (7)
1.一种不同强度水作用下煤体裂隙演化装置，其特征在于：包括两个煤样罐、水力加载装置、应力应变片、数据监测装置和裂隙演化录制装置；两个煤样罐内分别放置两种不同粒径的煤样，煤样罐前部设有观察窗，所述应力应变片贴在煤样侧壁上，所述水力加载装置包括水箱、可调压的高压水泵、压力表、流量计和连接水管，水力加载装置与煤样罐连通，所述数据监测装置与应力应变片连接，记录应力变化过程，所述裂隙演化录制装置设置在煤样罐上的可视窗前，录制整个试验煤样裂隙演化过程。
2.根据权利要求1所述的不同强度水作用下煤体裂隙演化装置，其特征在于：所述两个煤样罐包括两个圆柱形煤样罐体，在罐体上部均有注水水管孔，可视窗位于罐体壁面中间位置，密封条是为了防止可视窗和注水水管孔漏水，其余部位密封性良好。
3.根据权利要求1所述的不同强度水作用下煤体裂隙演化装置，其特征在于：所述煤样的粒径为0.2-0.25mm和1-3mm两种。
4.根据权利要求1所述的不同强度水作用下煤体裂隙演化装置，其特征在于：所述水箱为带刻度水箱，水箱通过管道连接两个注水支管，管道上分别设有可调压的高压水泵、压力表、流量计和连接水管，连接水管下部设有两条注水支管分别连接煤样罐，注水支管上分别设有第一控制阀和第二控制阀。
5.根据权利要求1所述的不同强度水作用下煤体裂隙演化装置，其特征在于：所述数据采集监测装置包括应力应变片和导线，与计算机的信号输入端传输连接，所述裂隙演化录制装置包括摄像机和机架。
6.一种不同强度水作用下煤体裂隙演化方法，采用权利要求1~5任一项所述的不同强度水作用下煤体裂隙演化装置，其特征在于：包括以下步骤：
（1）试验前，通过密封条密封煤样罐上部注水水管孔和可视窗边缘，防止漏水；
（2）首先将取回煤块在试验室粉碎机上进行粉碎,并筛选出粒径为0.2-0.25mm和1-3mm的煤粒，然后压制成和实验煤样罐匹配的圆柱形型煤试件；
（3）在型煤试件侧壁粘贴应力应变片，在应力应变片上垫一层四氟乙烯薄膜,用手指轻轻挤压出多余的胶水和气泡，待胶水初步固化后即可松开；粘贴好的应力应变片应保证位置准确,粘结牢固、胶层均匀、无气泡和整洁干净；
（4）在水箱内加入纯净水，然后按墨水与清水比例为1:5的比列加入红墨水并搅拌均匀，直至水箱内的水变为红色；根据预设好的连接顺序通过连接水管与两个注水支管把煤样罐、可调压水泵和水箱连接好，通过注水支管的第一控制阀和第二控制阀来控制水的进入；
（5）打开可调压水泵，使水力加载装置和注水装置连通，使水增压到6MPa，开启计算机，使其处于记录准备阶段，开启摄像机的同时开启高压水泵，通入高压水开始试验；打开两个注水支管上的第一控制阀和第二控制阀，使注水装置和煤样罐连通，让高压水进入煤样罐进行第一次实验；
（6）通过应力监测装置实时监测应力数据，通过试图录制装置观测型煤裂隙演化过程；实验结束后关闭注水支管上的第一控制阀和第二控制阀和高压水泵；
（7）调节高压水泵使水增压到压力表的读数为12MPa重复步骤（5）（6），进行第二次实验；
（8）调节高压水泵使水增压到压力表的读数为18MPa重复步骤（5）（6），进行第三次实验。
7.根据权利要求6所述的不同强度水作用下煤体裂隙演化方法，其特征在于：应力应变片贴片过程：首先是清除煤壁表面氧化层和污垢，待清洗剂挥发后,用4H的硬质铅笔在过型煤试件侧壁的中心做水平和竖直方向的记号,注意做记号时不要留下刻痕；然后确认好应变片的正反面，向应变片的背面滴一滴粘贴剂，将滴有粘贴剂的应变片立即粘在所作记号的中心位置；定位后,在应力应变片上垫一层四氟乙烯薄膜,用手指轻轻挤压出多余的胶水和气泡，待胶水初步固化后即可松开；粘贴好的应力应变片应保证位置准确,粘结牢固、胶层均匀、无气泡和整洁干净。
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