CN109975180B - 冲击荷载下采空区阻力系数测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开冲击荷载下采空区阻力系数测试装置及方法，装置包括实验管和风管，实验管的一端与风管的另一端通过法兰盘连接，实验管的另一端内壁滑动设有压板，压板和法兰盘之间的实验管内填充有具有一定粒径的矸石，压板外侧连接有一推杆，推杆由一液压机驱动，实验管上方设有施加冲击力的冲击加载装置，实验管上安装有压差计，压差计的两个探针对应设置在矸石填充区的两端，风管的一端分别连接有风机和真空泵，风管上分别安装有风速表和真空表，风速表探测风管内的风速，真空表探测风管的真空度，冲击加载装置、压差计、风速表和真空表均与一信号采集仪连接。本发明便于测试冲击荷载作用下采空区粘性阻力系数与惯性阻力系数。

Description

冲击荷载下采空区阻力系数测试装置及方法

技术领域

本发明涉及阻力系数测试技术领域，尤其涉及冲击荷载下采空区粘性阻力系数与惯性阻力系数测试装置及方法。

背景技术

目前，我国绝大多数的煤矿顶板管理方式采用垮落法，煤层采过后，上覆岩层垮落，形成采空区。采空区本质上是岩石与遗煤构成的多孔介质，符合O型圈特征，即靠近巷帮、切眼、工作面的地方采空区空隙大，渗透率大；采空区中部被压实而空隙小，渗透率小。

采空区遗煤释放瓦斯，在工作面漏风的携带下，进入上隅角，易引起工作面瓦斯浓度超限。工作面漏风进入采空区，将O₂带入采空区容易引起煤自然，引发采空区火灾。因此，广大学者对采空区瓦斯流动规律进行了深入研究，其中，CFD模拟是重要的研究手段。在数值模拟中，所有研究均把采空区看作多孔介质，那么作为研究采空区最重要的两个参数：粘性阻力系数与惯性阻力系数，准确测定这两个参数就显得尤为重要了。

在测试这两个参数方面，专利（CN201710113586.6）提供了一种多孔介质材料粘性阻力系数与惯性阻力系数测量装置，通过测试多孔介质两端的压差，以及流过多孔介质前的风速，通过多项式拟合求解这两个参数。专利（CN201410777349.6）提供了一种土壤中油水迁移的粘性阻力系数和惯性阻力系数测量装置，通过测试多孔介质两端的压差，以及流过多孔介质前的流量，通过多项式拟合求解这两个参数。专利（CN201710560756.5）提供了一种烟丝对主流烟气流动阻力系数的测量方法，利用PIV系统实验计算主流烟气速度，采用压强计测量烟丝的进口和出口两端压强差，进而通过，通过多项式拟合求解这两个参数。

广大学者根据研究需要提出了不同的测试手段和设备，但这些设备只能测试静态的多孔介质，亦即研究对象是静止不动的，孔隙结构不能发生改变。而对于煤矿采空区，不同位置处的孔隙结构是不同的，更重要的是，随着工作面的推进，顶板周期性的垮落，会对多采空区形成冲击。目前的测试设备不能测试冲击荷载作用下的粘性阻力系数与惯性阻力系数。

发明内容

本发明的目的在于提供冲击荷载下采空区粘性阻力系数与惯性阻力系数测试装置及方法。

本发明采用的技术方案是：

冲击荷载下采空区粘性阻力系数与惯性阻力系数测试装置，其包括实验管和风管，实验管的一端与风管的另一端通过法兰盘连接，实验管的另一端内壁滑动设有压板，压板的内侧与实验管一端的法兰盘之间的实验管内填充有具有一定粒径的矸石，压板的相对外侧连接有一带刻度的推杆，推杆由一液压机驱动，压板在推杆带动下沿实验管轴向方向来回运动以改变矸石间空隙形成不同孔隙率的多孔介质，实验管对应矸石的上方设有冲击加载装置，冲击加载装置具有一向实验管施加冲击力的重锤，实验管上安装有压差计，压差计的两个探针对应设置在矸石填充区的两端，风管的一端分别连接有风机和真空泵，风管上分别安装有风速表和真空表，风速表探测风管内的风速，真空表探测风管的真空度，冲击加载装置、压差计、风速表和真空表均与一信号采集仪连接。

