CN110007059B - 冲击地压破含瓦斯煤模拟实验系统及破煤实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冲击地压破含瓦斯煤模拟实验系统，包括电磁增压机构、液压泵站、轴压装置和煤样存放装置；液压泵站为煤样存放装置提供用于产生围压的液压油，液压泵站为轴压装置提供用于产生轴压的液压油，液压泵站为电磁增压机构提供用于增压的液压油，电磁增压机构为轴压装置提供用于模拟冲击地压的液压油，轴压装置为煤样存放装置提供冲击地压的冲击力。本发明还公开了相应的破煤实验方法。本发明不需要提升重物，能够释放的压力更大且易于精准调节冲击力的大小，释放冲击力的速度更快，使本发明能够更为接近实际情况地进行冲击地压破含瓦斯煤模拟实验，而且便于调节围压轴压以及冲击力，适于快速多次进行不同条件下的模拟实验。

Description

冲击地压破含瓦斯煤模拟实验系统及破煤实验方法

技术领域

本发明涉及煤岩工程实验设备技术领域，尤其涉及一种冲击地压破含瓦斯煤模拟实验系统及相应的破煤实验方法。

背景技术

冲击地压是一种煤、岩体中聚集的弹性应变能在一定的条件下快速、剧烈地释放，造成煤岩体碎裂并向外抛射的现象。

冲击地压发生时会造成地下巷道挤压收缩，甚至是堵塞，严重影响了煤矿的安全生产。冲击地压的发生具有瞬时性，对其治理的工作重点是灾害的预测，研究冲击地压的触发机制、冲击地压发生时对煤体的冲击破坏机理具有重要的理论价值和工程指导意义。

本领域已出现了一些冲击地压破含瓦斯煤模拟实验系统，现有的破煤系统和破煤实验方法依赖于重力势能，将重物下落带来的冲击势能作为模拟冲击地压的能量来源。这种技术存在如下缺陷：

1、只有将重物提升足够的高度，才能具有足够的冲击力，因此现有的模拟系统体积较大，高度较高。

2、进行模拟实验时需要提升重物，人力提升劳动强度高，机械提升需要配套设置提升设备，成本较高；提升后的重物需要准确对准下方预定的砸落地点。

3、重物下落需要一个过程，冲击速度慢。重物下落时，如果有人员或器具经过重物下方，会产生危险。

4、不易调节冲击力大小；调节冲击力大小时，重物的体积大小会发生变化，重物与下方受力装置的适配性会发生改变，造成实际的冲击压力产生误差。重物与下方受力装置不够适配时，重物或受力装置会弹向不可预测的方向，产生危险。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种电磁力、弹力和液压力相结合的冲击地压破含瓦斯煤模拟实验系统，体积小、操作简便，提供的压力准确，操作安全，提高模拟实验的效率。

为实现上述目的，本发明的冲击地压破含瓦斯煤模拟实验系统包括电磁增压机构、液压泵站、轴压装置和煤样存放装置；液压泵站为煤样存放装置提供用于产生围压的液压油，液压泵站为轴压装置提供用于产生轴压的液压油，液压泵站为电磁增压机构提供用于增压的液压油，电磁增压机构为轴压装置提供用于模拟冲击地压的液压油，轴压装置为煤样存放装置提供用于模拟冲击地压的压力。

还包括有瓦斯吸附解析装置；瓦斯吸附解析装置用于煤样吸附解析瓦斯。

所述电磁增压机构包括第一机架，第一机架包括第一底座和第一顶板，第一底座上设有第一液压缸，第一液压缸的内腔壁密封滑动连接有第一活塞，第一活塞水平设置，第一活塞上表面承载有钢制滑块，第一液压缸顶壁设有上下通透的滑孔，钢制滑块向上伸出滑孔；第一活塞与其下方的第一液压缸的内腔壁围成增压液压腔；

第一顶板上固定连接有电磁吸盘，电磁吸盘通过连接线路连接有电控装置；电磁吸盘向下连接有弹簧组，弹簧组包括若干高强弹簧；各高强弹簧的下端均与一铁制吸盘相连接，铁制吸盘位于钢制滑块的正上方；各高强弹簧处于舒张状态且增压液压腔中充满油时，铁制吸盘与钢制滑块相压接，各高强弹簧处于压缩状态时铁制吸盘与钢制滑块相分离；

增压液压腔连接有第一进液管和第一出液管，第一进液管用于向增压液压腔供给液压油，第一出液管用于增压液压腔内的液压油流出；第一进液管上设有第一阀门，第一出液管上设有单向阀；第一进液管和第一出液管均与第一管道相连接，第一管道用与轴压装置相连接；单向阀的单向开启方向为由增压液压腔朝向第一管道。

滑孔的孔壁上均匀间隔嵌设有若干滚珠，钢制滑块的侧壁与滚珠滚动配合。

煤样存放装置包括第二底座，第二底座向上连接有下液压筒，下液压筒竖向设置，下液压筒的内腔底部设有钢制孔板，钢制孔板上均匀分布有多个用于通过瓦斯气体的微孔，微孔的直径小于等于0.1毫米；

