CN110261233B - 一种测试延期突出临界瓦斯压力与延期时间的方法 - Google Patents

一种测试延期突出临界瓦斯压力与延期时间的方法 Download PDF

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Abstract

一种测试延期突出临界瓦斯压力与延期时间的方法，适用于实验室中对于煤矿井下模拟使用，实验室中测试延期突出临界瓦斯压力与延期时间使用，包括前期准备阶段、延期突出孕育阶段、延期突出诱发阶段、延期突出结束和后续工作；通过给煤样加热，充入不同压力的瓦斯气体，最后使用蜡封圆柱模拟瓦斯突出，模拟煤与瓦斯延期突出，测定不同条件下延期突出的临界瓦斯压力，测定不同条件下延期突出的延期时间，其步骤简单，检测效果好，具有良好的实用性。

Description

一种测试延期突出临界瓦斯压力与延期时间的方法
技术领域
本发明涉及一种测试延期突出临界瓦斯压力与延期时间的方法，尤其使用室内对煤样瓦斯延期突出测试的测试延期突出临界瓦斯压力与延期时间的方法。
背景技术
煤炭是我国的基础能源，在未来很长一段时间内，煤炭作为我国主体能源的格局不会变。截至2017年，我国煤炭消费量占一次能源消费的比重依然高达60.4％。煤与瓦斯突出是煤矿生产中遇到的一种极其复杂的矿井瓦斯动力现象，其特征是在一定的时间内，由煤体向巷道或采场突然抛出大量的煤炭，并涌出大量的瓦斯。煤与瓦斯延期突出是指突出并不是在刚刚爆破煤壁时发生，而是在提煤几分钟到几个小时后延期发生。延期突出发生的相对数量虽然较少，但是由于其特有的隐蔽性、滞后性、突然性，往往令人措手不及而导致重大人员伤亡。
我国《防治煤与瓦斯突出规定》中规定当煤层瓦斯含量大于8m3t或者瓦斯压力大于0.74MPa时必须采取相关防突措施，以确保煤矿的安全生产。然而，越来越多的矿区发生低指标突出现象(即瓦斯含量小于8m3t且瓦斯压力小于0.74MPa时发生突出)，如河南新密矿区发生的40次突出事故中，0.74MPa瓦斯压力以下的突出次数占到了75％，最低瓦斯压力只有0.3MPa。
发明内容
针对上述技术比对不足之处，提供一种步骤简单，检测效果好，可以测定不同条件下延期突出的临界瓦斯压力和不同条件下延期突出的延期时间的测试延期突出临界瓦斯压力与延期时间的方法。
为实现上述技术目的，本发明的测试延期突出临界瓦斯压力与延期时间的方法，包括：前期准备阶段、延期突出孕育阶段、延期突出诱发阶段、延期突出结束和后续工作；
详细步骤为：
1a)从待测煤矿区域突出煤层的煤块取样进行现场调研，利用现场采集的煤块取样测定突出煤层的相关参数，确定试验方案；
1b)使用破碎筛将采集的煤块取样筛分成0-1mm粒径的煤粒，向煤粒中加水搅拌制成6％含水率煤样备用；
1c)将6％含水率煤样装入可视化箱体，所述可视化箱体由箱体腔体和箱体盖板构成，两者之间通过密封圈和密封螺栓精密连接，可视化箱体的右侧开有突出口，可视化箱体底部设有布满加热电阻丝的海绵状多功能金属板，多功能金属板上设有充气口，可视化箱体侧设有加热电阻丝电源能通过的接线口a，可视化箱体的顶部、左侧壁内和前侧壁内设有多个透明加载板，每个透明加载板上设有加载活塞，加载活塞穿过箱体壁连通加压油缸；可视化箱体背面均匀设有多个传感器安装孔，在距离突出口0.75m的断面内利用可视化箱体背部开设的传感器安装孔向可视化箱体中的6％含水率煤样中埋入气压传感器，最后使用加载活塞驱动透明加载板使6％含水率煤样在20MPa条件下成型1h后解除透明加载板对煤样的加压；