进一步地，所述实验管的一端设有实验管法兰盘，风管的另一端设有风管法兰盘，实验管法兰盘和风管法兰盘连接配合；所述压差计的一个探针放置在压板的外侧，压差计的另一个探针放置在风管靠近风管法兰盘一侧。

进一步地，压差计、风速表、真空表、风机和真空泵的接入口均设有控制阀门。

进一步地，实验管法兰盘中间有防护网，防护网上的圆孔直径小于所选矸石尺寸。

进一步地，所述压板上均匀开有圆孔，圆孔直径小于所选矸石尺寸。

进一步地，所述冲击加载装置包括重锤、定滑轮、钢丝绳、旋转凸轮和电机，重锤设在钢丝绳的一端，钢丝绳的另一端穿过固定在上方的定滑轮与旋转凸轮，旋转凸轮固定安装在电机的输出轴，旋转凸轮在电机带动下匀速转动，实现重锤周期性的升降，达到给实验管施加冲击的目的。

进一步地，所述风管的一端通过一连接管分别连接风机和真空泵，连接管为三通连接管，连接管采用PVC材料成型。

进一步地，所述实验管和风道安装固定在多个支柱上。

进一步地，所述实验管的横截面为正方形，实验管对应冲击加载装置的顶面采用橡胶成型，且顶面对应矸石填充区等距开设有一定数量的圆孔，圆孔用于安装压差计以便在不同孔隙率的条件下压差计的探针均能设置于压板外侧，实验管的另外三面均采用钢板成型。

进一步地，其还包括用于气密实验的橡胶塞和密封板，所述密封板在气密性测试时替换压板封住实验管的另一端，橡胶塞在气密性测试时封堵实验管上的多余的圆孔。

冲击荷载下采空区粘性阻力系数与惯性阻力系数测试装置的测试方法，其包括以下步骤：

步骤1，组装测试装置并将实验管多余的圆孔用橡胶塞封住，实验管另一端用密封板进行封堵，所有控制阀门处于关闭状态；

步骤2，进行气密性测试：打开真空泵阀门、真空表阀门，再利用真空泵对管道进行抽真空，使真空表示数小于-0.09MPa；

步骤3，观察一个小时内真空表示数；

当一小时内真空表的示数不发生变化，则测试装置密封性良好并执行步骤4；

当一小时内真空表的示数变化很大或示数回到0，则测试装置密封性很差并执行步骤1；

步骤4，进行初始风阻测试：拆下密封板，关闭真空表阀门、真空泵阀门，打开风机阀门，将压板放入实验管一定深度，将压差计两端分别安装在压板外侧以及实验管法兰盘处，并将压差计、风速表连接到信息采集仪上；然后打开风机并调节风机转速，测试不同风速条件下系统自身的阻力，记作∆Pi，i表示不同的风速；

步骤5，进行工作风阻测试：卸下实验管上的压差计探头，再将压杆退出，在实验管内放入矸石，再将压杆推进实验管，使矸石形成不同孔隙率的多孔介质，再将压差计探头安装在压板后边，再将冲击加载装置启动，对实验管施加周期性的冲击，测试一定孔隙率条件下不同风速条件下的压差，记作∆Pij，i表示不同的风速，j表示不同的孔隙率，∆Pij-∆Pi即表示多孔介质实际的压差损失，

步骤6，通过压差与风速的拟合关系式算出粘性阻力系数、惯性阻力系数，并结束实验，将压差计、风速表、真空泵卸下，再将压杆退出，将实验管内的矸石倾倒出来，对设备进行整理。

本发明采用以上技术方案，通过压板控制矸石占据的空间，进而调节矸石的孔隙率，在指定孔隙率条件下，通过冲击加载装置，对矸石进行冲击，模拟煤矿井下顶板周期性垮落过程中采空区粘性阻力系数、惯性阻力系数的变化规律，为探寻采空区瓦斯流动规律提供依据。本发明结构简单，便于测试冲击荷载作用下多孔介质粘性阻力系数与惯性阻力系数。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明；