下液压筒向上通过螺栓连接有环形钢板；环形钢板的中心孔的孔壁连接有第一密封胶筒，第一密封胶筒内紧压设有圆柱形的钢制垫块，钢制垫块的上表面与环形钢板的上表面相平齐，钢制垫块的下表面与环形钢板的下表面相平齐；

下液压筒的内腔中设有环形密封胶套，环形密封胶套的筒底与钢制孔板相接，环形密封胶套具有内腔且其内腔作为围压腔，环形密封胶套所围成的中心孔作为用于盛放煤样的煤样腔；煤样腔上端接钢制垫块下端接钢制孔板；

环形密封胶套的周向外壁与下液压筒的内壁相接；环形密封胶套的顶部与环形钢板和第一密封胶筒相接；环形密封胶套的内腔作为围压腔，围压腔连接有第四管道，第四管道与液压泵站相连接；

瓦斯吸附解析装置包括高压瓦斯气瓶，高压瓦斯气瓶连接有瓦斯供给管路，瓦斯供给管路上设有瓦斯供给阀门、压力表和第一流量计；第二底座内部设有瓦斯供给孔和瓦斯解析孔，瓦斯供给孔和瓦斯解析孔相互连通；瓦斯供给孔与钢制孔板相接，瓦斯供给管路伸入瓦斯供给孔并与钢制孔板相接；瓦斯供给孔连接有瓦斯解析管路，瓦斯解析管路伸入瓦斯供给孔并与瓦斯供给管路相连通，瓦斯解析管路伸出第二底座且其上设有第二流量计和瓦斯解析用阀门。

下液压筒的外壁固定连接有安装架；安装架向上延伸并连接有第二顶板；

第二顶板通过螺栓向下连接有上液压筒，上液压筒的内腔壁连接有第三密封胶筒，第三密封胶筒顶部伸出上液压筒并紧压在第二顶板和上液压筒之间；第三密封胶筒内壁滑动连接有第二活塞，第二活塞向下固定连接有活塞杆；上液压筒具有底壁，上液压筒底壁中心处设有通孔，第三密封胶筒的底部伸入该通孔并与通孔的孔壁固定连接；活塞杆通过第三密封胶筒伸出上液压筒底壁处的通孔，活塞杆与该通孔处的第三密封胶筒滑动密封配合；第二活塞与其上方的第三密封胶筒以及第二顶板围成轴压腔，第二活塞与其下方的第三密封胶筒围成回油油腔；回油油腔底部连接有第三管道，第三管道伸出第三密封胶筒和上液压筒与液压泵站相连接；轴压腔连接有第一管道和第二管道，第一管道伸出第二顶板并连接所述第一进液管和第一出液管；第二管道伸出第二顶板并与液压泵站相连接。

活塞杆的底面设有薄膜压力传感器，薄膜压力传感器与所述电控装置相连接；液压泵站与第二管道的连接处设有第二阀门，液压泵站与第三管道的连接处设有第三阀门，液压泵站与第四管道的连接处设有第四阀门。

本发明还公开了使用上述冲击地压破含瓦斯煤模拟实验系统进行的破煤实验方法，按以下步骤进行：

第一步骤是检查步骤，检查装置电磁增压机构、液压泵站、轴压装置、煤样存放装置和瓦斯吸附解析装置的状态，确保冲击地压破含瓦斯煤模拟实验系统运转正常；

第二步骤是煤样放置步骤，将煤样放置在煤样存放装置中；

第三步骤是对瓦斯吸附步骤，使煤样吸附瓦斯；

第四步骤是施加轴压围压步骤，对煤样施加预定的轴向压力和围向压力；

第五步骤是模拟冲击地压和解析煤样瓦斯步骤，对煤体施加预定的冲击力的同时解析煤样内的瓦斯；

第六步骤是结束步骤，将煤样从煤样存放装置中取出，结束实验。

所述第二步骤具体是：

取下环形钢板处的螺栓，将环形钢板、第一密封胶筒和钢制垫块一同从下液压筒顶部取下，将煤样放入煤样腔，再将环形钢板、第一密封胶筒和钢制垫块一同盖在下液压筒顶部；通过螺栓使环形钢板与下液压筒固定连接，完成将煤样放置在煤样存放装置中的作业；

第三步骤具体是：打开瓦斯供给阀门，确保瓦斯解析用阀门处于关闭状态；通过控制瓦斯供给阀门的开启度，将压力表显示的瓦斯供给压力控制在预定数值；瓦斯供给阀门打开后，瓦斯气体通过瓦斯供给管路和钢制孔板进入煤样，煤样开始吸附瓦斯，当第一流量计读数下降为零时表明煤样吸附瓦斯达到平衡状态，此时关闭瓦斯供给阀门，完成使煤样吸附瓦斯的作业；