1d)在可视化箱体1的右侧开有的突出口2中安装延期突出门，延期突出门包括透明圆管，透明圆管尾部设有安装法兰，透明圆管内以石蜡融化倒入充满密封，透明圆管内壁直径与突出口匹配，突出口直径为0.1m，透明圆管长0.5m，透明圆管内壁区域1-区域5分别铺设延时门加热电阻丝，透明圆管内壁的延时门加热电阻丝从接线口b延伸出，将延期突出门的透明圆管通过安装法兰连接至可视化箱体的突出口上；
1e)将高压气瓶出气口、真空泵抽气口和可视化箱体的充气口气路顺序连接，然后将高压气瓶出气口与延期突出门的充气口连接，检测可视化箱体、延期突出门及气管管路密封效果，确保密封压力不低于6MPa；
1f)在可视化箱体1外侧和延期突出门处分别设置高速摄像机；
2a)利用温度传感器和气压传感器采集可视化箱体中煤样的气压和温度数据；
2b)按照试验方案对煤样进行三轴应力加载操作，其中煤样上部6个透明加载板应力大小均为25MPa，前侧6个透明加载板应力大小均为30MPa；左侧个透明加载板应力大小为20MPa；
2c)启动真空泵对煤样进行抽真空操作，直到煤体内部气压小于100Pa关闭真空泵，用时约12h；
2d)打开高压气瓶对煤样进行充瓦斯操作，共分为四阶段保证煤样吸附平衡气压为0.74MPa，第一阶段充气12h、充气压力至0.4MPa，然后关闭气瓶，稳定6h；第二阶段充气12h、充气压力至0.8MPa，然后关闭气瓶，稳定6h；第三阶段充气6h、充气压力至0.74MPa，然后关闭气瓶；用时共计约38h；
2e)利用多功能金属板上的加热电阻丝对煤样底部进行加热，设置加热温度为50℃，待煤层距离突出口0.5m和1.0m的断面内温度差异小于0.1℃时停止加热，以保证煤层内部不同位置温度相同，一般用时约12h；
3a)利用延时门加热电阻丝对延期突出门圆管内区域1-区域5中凝固的石蜡加热，待石蜡融化到一定程度不足以密封箱体瓦斯时诱发延期突出，停止加热；其中加热不同区域模拟距离突出口不同位置处煤巷掘进扰动诱发延期突出，加热的区域根据需要调整；
3b)若发生突出，记录延期时间，同时重复步骤1、2，并在步骤2c)中以P0为梯度降低充气吸附平衡气压为0.69MPa，进一步重复步骤3a诱发突出；如此重复直到在给定试验条件下无法诱发突出，结束试验，则前一次充气压力和延期时间即为延期突出临界瓦斯压力和延期时间；
3c)若不发生突出，则以P0为梯度增加充气压力为0.79MPa，进一步重复步骤3a诱发突出；如此重复直到在给定试验条件下诱发突出，则本次充气压力和延期时间即为延期突出临界瓦斯压力和延期时间；
控制煤样中的瓦斯压力P为0.74MPa，三轴透明加载板的加载应力分别为5.0MPa和10.0MPa，分别测试煤样粒径在0-1mm和1-2mm时煤样的多种状态。
分别给延期突出门中的石蜡加热，加热温度分别控制在50℃或者100℃时，检测可视化箱体中的煤样喷出的煤粉质量与时间状态。
有益效果：
可在室内模拟不同真三轴应力、瓦斯压力、煤层温度多场耦合条件下煤与瓦斯延期突出过程，同时可同步监测并采集箱体内煤层瓦斯压力、温度、表面裂纹形态以及突出煤粉运动过程，进一步实现了箱体煤层渗流场、温度场、表面裂隙场以及突出煤粉运移轨迹场多场全程可视化，为研究煤与瓦斯突出致灾特征及其防治奠定基础。