图1是本发明冲击荷载下采空区粘性阻力系数与惯性阻力系数测试装置的结构示意图。

图2是本发明在密封测试过程中状态示意图。

图3是本发明的A-A视图。

图4是本发明的实验管法兰正视图。

1-液压机；2-推杆；3-实验管；4-压板；5-矸石；6-支柱；7-实验管法兰盘，7-1防护网；8-风道法兰盘；9-冲击加载装置，9-1重锤，9-2定滑轮，9-3钢丝绳，9-4旋转凸轮；10-压差计；11阀门；12风速表；13阀门；14真空表；15阀门；16风道；17信号采集仪；18-连接管；19阀门；20风机；21真空泵；22阀门；23密封板。

具体实施方式

如图1-4之一所示，本发明公开了冲击荷载下采空区粘性阻力系数与惯性阻力系数测试装置，其包括实验管3、风管16，实验管3的一端与风管16的另一端通过法兰盘连接，实验管3的另一端内壁滑动设有压板4，压板4的内侧与实验管3一端的法兰盘之间的实验管3内填充有具有一定粒径的矸石5，压板4的相对外侧连接有一带刻度的推杆2，推杆2由一液压机1驱动，压板4在推杆2带动下沿实验管3轴向方向来回运动以改变矸石5间空隙形成不同孔隙率的多孔介质，实验管3对应矸石5的上方设有冲击加载装置9，冲击加载装置9具有一向实验管3施加冲击力的重锤9-1，实验管3上安装有压差计10，压差计10的两个探针对应设置在矸石5填充区的两端，风管16的一端分别连接有风机20和真空泵21，风管16上分别安装有风速表12和真空表14，风速表12探测风管16内的风速，真空表14探测风管16的真空度，冲击加载装置9、压差计10、风速表12和真空表14均与一信号采集仪17连接。

具体地，所述推杆2具有刻度，实验管3长l₁，推杆2进入实验管3的长度l₂，实验管3截面为矩形截面，长度为a，进而可以计算出矸石5所占的体积V₁=（l₁- l₂）×a²，已知矸石5的质量m、密度ρ，可以求解出矸石5的体积V₂=m/ρ，进而求出推杆2进入不同深度时的孔隙率ε=（V₁-V₂）/V₁ 。

进一步地，所述实验管3的一端设有实验管法兰盘7，风管的另一端设有风管法兰盘8，实验管法兰盘7和风管法兰盘8连接配合；所述压差计10的一个探针放置在压板4的外侧，压差计10的另一个探针放置在风管16靠近风管法兰盘8一侧。实验管法兰盘7中间设有防护网7-1。

进一步地，压差计10、风速表12、真空表14、风机20和真空泵21的接入口均设有控制阀门11（13、15、19、22）。

进一步地，所述压板4上均匀开有圆孔，圆孔直径小于所选矸石5尺寸。

进一步地，所述冲击加载装置9包括重锤9-1、定滑轮9-2、钢丝绳9-3、旋转凸轮9-4和电机，重锤9-1设在钢丝绳9-3的一端，钢丝绳9-3的另一端穿过固定在上方的定滑轮9-2与旋转凸轮9-4，旋转凸轮9-4固定安装在电机的输出轴，旋转凸轮9-4在电机带动下匀速转动，实现重锤9-1周期性的升降，达到给实验管3施加冲击的目的。

进一步地，所述风管16的一端通过一连接管18分别连接风机20和真空泵21，连接管18为三通连接管18，连接管18采用PVC材料成型。

进一步地，所述实验管3和风道安装固定在多个支柱6上。

进一步地，所述实验管3的横截面为正方形，实验管3对应冲击加载装置9的顶面采用橡胶3-2成型，且顶面对应矸石5填充区等距开设有一定数量的圆孔，圆孔用于安装压差计10以便在不同孔隙率的条件下压差计10的探针均能设置于压板4外侧，实验管3的另外三面均采用钢板3-1成型。