第四步骤具体包括围压施压操作和轴压施压操作；

围压施压操作是：启动液压泵站，将输出油压设定为预定压力值，打开第四阀门，通过第四管道向围压腔内注入预定压力的液压油，液压油通过环形密封胶套对煤样产生预定的围压；最后关闭第四阀门保压；

轴压施压操作包括增压液压腔注油操作和轴压腔加压操作；

增压液压腔注油操作是：将液压泵站的输出油压设定为小于0.1KPa，打开第二阀门和第一阀门，液压油通过第二管道、轴压腔、第一管道和第一进液管进入增压液压腔，直到铁制吸盘向上与铁制吸盘紧压在一起，关闭第一阀门；

轴压腔加压操作是：将液压泵站的输出油压设定为预定的压力，在油压的作用下第二活塞带动活塞杆向下运动，直到活塞杆的下端压紧钢制垫块时关闭第二阀门和液压泵站，此时钢制垫块对煤样产生预定的轴压；

第五步骤具体是：包括蓄能作业、冲击作业和解析作业；

蓄能作业是：通过电控装置启动电磁吸盘，电磁吸盘吸引铁制吸盘，铁制吸盘向上压缩弹簧组，弹簧组蓄积弹性势能；

冲击作业是：通过电控装置关闭电磁吸盘，弹簧组蓄积的弹性势能瞬间释放，弹簧组向下顶压铁制吸盘，铁制吸盘向下冲击钢制滑块，钢制滑块通过第一活塞将铁制吸盘的冲击能量传递给增压液压腔中的液压油，第一出液管中的油压瞬间增大从而打开单向阀，高油压沿第一出液管、第一管道和轴压腔作用于第二活塞，使第二活塞的活塞杆向下冲击钢制垫块，钢制垫块向下冲击煤样，对煤体施加预定的冲击力，同时煤样内的瓦斯发生解析；

解析作业是：实验人员在进行冲击作业前，打开瓦斯解析用阀门；进行冲击作业后，煤样中的瓦斯解析出来，通过瓦斯解析管路流出；通过第二流量计观察并记录煤样瓦斯解析量。

第六步骤具体是：打开打开第二阀门和第一阀门，液压油通过第一进液管、第一管道、轴压腔和第二管道回流入液压泵站，关闭第一阀门；

打开第三阀门和液压泵站，将液压泵站的输出油压设定为预定的压力，液压油通过第三管道进入回油油腔，使第二活塞向上移动复位；第二活塞复位后，关闭第三阀门和液压泵站；

取下环形钢板处的螺栓，将环形钢板、第一密封胶筒和钢制垫块一同从下液压筒顶部取下，将煤样由环形密封胶套取出，结束实验。

本发明具有如下的优点：

本发明设计了电磁增压机构，不再需要提升重物来产生冲击力，因此无须重物提升装置，无须为重物下落提供空间，大大缩小了冲击地压破含瓦斯煤模拟实验系统的体积和高度。

本发明进行实验时不再需要提升重物，降低了作业强度；无须重物提升装置降低了成本，避免了重物下落带来的危险，通过更换不同的高强弹簧以及电磁吸盘，可以方便地调节弹簧组的蓄能大小，进而方便地调节所模拟的冲击力的大小。调节冲击力大小时，不会因重物体积发生改变而改变冲击机构的适配性。

模拟冲击时，增压液压腔中的液压油无须大量流出，只要第一活塞稍微向下压缩增压液压腔，就能够将极大的冲击压力以油压的形式传递给第二活塞。弹簧组的压缩与释放均局限在电磁增压机构内，运动范围很小，难以对外界造成危险。

电磁增压机构结构简单，通过电控装置控制电磁吸盘吸附铁制吸盘时各高强弹簧处于压缩状态并蓄积强大的弹性势能；弹性势能的大小能够通过调节电磁吸盘的吸力（如更换不同型号的电磁吸盘或者向同一电磁吸盘供给不同的电压电流）以及调节高强弹簧的弹力大小（如更换弹力适配的高强弹簧；这里的适配是指，高强弹簧一方面能够提供足够的弹性势能，另一方面保证各高强弹簧压缩和舒张时铁制吸盘能够与铁制吸盘分离和压接）来进行调节，调节起来非常方便。而且增压时，由于轴压装置中本来就具有油压，在此基础上只需要向轴压装置中多供给非常少量的液压油，就能够大幅提高轴压装置中的压力，增压十分迅速。

滚动配合的结构，一方面限定了钢制滑块的竖向位置，另一方面同时又降低了钢制滑块与滑孔的孔壁之间的摩擦力。

微孔的直径小于等于0.1毫米，既能够通过瓦斯气体，又能够在绝大多数情况下防止煤样产生的煤屑进入微孔。

煤样存放装置结构简单，能够方便地接受瓦斯，使煤样吸附瓦斯从而更真实地模拟地下煤体受到冲击地压作用的现象，还能够方便地通过围压腔和环形密封胶套对煤样产生围向压力，同时便于承受轴压装置向下的冲击压力。

