CN110299059A - 一种突出煤层抽采瓦斯及消突测试一体化试验装置 - Google Patents

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Abstract

一种突出煤层抽采瓦斯及消突测试一体化试验装置，用于实验室中模拟突出煤层抽采瓦斯及消突测试一体化试验拟使用。包括利用透明材料制成的可视化箱体，可视化箱体上设有加载系统、气源系统、摄像系统、突出系统、数据采集与控制系统和抽采系统，其中加载系统、气源系统、摄像系统、抽采系统分别和突出系统分别与数据采集与控制系统相连接。结构简单，使用效果好，能够模拟不同真三轴应力、瓦斯压力多场耦合条件下瓦斯抽采、瓦斯突出过程。

Description

一种突出煤层抽采瓦斯及消突测试一体化试验装置
技术领域
本发明涉及一种突出煤层抽采瓦斯及消突测试一体化试验装置，尤其适用于实验室中对于煤矿井下模拟使用的突出煤层抽采瓦斯及消突测试一体化试验装置。
背景技术
煤与瓦斯突出(简称突出)是煤矿井下含瓦斯煤岩以粉碎状从煤岩层中向采掘空间急剧(数秒到数分钟内完成)运动，并伴随大量瓦斯喷出的一种剧烈动力过程，严重威胁矿井的安全生产。由于对现场煤与瓦斯突出过程进行全方位实时跟踪研究的危险性太大，研究者大多通过研制相应的试验装置，依靠实验室模拟手段进行煤与瓦斯突出机制的探索。
在突出煤层区域进行瓦斯抽采以防止煤与瓦斯突出的发生，是一种行之有效的消突技术。然而，目前缺乏一种针对瓦斯抽采消突效果进行测定的室内装置及方法。
为此，提出一种突出煤层抽采瓦斯及消突测试一体化试验装置，能在室内保证安全的前提下，开展突出煤层瓦斯抽采措施，同时对抽采后的煤层进行突出测试，以研究瓦斯抽采消突效果。该试验装置具有以下创新点：(1)可以单独开展多场耦合条件下的突出煤层瓦斯抽采过程或突出煤层煤与瓦斯突出突出过程；(2)可以针对同一突出煤层依次开展不同条件下瓦斯抽采、瓦斯突出一体化试验过程，分析不同抽采条件下消突效果，优化抽采条件；(3)可实现试验过程中多参数同步实时监测及煤体表面裂纹演化全程可视化。
发明内容
针对上述技术比对不足之处，提供一种结构简单，使用效果好，能够模拟不同真三轴应力、瓦斯压力多场耦合条件下瓦斯抽采、瓦斯突出过程的突出煤层抽采瓦斯及消突测试一体化试验装置。
为实现上述技术目的，本发明的一种突出煤层抽采瓦斯及消突测试一体化试验装置，包括利用透明材料制成的可视化箱体，可视化箱体上设有加载系统、气源系统、摄像系统、突出系统、数据采集与控制系统和抽采系统，其中加载系统、气源系统、摄像系统、抽采系统分别和突出系统分别与数据采集与控制系统相连接；
所述可视化箱体为长方体结构，可视化箱体包括箱体腔体和设置在顶部的箱体盖板，箱体盖板与箱体腔体之间设有密封圈并通过密封螺栓固定，其中箱体腔体的右侧壁上设有突出口，突出口中设有瞬间突出门，箱体腔体后侧壁均匀开有多个用于安装多种类型传感器或安装多功能钻孔的安装孔，传感器包括气压传感器、温度传感器，箱体腔体内设有煤样；
所述加载系统包括设置在可视化箱体的顶部箱体盖板内、箱体腔体的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；
所述气源系统包括高压甲烷气瓶和二氧化碳气瓶，气体压力不低于6MPa，高压气瓶通过真空泵利用气管管路与可视化箱体内的多功能金属板上的充气口管路连接，气管管路上设有流量计；
所述摄像系统包括设置在可视化箱体一侧的高速摄像机，和设置在突出口一侧的高速摄像机，分别实时捕捉可视化箱体内部煤层表面裂纹发育、演化特征以及煤样突出破碎过程中产生的煤粉动态运移轨迹；