进一步地，其还包括用于气密实验的橡胶塞和密封板23，所述密封板23在气密性测试时替换压板4封住实验管3的另一端，橡胶塞在气密性测试时封堵实验管3上的多余的圆孔。

冲击荷载下采空区粘性阻力系数与惯性阻力系数测试装置的测试方法，其包括以下步骤：

步骤1，组装测试装置保证实验管3多余的圆孔用橡胶塞封住，实验管3另一端用密封板23进行封堵，所有控制阀门处于关闭状态；

具体地，测试装置组装的具体步骤为：首先将支柱6固定在地面，再将实验管3、风道安装在支柱6上，进而通过法兰盘将实验管3、风道连接起来，将真空表14、风速表12分别安装在实验管3、风管上，同时将实验管3多余的通孔用橡胶塞封住，实验管3一端用密封板23进行封堵，风管一端通过连接管18与风机20、真空泵21分别相连，同时保证所有阀门处于关闭状态；

步骤2，进行气密性测试：打开真空泵21阀门、真空表14阀门，再利用真空泵21对管道进行抽真空，使真空表14示数小于-0.09MPa；

步骤3，观察一个小时内真空表14示数；

当一小时内真空表14的示数不发生变化，则测试装置密封性良好并执行步骤4；

当一小时内真空表14的示数变化很大或示数回到0，则测试装置密封性很差并执行步骤1；

步骤4，进行初始风阻测试：拆下密封板23，关闭真空表14阀门、真空泵21阀门，打开风机20阀门，将压板4放入实验管3一定深度，将压差计10两端分别安装在压板4外侧以及实验管法兰盘7处，并将压差计10、风速表12连接到信息采集仪上；然后打开风机20并调节风机20转速，测试不同风速条件下系统自身的阻力，记作∆Pi，i表示不同的风速；

步骤5，进行工作风阻测试：卸下实验管3上的压差计10探头，再将压杆退出，在实验管3内放入矸石5，再将压杆推进实验管3，使矸石5形成不同孔隙率的多孔介质，再将压差计10探头安装在压板4后边，再将冲击加载装置9启动，对实验管3施加周期性的冲击，测试一定孔隙率条件下不同风速条件下的压差，记作∆Pij，i表示不同的风速，j表示不同的孔隙率，∆Pij-∆Pi即表示多孔介质实际的压差损失，

步骤6，通过压差与风速的拟合关系式算出粘性阻力系数、惯性阻力系数，并结束实验，将压差计10、风速表12、真空泵21卸下，再将压杆退出，将实验管3内的矸石5倾倒出来，对设备进行整理。

本发明采用以上技术手段，通过压板4控制矸石5占据的空间，进而调节矸石5的孔隙率，在指定孔隙率条件下，通过冲击加载装置9，对矸石5进行冲击，模拟煤矿井下顶板周期性垮落过程中采空区粘性阻力系数、惯性阻力系数的变化规律，为探寻采空区瓦斯涌出规律、流畅规律提供依据。本发明结构简单，便于测试冲击荷载作用下多孔介质粘性阻力系数与惯性阻力系数。

以上所述仅为本发明的较佳实施用例而已，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、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.冲击荷载下采空区粘性阻力系数与惯性阻力系数测试装置，其特征在于：其包括实验管和风管，实验管的一端与风管的另一端通过法兰盘连接，实验管的另一端内壁滑动设有压板，压板的内侧与实验管一端的法兰盘之间的实验管内填充有具有一定粒径的矸石，压板的相对外侧连接有一带刻度的推杆，推杆由一液压机驱动，压板在推杆带动下沿实验管轴向方向来回运动以改变矸石间空隙形成不同孔隙率的多孔介质，实验管对应矸石的上方设有向实验管施加冲击力的冲击加载装置，实验管上安装有压差计，压差计的两个探针对应设置在矸石填充区的两端，风管的一端分别连接有风机和真空泵，风管上分别安装有风速表和真空表，风速表探测风管内的风速，真空表探测风管的真空度，冲击加载装置、压差计、风速表和真空表均与一信号采集仪连接。

2.根据权利要求1所述的冲击荷载下采空区粘性阻力系数与惯性阻力系数测试装置，其特征在于：所述实验管的一端设有实验管法兰盘，风管的另一端设有风管法兰盘，实验管法兰盘和风管法兰盘连接配合；所述压差计的一个探针放置在压板的外侧，压差计的另一个探针放置在风管靠近风管法兰盘一侧。