本发明的破煤实验方法中，第二步骤至第六步骤形成一个实验循环，在一个实验循环内完成一种轴压围压条件下的破煤实验；不同区域的煤体中具体的压力情况不同，重复进行第二步骤至第六步骤，在第四步骤中更换不同的轴压围压从而模拟不同区域的煤体压力状况，可以完成不同轴压围压下的破煤实验。

与现有的冲击地压破含瓦斯煤模拟实验系统和实验方法相比，本发明不需要提升重物，能够释放的压力更大且易于精准调节冲击力的大小，释放冲击力的速度更快（弹簧伸张的速度远远快于重物下落的速度），这些都使得本发明能够更为接近实际情况地进行冲击地压破煤模拟实验，而且便于调节围压轴压以及冲击力，适于快速多次进行不同条件下的冲击地压模破煤模拟实验，有助于得出更为准确的实验结论，为地下煤炭的开采提供技术支持。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1中电磁增压机构的结构示意图；

图3是图1中轴压装置和煤样存放装置的结构示意图；

图4是环形钢板、第一密封胶筒和钢制垫块的俯视示意图；

图5是第二顶板处的俯视示意图。

具体实施方式

如图1至图5所示，本发明的冲击地压破含瓦斯煤模拟实验系统包括电磁增压机构11、液压泵站30、轴压装置和煤样存放装置；液压泵站30为煤样存放装置提供用于产生围压的液压油，液压泵站30为轴压装置提供用于产生轴压的液压油，液压泵站30为电磁增压机构11提供用于增压的液压油，电磁增压机构11为轴压装置提供用于模拟冲击地压的液压油，轴压装置为煤样存放装置提供用于模拟冲击地压的压力。还包括有瓦斯吸附解析装置；瓦斯吸附解析装置用于煤样吸附解析瓦斯。

所述电磁增压机构11包括第一机架1，第一机架1包括第一底座2和第一顶板3，第一底座2上设有第一液压缸4，第一液压缸4的内腔壁密封滑动连接有第一活塞5，第一活塞5水平设置，第一活塞5上表面承载有钢制滑块12，第一液压缸4顶壁设有上下通透的滑孔，钢制滑块12向上伸出滑孔；第一活塞5与其下方的第一液压缸4的内腔壁围成增压液压腔13；

第一顶板3上固定连接有电磁吸盘14，电磁吸盘14通过连接线路18连接有电控装置15；电磁吸盘14向下连接有弹簧组6，弹簧组6包括若干高强弹簧；各高强弹簧的下端均与一铁制吸盘7相连接，铁制吸盘7位于钢制滑块12的正上方；各高强弹簧处于舒张状态且增压液压腔13中充满油时，铁制吸盘7与钢制滑块12相压接，各高强弹簧处于压缩状态时铁制吸盘7与钢制滑块12相分离；

增压液压腔13连接有第一进液管8和第一出液管9，第一进液管8用于向增压液压腔13供给液压油，第一出液管9用于增压液压腔13内的液压油流出；第一进液管8上设有第一阀门10，第一出液管9上设有单向阀16；第一进液管8和第一出液管9均与第一管道17相连接，第一管道17用与轴压装置相连接；单向阀16的单向开启方向为由增压液压腔13朝向第一管道17。

电控装置15可以为计算机、单片机或集成电路。电磁增压机构11结构简单，通过电控装置15控制电磁吸盘14吸附铁制吸盘7时各高强弹簧处于压缩状态并蓄积强大的弹性势能；弹性势能的大小能够通过调节电磁吸盘14的吸力（如更换不同型号的电磁吸盘14或者向同一电磁吸盘14供给不同的电压电流）以及调节高强弹簧的弹力大小（如更换弹力适配的高强弹簧；这里的适配是指，高强弹簧一方面能够提供足够的弹性势能，另一方面保证各高强弹簧压缩和舒张时铁制吸盘7能够与铁制吸盘7分离和压接）来进行调节，调节起来非常方便。而且增压时，由于轴压装置中本来就具有油压，在此基础上只需要向轴压装置中多供给非常少量的液压油，就能够大幅提高轴压装置中的压力，增压十分迅速。

滑孔的孔壁上均匀间隔嵌设有若干滚珠19，钢制滑块12的侧壁与滚珠19滚动配合。

滚动配合的结构，一方面限定了钢制滑块12的竖向位置，另一方面同时又降低了钢制滑块12与滑孔的孔壁之间的摩擦力。

煤样存放装置包括第二底座20，第二底座20向上连接有下液压筒21，下液压筒21竖向设置，下液压筒21的内腔底部设有钢制孔板22，钢制孔板22上均匀分布有多个用于通过瓦斯气体的微孔，微孔的直径小于等于0.1毫米；

