CN108205054A - 含高压瓦斯煤块在外界气体突然卸压时的破坏特征实验装置 - Google Patents
含高压瓦斯煤块在外界气体突然卸压时的破坏特征实验装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种含高压瓦斯煤块在外界气体突然卸压时的破坏特征实验装置，属于实验装置领域。包括压力容器、带有尖钩的钢管、爆破片装置、固定装置、筛分装置、充气装置、抽气装置、真空压力表及煤块，将煤块置于压力容器，通过抽气装置抽除空气，充气装置充入瓦斯气体，观察压力表读数，特定条件下，人为拉动钢管刺破爆破片形成大面积开口，容器内瓦斯压力突然下降，煤块碎裂，再通过筛分装置测量碎煤的粒度分布。本发明设计合理、结构简单、突出开口打开速度快，具有可控性，且操作简单，密封性能好。
Description
技术领域
本发明属于实验装置技术领域，尤其涉及一种含高压瓦斯煤块在外界气体突然卸压时的破坏特征实验装置。
背景技术
煤与瓦斯突出是发生于煤矿井下的一种严重灾害，其发生时在短时间内涌出大量瓦斯、抛出大量碎煤，导致井巷设施被破坏，人员被掩埋或窒息，并可能进一步造成瓦斯或煤尘爆炸。煤与瓦斯突出的影响因素非常多，机理十分复杂，目前学术界还没有就其详细机理达成一致认识，进而难以有针对性地提出煤与瓦斯突出的预测方法和防治措施，使得煤与瓦斯突出灾害防治的难度和成本都极其巨大。
煤与瓦斯突出机理研究的关键问题在于解释为什么在灾害发生过程中会产生大量的粒度极细的碎煤，同样其合理的预测指标也应能判别在什么样的条件下才能使煤发生高度破碎。通常认为煤与瓦斯突出主要受地应力、瓦斯压力和煤的物理力学性质的影响，但基于只有在高压瓦斯参与下才能发生煤与瓦斯突出的事实，可以得出高压瓦斯是造成煤发生破坏的最重要原因的结论。因此要细化煤与瓦斯突出机理，含高压瓦斯煤在外界压力突然卸载时的破坏特征是一项重要的研究内容。目前国内外已进行了大量的煤与瓦斯突出物理模拟实验，但几乎所有实验都是为了尽可能模拟井下复杂的地质和开采条件，实验影响因素众多，难以从实验结果中明确得出仅瓦斯作用对煤的破坏影响。另外已有少量实验装置用来研究含高压瓦斯煤块在外界气体压力突然卸载时的破坏作用，但这些实验装置一般存在着在开口速度慢、开口过小、容器能充入最高气压过低等问题，导致实验时煤的破碎程度过低，与现场实际不一致。
发明内容
为了研究含高压瓦斯煤块在外界气压突然卸载时的破坏特征，解决上述问题，本发明提供一种含高压瓦斯煤块在外界气体突然卸压时的破坏特征实验装置，营造一个瓦斯破坏煤体的最有利条件，以观测煤体能否仅在瓦斯压力作用下破碎成粉煤，以及破碎的程度情况。
本发明所采用的技术方案是，提供一种含高压瓦斯煤块在外界气体突然卸压时的破坏特征实验装置，包括压力容器、带有尖钩的钢管、爆破片装置、固定装置、充气装置、抽气装置、真空压力表及煤块，其中：
所述爆破片装置由爆破片和上、下夹持器组成，夹持器上设有连接片，连接片通过螺钉连接在各夹持器上，用于夹紧爆破片，所述爆破片密封安装在上夹持器和下夹持器中间；
所述固定装置由半圆弧的上底座和下底座通过螺栓上下配套连接组成，用于夹紧压力容器，所述上底座上设有贯通的圆孔，放置带有尖钩的钢管，所述下底座通过螺栓连接底板，底板承载整个装置；
所述充气装置由金属高压软管连接气瓶组成，用于充入瓦斯气体，所述高压软管上设有高压球阀，靠近气瓶处设有减压阀；
所述抽气装置由真空管连接真空泵组成，用于抽除容器中的空气，所述真空管上设有真空阀；
