CN107515289B - 一种煤与瓦斯突出模拟试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种煤与瓦斯突出模拟试验装置，包括试样加载装置和高压瓦斯发生装置，试样加载装置包括带有围压入口的圆筒，在圆筒右端盖上有轴压入口，圆筒中置有包裹试样的腔体，腔体右端与轴心开有瓦斯入口的轴压活塞套接，腔体的左端与环形支架套接，环形支架的右端与试样间设有有机玻璃板；高压瓦斯发生装置由瓦斯喷头、瓦斯气瓶和瓦斯加压装置组成，瓦斯喷头由冲击头、连接管和与三通连接座组成，三通连接座分别与连接管、瓦斯气瓶和瓦斯加压装置相接。该装置通过围压加载和轴压加载模拟煤岩在井下的应力环境，利用高压瓦斯发生装置获得突发性高压瓦斯，模拟瓦斯压力突然增大导致煤与瓦斯突出发生过程，为煤与瓦斯突出机理研究和预防提供手段。
Description
技术领域：
本发明涉及一种用于开展煤与瓦斯突出机理研究的煤与瓦斯突出模拟试验装置。
背景技术：
随着煤矿开采深度的增加，世界上部分矿井(煤矿)已进入深开采阶段，德国、英国、俄罗斯、中国、日本等国的煤矿最大开采深度均超过千米，其中我国开采深度最大的新汶矿区孙村煤矿开采深度已达到1518米。深部条件下，煤层瓦斯压力大，超过半数为高瓦斯矿井，煤与瓦斯突出灾害严重，进入超千米深井后，矿井动力灾害间会发生互相转化、复合，使煤与瓦斯突出灾害发生机理更加复杂，部分现有的浅部机理已不能完全适用于深部矿井开采，需要对深部煤与瓦斯突出灾害做进一步研究。井下动力灾害发生过程中瓦斯压力并非是缓慢上升，而是具有突然发生的特点。但到目前为止，用于这方面研究的多数模拟实验装置均未考虑瓦斯压力突然增大对发生动力灾害的影响，模拟缺乏真实性。
发明内容：
针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种结构简单、能够真实模拟井下瓦斯压力突然增大导致煤与瓦斯突出发生的试验装置，为煤与瓦斯突出机理研究和预测防治提供手段。
本发明采用以下技术方案：提供一种煤与瓦斯突出模拟试验装置，包括：试样加载装置和高压瓦斯发生装置，所述试样加载装置包括圆筒，设于圆筒内与所述圆筒同轴心的用于装载试样的腔体，所述圆筒上设有围压入口，且其左端设有左端盖与圆筒密封连接，一环形支架，所述环形支架的左端通过左端盖与所述圆筒的左端密封连接，其右端套接于所述腔体的左端，所述环形支架的右端设有环形挡板，所述环形挡板与试样之间设有脆性有机玻璃板，所述左端盖上设有开孔，使得所述脆性有机玻璃板通过环形挡板和开孔与外界连通；所述圆筒的右端设有右端盖与圆筒密封连接，所述右端盖上设有轴压入口，一轴压活塞可沿圆筒内壁滑动，所述轴压活塞的左端向内凹陷呈漏斗形并套接在所述腔体的右端由于固定所述试样，轴压活塞的右端从所述右端盖伸出，所述轴压活塞的轴心开设有瓦斯入口，所述瓦斯入口连接所述高压瓦斯发生装置；所述高压瓦斯发生装置包括瓦斯喷头，瓦斯气瓶和瓦斯加压装置，所述瓦斯喷头包括冲击头、连接管和三通连接座，所述冲击头的一端与所述瓦斯入口连接，另一端与连接管连接，所述三通连接座的第一管口连接所述连接管，第二管口连接所述瓦斯气瓶，第三管口连接所述瓦斯加压装置。
所述轴压活塞的向内凹陷呈漏斗形的一端与所述试样的外边缘密封接触。
所述冲击头通过剪切阀和剪切阀密封垫与所述连接管螺纹连接。
所述第一管口通过三通连接座密封垫与所述连接管螺纹连接。
所述第二管口由管路通过瓦斯压力表、瓦斯阀门与所述瓦斯气瓶连接。
所述瓦斯加压装置包括水箱和压力缸，所述压力缸中设有水气隔离活塞可沿压力缸内壁滑动，所述水箱由管路通过水阀门和水压表与所述压力缸的一端连接，所述压力缸的另一端与所述第三管口连接。