下液压筒21向上通过螺栓24连接有环形钢板23；环形钢板23的中心孔的孔壁连接有第一密封胶筒25，第一密封胶筒25内紧压设有圆柱形的钢制垫块26，钢制垫块26的上表面与环形钢板23的上表面相平齐，钢制垫块26的下表面与环形钢板23的下表面相平齐；

下液压筒21的内腔中设有环形密封胶套27，环形密封胶套27的筒底与钢制孔板22相接，环形密封胶套27具有内腔且其内腔作为围压腔28，环形密封胶套所围成的中心孔作为用于盛放煤样的煤样腔51；煤样腔51上端接钢制垫块26下端接钢制孔板22；

环形密封胶套27的周向外壁与下液压筒21的内壁相接；环形密封胶套27的顶部与环形钢板23和第一密封胶筒25相接；围压腔28连接有第四管道29，第四管道29与液压泵站30相连接；

瓦斯吸附解析装置包括高压瓦斯气瓶31，高压瓦斯气瓶31连接有瓦斯供给管路32，瓦斯供给管路32上设有瓦斯供给阀门33、压力表34和第一流量计35；第二底座20内部设有瓦斯供给孔和瓦斯解析孔，瓦斯供给孔和瓦斯解析孔相互连通；瓦斯供给孔与钢制孔板22相接，瓦斯供给管路32伸入瓦斯供给孔并与钢制孔板22相接。第一流量计35与电控装置15相连接。瓦斯供给孔连接有瓦斯解析管路，瓦斯解析管路伸入瓦斯供给孔并与瓦斯供给管路32相连通，瓦斯解析管路伸出第二底座20且其上设有第二流量计49和瓦斯解析用阀门50；第二流量计49与电控装置相连接。

微孔的直径小于等于0.1毫米，既能够通过瓦斯气体，又能够在绝大多数情况下防止煤样产生的煤屑进入微孔。

煤样存放装置结构简单，能够方便地接受瓦斯，使煤样吸附瓦斯从而更真实地模拟地下煤体受到冲击地压作用的现象，还能够方便地通过围压腔28和环形密封胶套27对煤样产生围向压力，同时便于承受轴压装置向下的冲击压力。

下液压筒21的外壁固定连接有安装架36；安装架36向上延伸并连接有第二顶板37；

第二顶板37通过螺栓24向下连接有上液压筒38，上液压筒38的内腔壁连接有第三密封胶筒39，第三密封胶筒39顶部伸出上液压筒38并紧压在第二顶板37和上液压筒38之间；第三密封胶筒39内壁滑动连接有第二活塞40，第二活塞40向下固定连接有活塞杆41；上液压筒38具有底壁，上液压筒38底壁中心处设有通孔，第三密封胶筒39的底部伸入该通孔并与通孔的孔壁固定连接（如粘接）；活塞杆41通过第三密封胶筒39伸出上液压筒38底壁处的通孔，活塞杆41与该通孔处的第三密封胶筒39滑动密封配合；第二活塞40与其上方的第三密封胶筒39以及第二顶板37围成轴压腔42，第二活塞40与其下方的第三密封胶筒39围成回油油腔43；回油油腔43底部连接有第三管道44，第三管道44伸出第三密封胶筒39和上液压筒38与液压泵站30相连接；轴压腔42连接有第一管道17和第二管道45，第一管道17伸出第二顶板37并连接所述第一进液管8和第一出液管9；第二管道45伸出第二顶板37并与液压泵站30相连接。

活塞杆41的底面设有薄膜压力传感器，薄膜压力传感器与所述电控装置15相连接；液压泵站30与第二管道45的连接处设有第二阀门46，液压泵站30与第三管道44的连接处设有第三阀门47，液压泵站30与第四管道29的连接处设有第四阀门48。薄膜压力传感器为常规技术，图未示。

本发明还公开了使用上述冲击地压破含瓦斯煤模拟实验系统进行的破煤实验方法，由实验人员按以下步骤进行：

第一步骤是检查步骤，检查装置电磁增压机构11、液压泵站30、轴压装置、煤样存放装置和瓦斯吸附解析装置的状态，确保冲击地压破含瓦斯煤模拟实验系统运转正常；本步骤中，启动电磁增压机构11和液压泵站30，观察是否能够正常运行，确认正常后再关闭电磁增压机构11和液压泵站30；检查高压瓦斯气瓶31的气压，检查气路和液压油路是否正常。

第二步骤是煤样放置步骤，将煤样放置在煤样存放装置中；

第三步骤是对瓦斯吸附步骤，使煤样吸附瓦斯；

第四步骤是施加轴压围压步骤，对煤样施加预定的轴向压力和围向压力；

第五步骤是模拟冲击地压和解析煤样瓦斯步骤，对煤体施加预定的冲击力的同时解析煤样内的瓦斯；

第六步骤是结束步骤，将煤样从煤样存放装置中取出，结束实验。

本发明的破煤实验方法中，第二步骤至第六步骤形成一个实验循环，在一个实验循环内完成一种轴压围压条件下的破煤实验；不同区域的煤体中具体的压力情况不同，重复进行第二步骤至第六步骤，在第四步骤中更换不同的轴压围压从而模拟不同区域的煤体压力状况，可以完成不同轴压围压下的破煤实验。