(1)可以模拟煤与瓦斯延期突出；(2)可以测定不同条件下延期突出的临界瓦斯压力；(3)可以测定不同条件下延期突出的延期时间。
附图说明：
图1为本发明测试延期突出临界瓦斯压力与延期时间的方法使用的透明箱体结构示意图。
图2为本发明测试延期突出临界瓦斯压力与延期时间的方法使用的透明箱体俯视图。
图3为本发明测试延期突出临界瓦斯压力与延期时间的方法使用的透明箱体后视图。
图4为本发明测试延期突出临界瓦斯压力与延期时间的方法使用的延期突出门结构示意图。
图5为本发明测试延期突出临界瓦斯压力与延期时间的方法使用的加载系统结构示意图。
图6为本发明测试延期突出临界瓦斯压力与延期时间的方法使用的高速摄像机设置图。
图7为本发明测试延期突出临界瓦斯压力与延期时间的方法使用的瓦斯突出测试示意图。
图中1-可视化箱体，2-突出口，3-多功能金属板，4-密封圈，5-密封螺栓，6-接线口a，7-充气口，8-加热电阻丝，9-传感器安装孔，10-安装法兰，11-透明圆管，12-延时门加热电阻丝，13-接线口b，14-透明加载板，15-加载活塞，16-高速摄像机
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例做进一步说明：
本发明的测试延期突出临界瓦斯压力与延期时间的方法，包括：前期准备阶段、延期突出孕育阶段、延期突出诱发阶段、延期突出结束和后续工作；
详细步骤为：
1a)从待测煤矿区域突出煤层的煤块取样进行现场调研，利用现场采集的煤块取样测定突出煤层的相关参数，确定试验方案；
1b)使用破碎筛将采集的煤块取样筛分成0-1mm粒径的煤粒，向煤粒中加水搅拌制成6％含水率煤样备用；
1c)将6％含水率煤样装入可视化箱体1，如图1、图2和图3所示所述可视化箱体1由箱体腔体和箱体盖板过程，两者之间通过密封圈3和密封螺栓4精密连接，可视化箱体1的右侧开有突出口2，可视化箱体1底部设有布满加热电阻丝8的海绵状多功能金属板3，多功能金属板3上设有充气口7，可视化箱体1侧设有加热电阻丝8电源能通过的接线口a6，如图6所示，可视化箱体1的顶部、左侧壁内和前侧壁内设有多个透明加载板14，每个透明加载板14上设有加载活塞15，加载活塞15穿过箱体壁连通加压油缸；可视化箱体1背面设有均匀步骤有多个传感器安装孔9，在距离突出口20.75m的断面内利用可视化箱体1背部开设的传感器安装孔9向可视化箱体1中的6％含水率煤样中埋入气压传感器，最后使用加载活塞15驱动透明加载板14使6％含水率煤样在20MPa条件下成型1h后解除透明加载板14对煤样的加压；
1d)如图5所示，在可视化箱体11的右侧开有的突出口22中安装延期突出门，延期突出门包括透明圆管11，透明圆管11尾部设有安装法兰10，透明圆管11内以石蜡融化倒入充满密封，透明圆管11内壁直径与突出口22匹配，突出口22直径为0.1m，透明圆管11长0.5m，透明圆管11内壁区域1-区域5分别铺设延时门加热电阻丝12，透明圆管内壁的延时门加热电阻丝12从接线口b13延伸出，将延期突出门的透明圆管11通过安装法兰10连接至可视化箱体11的突出口22上；
1e)将高压气瓶出气口、真空泵抽气口和可视化箱体11的充气口7气路顺序连接，然后将高压气瓶出气口与延期突出门的充气口7连接，检测可视化箱体11、延期突出门及气管管路密封效果，确保密封压力不低于6MPa；