由上述技术方案可知，本发明提供的煤与瓦斯突出模拟试验装置，包括试样加载装置和高压瓦斯发生装置，其中试样加载装置中设有围压入口和轴压入口，轴压、围压均可进行调控，通过围压加载和轴压加载可以模拟煤岩在井下的真实应力环境，然后利用高压瓦斯发生装置获得突发性高压瓦斯，可以模拟瓦斯压力突然增大导致煤与瓦斯突出发生的真实过程，其中高压瓦斯发生装置中的瓦斯喷头通过管路与试样加载装置中轴压活塞的瓦斯入口相接，所述轴压活塞向内凹陷呈漏斗形的一端通过轴压与试样紧密接触并达到密封程度，可保证在瓦斯压力增大到极限值的过程中，每一压力数值都能达到标准，从而使得监测系统在监测时反映出的数据比较准确，有利于研究煤与瓦斯突出发生的机理。同时，在发生突出时，由脆性有机玻璃板充当突出口，可实现突出口快速打开，避免了人为打开突出口对煤与瓦斯突出过程的影响。
附图说明：
图1为本发明提供的煤与瓦斯突出模拟试验装置的整体结构剖视图。
图2为图1中瓦斯喷头的放大图。
图3为本发明采用的试样结构示意图。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1和图2所示，本发明提供的煤与瓦斯突出模拟试验装置用于模拟煤与瓦斯突出过程。所述煤与瓦斯突出模拟试验装置包括试样加载装置100和高压瓦斯发生装置200，所述试样加载装置100包括一圆筒2，圆筒2上设有模拟试验时与高压气体相接的围压入口21，所述圆筒2的左、右两端分别有与圆筒2螺纹密封连接的左端盖1和右端盖10，其中所述左端盖1为中间开孔的开放式结构(以模拟巷道空间)，所述右端盖10设有模拟试验时与高压水相接的轴压入口11，在所述圆筒2中设置与圆筒2同轴心的腔体6，所述腔体6可以为薄橡胶筒，所述腔体6中包裹由煤柱构成的试样，在所述圆筒2的右端安装有一可沿圆筒2内壁滑动的轴压活塞8，所述轴压活塞8的右端从所述右端盖10中伸出，所述轴压活塞8的左端向内凹陷呈漏斗形并套接在所述腔体6的右端由于固定所述试样，且所述轴压活塞8的左端与所述腔体6之间设有密封圈，所述轴压活塞8与圆筒2的内壁和右端盖10之间均设有密封圈，沿所述轴压活塞8的轴心开设前后通透的瓦斯入口9，所述瓦斯入口9连接所述高压瓦斯发生装置200，进一步地，将所述腔体6的左端与一环形支架3的右端套接，所诉环形支架3的左端与所述圆筒2的左端通过所述左端盖1密封连接，所述环形支架3的右端有内沿，在内沿靠近试样的一边放置中间开孔的环形挡板4，在环形挡板4与试样之间放置有脆性有机玻璃板5。
所述高压瓦斯发生装置200包括瓦斯喷头12，瓦斯气瓶15和瓦斯加压装置201，其中所述瓦斯喷头12的结构如图2所示，所述瓦斯喷头包括冲击头121、连接管124和三通连接座126，所述瓦斯喷头12的一端为冲击头121，所述冲击头121通过管路与所述瓦斯入口9相接，冲击头121的另一端通过剪切阀122和剪切阀密封垫123与所述连接管124的一端螺纹连接，所述连接管124的另一端通过三通连接座密封垫125与所述三通连接座的第一管口1261连接，所述三通连接座126的第二管口1263由管路通过瓦斯压力表13、瓦斯阀门14与所述瓦斯气瓶15连接，所述三通连接座126的第三管口1262通过管路与瓦斯加压装置201相接。
所述瓦斯加压装置201包括水箱20和压力缸16，所述压力缸16中设有水气隔离活塞17可沿压力缸16内壁滑动，所述水气隔离活塞17与压力缸16内壁之间有密封圈，所述水箱20由管路通过水阀门19和水压表18与所述压力缸16的一端连接，所述压力缸16的另一端与所述第三管口1262连接。