所述第二步骤具体是：

实验人员取下环形钢板23处的螺栓24，将环形钢板23、第一密封胶筒25和钢制垫块26一同从下液压筒21顶部取下，将煤样放入煤样腔51，再将环形钢板23、第一密封胶筒25和钢制垫块26一同盖在下液压筒21顶部；

由于第一密封胶筒25与钢制垫块26压紧时具有较大的摩擦力，因而环形钢板23、第一密封胶筒25和钢制垫块26能够一同从下液压筒21顶部取下。

通过螺栓24使环形钢板23与下液压筒21固定连接，此时钢制垫块26与煤样顶部相接触，完成将煤样放置在煤样存放装置中的作业；

第三步骤具体是：实验人员打开瓦斯供给阀门33，确保瓦斯解析用阀门50处于关闭状态；通过控制瓦斯供给阀门33的开启度，将压力表34显示的瓦斯供给压力控制在预定数值；瓦斯供给阀门33打开后，瓦斯气体通过瓦斯供给管路32和钢制孔板22进入煤样，煤样开始吸附瓦斯，当第一流量计35读数下降为零时表明煤样吸附瓦斯达到（吸附与解析的）平衡状态，此时关闭瓦斯供给阀门33，完成使煤样吸附瓦斯的作业；

第四步骤具体包括围压施压操作和轴压施压操作；

围压施压操作是：实验人员启动液压泵站30，将输出油压设定为预定压力值，打开第四阀门48，通过第四管道29向围压腔28内注入预定压力的液压油，液压油通过环形密封胶套27对煤样产生预定的围压（即围向压力）；最后关闭第四阀门48保压；

轴压施压操作包括增压液压腔13注油操作和轴压腔42加压操作；

增压液压腔13注油操作是：将液压泵站30的输出油压设定为小于0.1KPa，打开第二阀门46和第一阀门10，液压油通过第二管道45、轴压腔42、第一管道17和第一进液管8进入增压液压腔13，直到铁制吸盘7向上与铁制吸盘7紧压在一起，关闭第一阀门10；

轴压腔42加压操作是：将液压泵站30的输出油压设定为预定的压力，在油压的作用下第二活塞40带动活塞杆41向下运动，直到活塞杆41的下端压紧钢制垫块26时关闭第二阀门46和液压泵站30，此时钢制垫块26对煤样产生预定的轴压（即轴向压力）；

第五步骤具体是：包括蓄能作业、冲击作业和解析作业；

蓄能作业是：实验人员通过电控装置15启动电磁吸盘14，电磁吸盘14吸引铁制吸盘7，铁制吸盘7向上压缩弹簧组6，弹簧组6（中的各高强弹簧）蓄积弹性势能；

冲击作业是：实验人员通过电控装置15关闭电磁吸盘14，弹簧组6蓄积的弹性势能瞬间释放，弹簧组6向下顶压铁制吸盘7，铁制吸盘7向下冲击钢制滑块12，钢制滑块12通过第一活塞5将铁制吸盘7的冲击能量传递给增压液压腔13中的液压油，第一出液管9中的油压瞬间增大从而打开单向阀16，高油压沿第一出液管9、第一管道17和轴压腔42作用于第二活塞40，使第二活塞40的活塞杆41向下冲击钢制垫块26，钢制垫块26向下冲击煤样，对煤体施加预定的冲击力，同时煤样内的瓦斯发生解析。

解析作业是：实验人员在进行冲击作业前，打开瓦斯解析用阀门50；进行冲击作业后，煤样中的瓦斯解析出来，通过瓦斯解析管路流出；通过第二流量计49观察并记录煤样瓦斯解析量。当然，由解析时间和解析量可以计算出瓦斯解析速率。

第六步骤具体是：打开打开第二阀门46和第一阀门10，液压油通过第一进液管8、第一管道17、轴压腔42和第二管道45回流入液压泵站30，关闭第一阀门10；

打开第三阀门47和液压泵站30，将液压泵站30的输出油压设定为预定的压力，液压油通过第三管道44进入回油油腔43，使第二活塞40向上移动复位；第二活塞40复位后，关闭第三阀门47和液压泵站30；

取下环形钢板23处的螺栓24，将环形钢板23、第一密封胶筒25和钢制垫块26一同从下液压筒21顶部取下，将煤样由环形密封胶套27取出，结束实验。

本发明能够有效模拟冲击地压条件下煤体破裂、瓦斯解析特性，为不同地应力煤层发生冲击地压时煤体瓦斯解析特性提供数据参数，进一步完善煤层发生冲击地压时煤体瓦斯解析研究体系。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.破煤实验方法，使用冲击地压破含瓦斯煤模拟实验系统进行，