1f)如图7所示，在可视化箱体11外侧和延期突出门处分别设置高速摄像机16；
2a)利用温度传感器和气压传感器采集可视化箱体11中煤样的气压和温度数据；
2b)按照试验方案对煤样进行三轴应力加载操作，其中煤样上部6个透明加载板应力大小均为25MPa，前侧6个透明加载板应力大小均为30MPa；左侧1个透明加载板应力大小为20MPa；
2c)启动真空泵对煤样进行抽真空操作，直到煤体内部气压小于100Pa关闭真空泵，用时约12h；
2d)打开高压气瓶对煤样进行充瓦斯操作，共分为四阶段保证煤样吸附平衡气压为0.74MPa，第一阶段充气12h、充气压力至0.4MPa，然后关闭气瓶，稳定6h；第二阶段充气12h、充气压力至0.8MPa，然后关闭气瓶，稳定6h；第三阶段充气6h、充气压力至0.74MPa，然后关闭气瓶；用时共计约38h；
2e)利用多功能金属板3上的加热电阻丝8对煤样底部进行加热，设置加热温度为50℃，待煤层距离突出口20.5m和1.0m的断面内温度差异小于0.1℃时停止加热，以保证煤层内部不同位置温度相同，一般用时约12h；
3a)利用延时门加热电阻丝12对延期突出门圆管内区域1-区域5中凝固的石蜡加热，待石蜡融化到一定程度不足以密封箱体瓦斯时诱发延期突出，停止加热；其中加热不同区域模拟距离突出口2不同位置处煤巷掘进扰动诱发延期突出，加热的区域根据需要调整；
3b)若发生突出，记录延期时间，同时重复步骤1、2，并在步骤2c)中以P0为梯度降低充气吸附平衡气压为0.69MPa，进一步重复步骤3a诱发突出；如此重复直到在给定试验条件下无法诱发突出，结束试验，则前一次充气压力和延期时间即为延期突出临界瓦斯压力和延期时间；
3c)若不发生突出，则以P0为梯度增加充气压力为0.79MPa，进一步重复步骤3a诱发突出；如此重复直到在给定试验条件下诱发突出，则本次充气压力和延期时间即为延期突出临界瓦斯压力和延期时间；
控制煤样中的瓦斯压力P为0.74MPa，三轴透明加载板的加载应力分别为5.0MPa和10.0MPa，分别测试煤样粒径在0-1mm和1-2mm时煤样的多种状态。
分别给延期突出门中的石蜡加热，加热温度分别控制在50℃或者100℃时，检测可视化箱体1中的煤样喷出的煤粉质量与时间状态。

Claims (3)

1.一种测试延期突出临界瓦斯压力与延期时间的方法，其特征在于包括：前期准备阶段、延期突出孕育阶段、延期突出诱发阶段、延期突出结束和后续工作；
详细步骤为：
1a)从待测煤矿区域突出煤层的煤块取样进行现场调研，利用现场采集的煤块取样测定突出煤层的相关参数，确定试验方案；
1b)使用破碎筛将采集的煤块取样筛分成0-1mm粒径的煤粒，向煤粒中加水搅拌制成6％含水率煤样备用；
1c)将6％含水率煤样装入可视化箱体，所述可视化箱体由箱体腔体和箱体盖板构成，两者之间通过密封圈和密封螺栓精密连接，可视化箱体的右侧开有突出口，可视化箱体底部设有布满加热电阻丝的海绵状多功能金属板，多功能金属板上设有充气口，可视化箱体侧设有加热电阻丝电源能通过的接线口a，可视化箱体的顶部、左侧壁内和前侧壁内设有多个透明加载板，每个透明加载板上设有加载活塞，加载活塞穿过箱体壁连通加压油缸；可视化箱体背面均匀设有多个传感器安装孔，在距离突出口0.75m的断面内利用可视化箱体背部开设的传感器安装孔向可视化箱体中的6％含水率煤样中埋入气压传感器，最后使用加载活塞驱动透明加载板使6％含水率煤样在20MPa条件下成型1h后解除透明加载板对煤样的加压；