3.根据权利要求1所述的冲击荷载下采空区粘性阻力系数与惯性阻力系数测试装置，其特征在于：所述压差计、风速表、真空表、风机和真空泵的接入口均设有控制阀门。

4.根据权利要求1所述的冲击荷载下采空区粘性阻力系数与惯性阻力系数测试装置，其特征在于：所述压板上均匀开有圆孔，圆孔直径小于所选矸石尺寸。

5.根据权利要求1所述的冲击荷载下采空区粘性阻力系数与惯性阻力系数测试装置，其特征在于：所述冲击加载装置包括重锤、定滑轮、钢丝绳、旋转凸轮和电机，重锤设在钢丝绳的一端，钢丝绳的另一端穿过固定在上方的定滑轮与旋转凸轮，旋转凸轮固定安装在电机的输出轴，旋转凸轮在电机带动下匀速转动带动重锤周期性的升降。

6.根据权利要求1所述的冲击荷载下采空区粘性阻力系数与惯性阻力系数测试装置，其特征在于：所述风管的一端通过一连接管分别连接风机和真空泵，连接管为三通连接管，连接管采用PVC材料成型。

7.根据权利要求1所述的冲击荷载下采空区粘性阻力系数与惯性阻力系数测试装置，其特征在于：所述实验管和风道安装固定在多个支柱上。

8.根据权利要求1所述的冲击荷载下采空区粘性阻力系数与惯性阻力系数测试装置，其特征在于：所述实验管的横截面为正方形，实验管对应冲击加载装置的顶面采用橡胶成型，且顶面对应矸石填充区等距开设有一定数量的圆孔，圆孔用于安装压差计以便在不同孔隙率的条件下压差计的探针均能设置于压板外侧，实验管的另外三面均采用钢板成型。

9.根据权利要求8所述的冲击荷载下采空区粘性阻力系数与惯性阻力系数测试装置，其特征在于：其还包括用于气密实验的橡胶塞和密封板，所述密封板在气密性测试时替换压板封住实验管的另一端，橡胶塞在气密性测试时封堵实验管上的多余的圆孔。

10.冲击荷载下采空区粘性阻力系数与惯性阻力系数测试装置的测试方法，利用权利要求1至9任一所述的冲击荷载下采空区粘性阻力系数与惯性阻力系数测试装置进行，其特征在于：方法包括以下步骤：

步骤1，组装测试装置并将实验管多余的圆孔用橡胶塞封住，实验管另一端用密封板进行封堵，所有控制阀门处于关闭状态；

步骤2，进行气密性测试：打开真空泵阀门、真空表阀门，再利用真空泵对管道进行抽真空，使真空表示数小于-0.09MPa；

步骤3，观察一个小时内真空表示数；

当一小时内真空表的示数不发生变化，则测试装置密封性良好并执行步骤4；

当一小时内真空表的示数变化很大或示数回到0，则测试装置密封性很差并执行步骤1；

步骤4，进行初始风阻测试：拆下密封板，关闭真空表阀门、真空泵阀门，打开风机阀门，将压板放入实验管一定深度，将压差计两端分别安装在压板外侧以及风管靠近风管法兰盘一侧，并将压差计、风速表连接到信息采集仪上；然后打开风机并调节风机转速，测试不同风速条件下系统自身的阻力，记作∆Pi，i表示不同的风速；

步骤5，进行工作风阻测试：卸下实验管上的压差计探头，再将压杆退出，在实验管内放入矸石，再将压杆推进实验管，使矸石形成不同孔隙率的多孔介质，再将压差计探头安装在压板后边，再将冲击加载装置启动，对实验管施加周期性的冲击，测试一定孔隙率条件下不同风速条件下的压差，记作∆Pij，i表示不同的风速，j表示不同的孔隙率，∆Pij-∆Pi即表示多孔介质实际的压差损失，

步骤6，通过压差与风速的拟合关系式算出粘性阻力系数、惯性阻力系数，并结束实验，将压差计、风速表、真空泵卸下，再将压杆退出，将实验管内的矸石倾倒出来，对设备进行整理。

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