其特征在于：冲击地压破含瓦斯煤模拟实验系统包括电磁增压机构、液压泵站、轴压装置和煤样存放装置；液压泵站为煤样存放装置提供用于产生围压的液压油，液压泵站为轴压装置提供用于产生轴压的液压油，液压泵站为电磁增压机构提供用于增压的液压油，电磁增压机构为轴压装置提供用于模拟冲击地压的液压油，轴压装置为煤样存放装置提供用于模拟冲击地压的压力；

还包括有瓦斯吸附解析装置；瓦斯吸附解析装置用于煤样吸附解析瓦斯；

所述电磁增压机构包括第一机架，第一机架包括第一底座和第一顶板，第一底座上设有第一液压缸，第一液压缸的内腔壁密封滑动连接有第一活塞，第一活塞水平设置，第一活塞上表面承载有钢制滑块，第一液压缸顶壁设有上下通透的滑孔，钢制滑块向上伸出滑孔；第一活塞与其下方的第一液压缸的内腔壁围成增压液压腔；

第一顶板上固定连接有电磁吸盘，电磁吸盘通过连接线路连接有电控装置；电磁吸盘向下连接有弹簧组，弹簧组包括若干高强弹簧；各高强弹簧的下端均与一铁制吸盘相连接，铁制吸盘位于钢制滑块的正上方；各高强弹簧处于舒张状态且增压液压腔中充满油时，铁制吸盘与钢制滑块相压接，各高强弹簧处于压缩状态时铁制吸盘与钢制滑块相分离；

增压液压腔连接有第一进液管和第一出液管，第一进液管用于向增压液压腔供给液压油，第一出液管用于增压液压腔内的液压油流出；第一进液管上设有第一阀门，第一出液管上设有单向阀；第一进液管和第一出液管均与第一管道相连接，第一管道用与轴压装置相连接；单向阀的单向开启方向为由增压液压腔朝向第一管道；

滑孔的孔壁上均匀间隔嵌设有若干滚珠，钢制滑块的侧壁与滚珠滚动配合；

煤样存放装置包括第二底座，第二底座向上连接有下液压筒，下液压筒竖向设置，下液压筒的内腔底部设有钢制孔板，钢制孔板上均匀分布有多个用于通过瓦斯气体的微孔，微孔的直径小于等于0.1毫米；

下液压筒向上通过螺栓连接有环形钢板；环形钢板的中心孔的孔壁连接有第一密封胶筒，第一密封胶筒内紧压设有圆柱形的钢制垫块，钢制垫块的上表面与环形钢板的上表面相平齐，钢制垫块的下表面与环形钢板的下表面相平齐；

下液压筒的内腔中设有环形密封胶套，环形密封胶套的筒底与钢制孔板相接，环形密封胶套具有内腔且其内腔作为围压腔，环形密封胶套所围成的中心孔作为用于盛放煤样的煤样腔；煤样腔上端接钢制垫块下端接钢制孔板；

环形密封胶套的周向外壁与下液压筒的内壁相接；环形密封胶套的顶部与环形钢板和第一密封胶筒相接；环形密封胶套的内腔作为围压腔，围压腔连接有第四管道，第四管道与液压泵站相连接；

瓦斯吸附解析装置包括高压瓦斯气瓶，高压瓦斯气瓶连接有瓦斯供给管路，瓦斯供给管路上设有瓦斯供给阀门、压力表和第一流量计；第二底座内部设有瓦斯供给孔和瓦斯解析孔，瓦斯供给孔和瓦斯解析孔相互连通；瓦斯供给孔与钢制孔板相接，瓦斯供给管路伸入瓦斯供给孔并与钢制孔板相接；瓦斯供给孔连接有瓦斯解析管路，瓦斯解析管路伸入瓦斯供给孔并与瓦斯供给管路相连通，瓦斯解析管路伸出第二底座且其上设有第二流量计和瓦斯解析用阀门；

下液压筒的外壁固定连接有安装架；安装架向上延伸并连接有第二顶板；

第二顶板通过螺栓向下连接有上液压筒，上液压筒的内腔壁连接有第三密封胶筒，第三密封胶筒顶部伸出上液压筒并紧压在第二顶板和上液压筒之间；第三密封胶筒内壁滑动连接有第二活塞，第二活塞向下固定连接有活塞杆；上液压筒具有底壁，上液压筒底壁中心处设有通孔，第三密封胶筒的底部伸入该通孔并与通孔的孔壁固定连接；活塞杆通过第三密封胶筒伸出上液压筒底壁处的通孔，活塞杆与该通孔处的第三密封胶筒滑动密封配合；第二活塞与其上方的第三密封胶筒以及第二顶板围成轴压腔，第二活塞与其下方的第三密封胶筒围成回油油腔；回油油腔底部连接有第三管道，第三管道伸出第三密封胶筒和上液压筒与液压泵站相连接；轴压腔连接有第一管道和第二管道，第一管道伸出第二顶板并连接所述第一进液管和第一出液管；第二管道伸出第二顶板并与液压泵站相连接；