1d)在可视化箱体的右侧开有的突出口中安装延期突出门，延期突出门包括透明圆管，透明圆管尾部设有安装法兰，透明圆管内以石蜡融化倒入充满密封，透明圆管内壁直径与突出口匹配，突出口直径为0.1m，透明圆管长0.5m，透明圆管内壁区域1-区域5分别铺设延时门加热电阻丝，透明圆管内壁的延时门加热电阻丝从接线口b延伸出，将延期突出门的透明圆管通过安装法兰连接至可视化箱体的突出口上；
1e)将高压气瓶出气口、真空泵抽气口和可视化箱体的充气口气路顺序连接，然后将高压气瓶出气口与延期突出门的充气口连接，检测可视化箱体、延期突出门及气管管路密封效果，确保密封压力不低于6MPa；
1f)在可视化箱体外侧和延期突出门处分别设置高速摄像机；
2a)利用温度传感器和气压传感器采集可视化箱体中煤样的气压和温度数据；
2b)按照试验方案对煤样进行三轴应力加载操作，其中煤样上部6个透明加载板应力大小均为25MPa，前侧6个透明加载板应力大小均为30MPa；左侧1个透明加载板应力大小为20MPa；
2c)启动真空泵对煤样进行抽真空操作，直到煤体内部气压小于100Pa关闭真空泵，用时约12h；
2d)打开高压气瓶对煤样进行充瓦斯操作，共分为四阶段保证煤样吸附平衡气压为0.74MPa，第一阶段充气12h、充气压力至0.4MPa，然后关闭气瓶，稳定6h；第二阶段充气12h、充气压力至0.8MPa，然后关闭气瓶，稳定6h；第三阶段充气6h、充气压力至0.74MPa，然后关闭气瓶；用时共计约38h；
2e)利用多功能金属板上的加热电阻丝对煤样底部进行加热，设置加热温度为50℃，待煤层距离突出口0.5m和1.0m的断面内温度差异小于0.1℃时停止加热，以保证煤层内部不同位置温度相同，一般用时约12h；
3a)利用延时门加热电阻丝对延期突出门圆管内区域1-区域5中凝固的石蜡加热，待石蜡融化到一定程度不足以密封箱体瓦斯时诱发延期突出，停止加热；其中加热不同区域模拟距离突出口不同位置处煤巷掘进扰动诱发延期突出，加热的区域根据需要调整；
3b)若发生突出，记录延期时间，同时重复步骤1、2，并在步骤2c)中以P0为梯度降低充气吸附平衡气压为0.69MPa，进一步重复步骤3a诱发突出；如此重复直到在给定试验条件下无法诱发突出，结束试验，则前一次充气压力和延期时间即为延期突出临界瓦斯压力和延期时间；
3c)若不发生突出，则以P0为梯度增加充气压力为0.79MPa，进一步重复步骤3a诱发突出；如此重复直到在给定试验条件下诱发突出，则本次充气压力和延期时间即为延期突出临界瓦斯压力和延期时间。
2.根据权利要求1所述的测试延期突出临界瓦斯压力与延期时间的方法，其特征在于：控制煤样中的瓦斯压力P为0.74MPa，三轴透明加载板的加载应力分别为5.0MPa和10.0MPa，分别测试煤样粒径在0-1mm和1-2mm时煤样的多种状态。
3.根据权利要求2所述的测试延期突出临界瓦斯压力与延期时间的方法，其特征在于：分别给延期突出门中的石蜡加热，加热温度分别控制在50℃或者100℃时，检测可视化箱体中的煤样喷出的煤粉质量与时间状态。
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