所述压力容器为水平放置在固定装置上的圆筒，其开口处带有法兰盘，底部设有三个通孔，所述法兰盘通过螺栓连接另一法兰盘，所述两个法兰盘上均开有凹槽，所述凹槽内设有密封圈，下夹持器密封安装在一个法兰盘的凹槽内，上夹持器密封安装在另一个法兰盘的凹槽内，所述带尖钩的钢管安装在上底座的圆孔内，钢管两端下垂，靠近容器开口一端带有尖钩，尖钩带有钢钎，钢钎朝向爆破片位于圆心位置；所述压力容器底部的三个通孔分别为测定孔，抽气孔，充气孔，所述测定孔用于安装真空压力表，所述抽气孔用于连接抽气装置，所述充气孔用于连接充气装置，煤块置于压力容器内。
进一步的，所述压力容器为不锈钢材质一体制成，侧壁为光滑曲面。
进一步的，所述压力容器的内径100mm，深200mm，壁厚20mm，底厚60mm。
进一步的，所述压力容器的承压范围为0～5.0MPa，气密性要求在3.0MPa初始压力下，且24h内气体压力下降幅度不高于10％。
进一步的，所述法兰盘和法兰盘大小相同，且外径均为240mm，公称直径均为100mm。
进一步的，所述法兰盘上设有八个螺栓孔，用于螺栓连接，所述螺栓孔直径为10mm，中心圆直径为190mm。
进一步的，所述爆破片的通径均为100mm。
进一步的，所述上底座和下底座分别有两个，且上底座与下底座的半圆弧度与圆筒外半径相同。
进一步的，所述上底座上还设有4个螺栓孔，所述下底座上设有4个螺栓孔和4个螺纹孔，所述上底座的螺栓孔和下底座的螺纹孔连接，所述下底座的螺栓孔与底板连接。
进一步的，所述上夹持器和下夹持器的外形尺寸均为156×45mm，通径均为100mm。
本发明的有益效果如下：
1)本发明具有结构简单，采用爆破片进行密封，打开速度快；容器可承受的压力范围大，人为拉动钢管刺破爆破片会形成大面积开口，可控性高。
2)本发明所有装置的加工工艺均一体化制成，更好地保证了容器的密封性，所有连接方式均为螺栓连接，增强了实验装置的可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的主视图；
图2是本发明的俯视图；
图3是本发明的左视图；
图4是本发明的压力容器的剖视图；
图5是本发明压力容器的左视图；
图6是本发明的法兰盘2的结构示意图；
图7是图6中沿A-A线的剖视图；
图8是本发明固定装置中上底座的主视图；
图9是本发明固定装置中上底座的俯视图；
图10是本发明固定装置中下底座剖视图；
图11是图10中沿B-B线的剖视图。
图中，1-压力容器，2-法兰盘，3-爆破片，4-上夹持器，5-下夹持器，6-上底座，7-下底座，8-带有尖钩的钢管，9-底板，10-法兰盘螺栓，11-上底座螺栓，12-下底座螺栓，13-气瓶，14-真空泵，15-真空压力表。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-10所示，本发明的前、后、左、右、等方位词仅代表图中的相对位置，不代表产品的绝对位置。
本发明的含高压瓦斯煤块在外界气体突然卸压时的破坏特征实验装置主要包括压力容器1、带有尖钩的钢管8、爆破片装置、固定装置、充气装置、抽气装置、真空压力表15及煤块。