活塞杆的底面设有薄膜压力传感器，薄膜压力传感器与所述电控装置相连接；液压泵站与第二管道的连接处设有第二阀门，液压泵站与第三管道的连接处设有第三阀门，液压泵站与第四管道的连接处设有第四阀门；

破煤实验方法按以下步骤进行：

第一步骤是检查步骤，检查装置电磁增压机构、液压泵站、轴压装置、煤样存放装置和瓦斯吸附解析装置的状态，确保冲击地压破含瓦斯煤模拟实验系统运转正常；

第二步骤是煤样放置步骤，将煤样放置在煤样存放装置中；

第三步骤是对瓦斯吸附步骤，使煤样吸附瓦斯；

第四步骤是施加轴压围压步骤，对煤样施加预定的轴向压力和围向压力；

第五步骤是模拟冲击地压和解析煤样瓦斯步骤，对煤体施加预定的冲击力的同时解析煤样内的瓦斯；

第六步骤是结束步骤，将煤样从煤样存放装置中取出，结束实验。

2.根据权利要求1所述的破煤实验方法，其特征在于：

所述第二步骤具体是：

取下环形钢板处的螺栓，将环形钢板、第一密封胶筒和钢制垫块一同从下液压筒顶部取下，将煤样放入煤样腔，再将环形钢板、第一密封胶筒和钢制垫块一同盖在下液压筒顶部；通过螺栓使环形钢板与下液压筒固定连接，完成将煤样放置在煤样存放装置中的作业；

第三步骤具体是：打开瓦斯供给阀门，确保瓦斯解析用阀门处于关闭状态；通过控制瓦斯供给阀门的开启度，将压力表显示的瓦斯供给压力控制在预定数值；瓦斯供给阀门打开后，瓦斯气体通过瓦斯供给管路和钢制孔板进入煤样，煤样开始吸附瓦斯，当第一流量计读数下降为零时表明煤样吸附瓦斯达到平衡状态，此时关闭瓦斯供给阀门，完成使煤样吸附瓦斯的作业；

第四步骤具体包括围压施压操作和轴压施压操作；

围压施压操作是：启动液压泵站，将输出油压设定为预定压力值，打开第四阀门，通过第四管道向围压腔内注入预定压力的液压油，液压油通过环形密封胶套对煤样产生预定的围压；最后关闭第四阀门保压；

轴压施压操作包括增压液压腔注油操作和轴压腔加压操作；

增压液压腔注油操作是：将液压泵站的输出油压设定为小于0.1KPa，打开第二阀门和第一阀门，液压油通过第二管道、轴压腔、第一管道和第一进液管进入增压液压腔，直到钢制滑块向上与铁制吸盘紧压在一起，关闭第一阀门；

轴压腔加压操作是：将液压泵站的输出油压设定为预定的压力，在油压的作用下第二活塞带动活塞杆向下运动，直到活塞杆的下端压紧钢制垫块时关闭第二阀门和液压泵站，此时钢制垫块对煤样产生预定的轴压；

第五步骤具体是：包括蓄能作业、冲击作业和解析作业；

蓄能作业是：通过电控装置启动电磁吸盘，电磁吸盘吸引铁制吸盘，铁制吸盘向上压缩弹簧组，弹簧组蓄积弹性势能；

冲击作业是：通过电控装置关闭电磁吸盘，弹簧组蓄积的弹性势能瞬间释放，弹簧组向下顶压铁制吸盘，铁制吸盘向下冲击钢制滑块，钢制滑块通过第一活塞将铁制吸盘的冲击能量传递给增压液压腔中的液压油，第一出液管中的油压瞬间增大从而打开单向阀，高油压沿第一出液管、第一管道和轴压腔作用于第二活塞，使第二活塞的活塞杆向下冲击钢制垫块，钢制垫块向下冲击煤样，对煤体施加预定的冲击力，同时煤样内的瓦斯发生解析；

解析作业是：实验人员在进行冲击作业前，打开瓦斯解析用阀门；进行冲击作业后，煤样中的瓦斯解析出来，通过瓦斯解析管路流出；通过第二流量计观察并记录煤样瓦斯解析量。

3.根据权利要求2所述的破煤实验方法，其特征在于：

第六步骤具体是：打开第二阀门和第一阀门，液压油通过第一进液管、第一管道、轴压腔和第二管道回流入液压泵站，关闭第一阀门；

打开第三阀门和液压泵站，将液压泵站的输出油压设定为预定的压力，液压油通过第三管道进入回油油腔，使第二活塞向上移动复位；第二活塞复位后，关闭第三阀门和液压泵站；

取下环形钢板处的螺栓，将环形钢板、第一密封胶筒和钢制垫块一同从下液压筒顶部取下，将煤样由环形密封胶套取出，结束实验。

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