使用本发明装置模拟煤与瓦斯突出时，通过圆筒2上的围压入口21注入高压气体，对腔体6中的试样施加围压；通过圆筒右端盖10上的轴压入口11注入高压水，推动轴压活塞8对试样施加轴压，以模拟煤岩在井下的应力环境。然后打开瓦斯阀门14，将瓦斯气瓶15中的高压瓦斯气体通过三通连接座126充入瓦斯喷头12中的连接管124中；再开启瓦斯加压装置201，由水箱20中的高压水推动压力缸16中的水气隔离活塞17移动，压缩水气隔离活塞17后部的空气，将压力通过三通连接座126传给连接管124中的瓦斯气体，使瓦斯气体的压力进一步增大，当瓦斯气体压力增大到一定程度时，置于连接管124和冲击头121之间的剪切阀122破裂，高压瓦斯迅速通过冲击头121、管路和轴压活塞轴心的瓦斯入口9对试样内部施加突发性瓦斯压力，在轴压、围压和突发性水压力共同作用下，位于试样另一端的脆性有机玻璃板5破碎，煤粉从中喷出，以此模拟瓦斯压力突然增大导致的煤与瓦斯突出发生过程。
该模拟试验装置在进行试验时，可将试样制成圆柱形，如图3所示，要求试样内中空圆孔底部距离试样底部的距离h大于或等于试样壁厚H,根据试验具体要求可将试样制成不同壁厚H、不同中空半径的圆孔进行试验。试样的中空圆孔朝向瓦斯入口，将所述轴压活塞8左端向内凹陷呈漏斗形的部分在轴压下与试样的外边缘紧密接触并达到密封程度，进一步保证了所述模拟试验装置的密封性，在调节围压、轴压和瓦斯压力时，每一数值都能达到标准，从而使得监测系统在监测时反映出的数据比较准确，有利于研究煤与瓦斯突出发生的机理，同时，在发生煤与瓦斯突出时，由脆性有机玻璃板5充当出口，可实现突出口快速打开，避免了人为打开突出口对煤与瓦斯突出过程得影响。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。
Claims (6)
1.一种煤与瓦斯突出模拟试验装置，其特征在于，包括：试样加载装置和高压瓦斯发生装置，所述试样加载装置包括圆筒，设于圆筒内与所述圆筒同轴心的用于装载试样的腔体，所述圆筒上设有围压入口，且其左端设有左端盖与圆筒密封连接，一环形支架，所述环形支架的左端通过左端盖与所述圆筒的左端密封连接，其右端套接于所述腔体的左端，所述环形支架的右端设有环形挡板，所述环形挡板与试样之间设有脆性有机玻璃板，所述左端盖上设有开孔，使得所述脆性有机玻璃板通过环形挡板和开孔与外界连通；所述圆筒的右端设有右端盖与圆筒密封连接，所述右端盖上设有轴压入口，一轴压活塞可沿圆筒内壁滑动，所述轴压活塞的左端向内凹陷呈漏斗形并套接在所述腔体的右端由于固定所述试样，轴压活塞的右端从所述右端盖伸出，所述轴压活塞的轴心开设有瓦斯入口，所述瓦斯入口连接所述高压瓦斯发生装置；
所述高压瓦斯发生装置包括瓦斯喷头，瓦斯气瓶和瓦斯加压装置，所述瓦斯喷头包括冲击头、连接管和三通连接座，所述冲击头的一端与所述瓦斯入口连接，另一端与连接管连接，所述三通连接座的第一管口连接所述连接管，第二管口连接所述瓦斯气瓶，第三管口连接所述瓦斯加压装置。
2.如权利要求1所述的煤与瓦斯突出模拟试验装置，其特征在于：所述轴压活塞的向内凹陷呈漏斗形的一端与所述试样的外边缘密封接触。
3.如权利要求1所述的煤与瓦斯突出模拟试验装置，其特征在于：所述冲击头通过剪切阀和剪切阀密封垫与所述连接管螺纹连接。
4.如权利要求1所述的煤与瓦斯突出模拟试验装置，其特征在于：所述第一管口通过三通连接座密封垫与所述连接管螺纹连接。
5.如权利要求1所述的煤与瓦斯突出模拟试验装置，其特征在于：所述第二管口由管路通过瓦斯压力表、瓦斯阀门与所述瓦斯气瓶连接。
6.如权利要求1所述的煤与瓦斯突出模拟试验装置，其特征在于：所述瓦斯加压装置包括水箱和压力缸，所述压力缸中设有水气隔离活塞可沿压力缸内壁滑动，所述水箱由管路通过水阀门和水压表与所述压力缸的一端连接，所述压力缸的另一端与所述第三管口连接。
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