上述压力容器1为主体反应装置，形状为圆筒状，开口一端带有法兰盘1-2，由不锈钢材质一体制成，强度高，实验时压力容器水平放置，所述压力容器1底部1-5设有三个贯通底部的孔，分别是瓦斯压力测定孔1a，用于安装真空压力表15，抽气孔1b，用于连接抽气装置，充气孔1c，用于连接充气装置。压力容器1的开口所带的法兰盘1-2连接有爆破片装置，包括爆破片3、上夹持器4和下夹持器5，所述爆破片3通过螺钉固定连接片安装在两夹持器中间，法兰盘1-2通过螺栓10连接有另外的一个大小相等，螺栓开孔对应的法兰盘2，所述两个法兰盘上均设有可安装夹持器的凹槽，且凹槽内设有密封圈，以保证实验过程中的密封性，下夹持器5安装法兰盘1-2凹槽内，上夹持器4安装在法兰盘2的凹槽内，所述法兰盘2上设有八个螺栓孔2a，与法兰盘1-2上的螺栓孔1d对应，用于螺栓10连接两法兰盘，夹紧爆破片装置。所述爆破片3与夹持器4，5之间不加任何垫片。
所述的2个上底座6上分别设有圆孔6a和4个螺栓孔6b，所述圆孔6a位于上底座6的最上方，带有尖钩的钢管8水平放置在上底座6的两个通孔6a中，其中，应保证带有尖钩的钢管8的方向性，只能前后运动而不能左右转动，尖钩始终对准爆破片3的圆心。所述的2个下底座7上分别设有4个螺栓孔7a和4个螺纹孔7b，所述螺栓孔7a和螺纹孔7b左右各有两个，成对称分布，螺栓11穿过上底座螺栓孔6b插入下底座螺纹孔7b里进行固定，所述螺栓12穿过下底座螺栓孔7a插入底板9中进行固定，底板9和实验装置长度一致，接触面积大，更好的稳定整个实验装置。
上述充气装置由金属高压软管连接气瓶13组成，用于充入瓦斯气体，金属高压软管上设有高压球阀，靠近气瓶13处设有二氧化碳减压阀，即充气时打开高压阀门和气瓶阀门，并打开减压阀门，保证输出压力的稳定性。
上述抽气装置由真空管连接真空泵14组成，用于抽出容器中的空气，所述真空管一端连接真空泵，一端连接到压力容器1底部的1b孔，靠近1b处设有真空阀。
上述压力容器开口1-1内径为100mm，深200mm，壁厚20mm，底厚60mm，所述法兰1-2和2的外径均为240mm，公称直径100mm，所述螺栓孔2a直径为10mm，所述螺栓孔(2a)中心圆直径为190mm，所述爆破片3和夹持器4，5通径均为100mm，所述夹持器4，5的外形尺寸为156×45mm。
优选上述压力容器1的承压范围为0～5.0MPa，气密性要求在3.0MPa初始压力下，24h内气体压力下降幅度不高于10％。
压力容器1开口采用爆破片进行密封，相对气动球阀等装置来说，爆破片的打开时速度更快，可实现快速卸压的目的，同时提高了实验的可控性。
本发明的操作步骤：组装好实验设备后，首先将爆破片装置和法兰盘拆除，然后将煤块放进反应容器中间，放入煤块后容器开口用爆破片密封。先开启抽气孔阀门，并开启真空泵14抽真空数小时，抽除容器内的空气后，关掉气孔阀门和真空泵14；然后开启充气阀门和气瓶阀门并调节减压阀开关，通过高压软管给容器内充入甲烷，保证输出压力的稳定性，充气数小时，达到吸附平衡后，观察压力表读数，在爆破片还未达到爆破压力自行冲破前，人为拉动钢管刺破爆破片形成大面积开口，容器内瓦斯压力突然下降，煤块碎裂。实验过程中，可通过真空压力表观察容器内的压力变化。实验结束后，将收集罩中的碎煤进行筛分，并对实验数据进行整理与分析。若需要研究不同压力条件下的煤破碎情况，仅改变容器内的压力大小和爆破片即可。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种含高压瓦斯煤块在外界气体突然卸压时的破坏特征实验装置，其特征在于：包括压力容器(1)、带有尖钩的钢管(8)、爆破片装置、固定装置、充气装置、抽气装置、真空压力表(15)及煤块，其中：
所述爆破片装置由爆破片(3)和上、下夹持器组成，所述爆破片(3)密封安装在上夹持器(4)和下夹持器(5)中间，所述夹持器上设有连接片，连接片通过螺钉连接在各夹持器上，用于夹紧爆破片；
所述固定装置由半圆弧形的上底座(6)和下底座(7)通过螺栓(11)上下配套连接组成，用于夹紧压力容器(1)，所述上底座(6)上设有贯通的圆孔(6a)，放置带有尖钩的钢管(8)，所述下底座(7)通过螺栓(12)连接底板(9)，底板(9)承载整个装置；
所述充气装置由金属高压软管连接气瓶(13)组成，用于充入瓦斯气体，所述高压软管上设有高压球阀，靠近气瓶处设有减压阀；
所述抽气装置由真空管连接真空泵(14)组成，用于抽出容器中的空气，所述真空管上设有真空阀；
所述压力容器(1)为水平放置在固定装置上的圆筒，其开口(1-1)处带有法兰盘(1-2)，底部设有三个通孔，所述法兰盘(1-2)通过螺栓(10)连接另一法兰盘(2)，所述两个法兰盘上均开有凹槽，所述凹槽内设有密封圈，下夹持器(5)密封安装在法兰盘(1-2)的凹槽内，上夹持器(4)密封安装在法兰盘(2)的凹槽内，所述带尖钩的钢管(8)安装在圆孔(6a)内，钢管两端下垂，靠近容器开口一端带有尖钩，尖钩带有钢钎，钢钎朝向爆破片(3)位于圆心位置；所述压力容器(1)底部的三个通孔分别为测定孔(1a)，抽气孔(1b)，充气孔(1c)，所述测定孔(1a)用于安装真空压力表(15)，所述抽气孔(1b)用于连接抽气装置，所述充气孔(1c)用于连接充气装置，煤块置于压力容器(1)内。
2.根据权利要求1所述的含高压瓦斯煤块在外界气体突然卸压时的破坏特征实验装置，其特征在于：所述压力容器(1)为不锈钢材质一体制成，侧壁(1-4)为光滑曲面。
3.根据权利要求2所述的含高压瓦斯煤块在外界气体突然卸压时的破坏特征实验装置，其特征在于：所述压力容器(1)的内径100mm，深200mm，壁厚20mm，底厚60mm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的含高压瓦斯煤块在外界气体突然卸压时的破坏特征实验装置，其特征在于：所述压力容器(1)的承压范围为0～5.0MPa，气密性要求在3.0MPa初始压力下，且24h内气体压力下降幅度不高于10％。
5.根据权利要求1所述的含高压瓦斯煤块在外界气体突然卸压时的破坏特征实验装置，其特征在于：所述法兰盘(1-1)和法兰盘(2)大小相同，且外径均为240mm，公称直径均为100mm。
6.根据权利要求5所述的含高压瓦斯煤块在外界气体突然卸压时的破坏特征实验装置，其特征在于：所述法兰盘(2)上设有八个螺栓孔(2a)，与法兰盘(1-2)上的螺栓孔(1d)对应，用于螺栓(10)连接，所述螺栓孔(2a)直径为10mm，中心圆直径为190mm。
7.根据权利要求1所述的含高压瓦斯煤块在外界气体突然卸压时的破坏特征实验装置，其特征在于：所述爆破片(4)的通径为100mm。
8.根据权利要求1所述的含高压瓦斯煤块在外界气体突然卸压时的破坏特征实验装置，其特征在于：所述上底座(6)和下底座(7)分别设有两个，且上底座(6)与下底座(7)的半圆弧度与圆筒外半径相同。
9.根据权利要求8所述的含高压瓦斯煤块在外界气体突然卸压时的破坏特征实验装置，其特征在于：所述上底座(6)上还设有4个螺栓孔(6b)，所述下底座(7)上设有4个螺栓孔(7a)和4个螺纹孔(7b)，所述螺纹孔(7b)和螺栓孔(6b)连接，螺栓孔(7a)与底板(9)连接。
10.根据权利要求1所述的含高压瓦斯煤块在外界气体突然卸压时的破坏特征实验装置，其特征在于：所述上夹持器(4)和下夹持器(5)的外形尺寸均为156×45mm，通径均为100mm。
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