所述数据采集与控制系统包括相互连接的高速数据采集板和计算机，分别采集或控制可视化箱体煤体内部瓦斯压力、煤体表面裂纹形态以及抽采瓦斯流量；
所述抽采系统包括与气源系统连接的真空泵、流量计，当模拟抽采时，气源系统、真空泵、流量计Ⅰ顺序连接，流量计的输出端通过管路与可视化箱体底部多功能金属板的进气口相连接，可视化箱体后部的多功能钻孔安装孔中设置管路与流量计Ⅱ相连接；
所述可视化箱体的材料为聚碳酸酯板构成，箱体腔体尺寸为1.5*0.5*0.5m。
所述气压传感器利用密封垫从可视化箱体外侧的传感器安装孔中插入，气压传感器尾端通过数据线和数据采集与控制系统连接，传感器安装孔内侧设有一根延伸设置在煤样内部的PU管，通过调整PU管开口端的位置以测试不同位置瓦斯压力，其中PU管与可视化箱体箱体壁之间设有PU气动接头。
所述温度传感器尾部连接的数据线通过转换接头和密封垫固定在可视化箱体的传感器安装孔中，将温度传感器和头部的数据线埋设在煤样中需要检测温度或应力的位置。
在钻孔安装孔中设置多功能钻孔，所述多功能钻孔尾部在可视化箱体上设有外接接头，外接接头与可视化箱体的箱体壁之间设有密封垫，多功能钻孔包括封孔段和透气段，多功能钻孔全长0.5m，封孔段长0.15m，透气段长0.35m，透气段管壁周向和径向方向分布有透气孔，透气孔孔径2mm，间距5mm，具有抽采、注气、注水等功能。
所述瞬间突出门包括爆破片夹持器，爆破片夹持器一端设有安装法兰，爆破片夹持器内部分别设有相互串联的一级爆破片和二级爆破片，一级爆破片和二级爆破片之间的爆破片夹持器上设有充气口，通过气源系统向充气口的一级爆破片和二级爆破片之间空间充气从而打开二级爆破片，同时瞬间诱爆一级爆破片，实现突出口瞬间打口，以模拟石门揭煤等剧烈诱发因素诱导的突出工况。
所述抽采系统当模拟抽采-突出时，包括高压气瓶、真空泵、流量计Ⅰ顺序连接，流量计Ⅰ的输出端通过管路与可视化箱体中的充气口相连接，根据实验需要选择可视化箱体上的多功能钻孔，并通过多功能钻孔的外接接头与流量计Ⅱ管路连接；
当模拟注水-突出时，包括顺序连接的高压气瓶、真空泵、流量计Ⅰ，流量计Ⅰ的输出端通过管路与可视化箱体的充气口相连接，根据实验需要选择可视化箱体上的多功能钻孔，并通过多功能钻孔的外接接头与流量计Ⅱ管路连接，流量计Ⅱ的管路与水泵相连接；
当模拟驱替-突出时，高压气瓶的出口与真空泵管路连接，真空泵管路连接流量计Ⅰ，流量计Ⅰ的出口与可视化箱体的充气口相连接，将可视化箱体上最靠近充气口的多功能钻孔依次排序定义6个钻孔分别为A1-A6，柱塞泵的出口管路通过流量计Ⅳ与A1号多功能钻孔通过外接接头连接，A1号多功能钻孔作为注气驱替钻孔。
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瓦斯抽采过程、瓦斯突出过程及其一体化试验过程，同时可同步监测并采集煤层瓦斯压力、温度、表面裂纹形态以及抽采瓦斯流量，为研究不同抽采条件下瓦斯抽采效率、消突效果及优化抽采措施提供了有效手段。
附图说明：
图1为本发明突出煤层抽采瓦斯及消突测试一体化试验装置的结构示意图。
图2为本发明突出煤层抽采瓦斯及消突测试一体化试验装置的可视化箱体结构示意图。
图3为本发明突出煤层抽采瓦斯及消突测试一体化试验装置的可视化箱体俯视图。
图4为本发明突出煤层抽采瓦斯及消突测试一体化试验装置的可视化箱体后视图。
图5为本发明突出煤层抽采瓦斯及消突测试一体化试验装置的加载系统结构示意图。
图6(a)为本发明突出煤层抽采瓦斯及消突测试一体化试验装置的气压传感器安装示意图。
图6(b)为本发明突出煤层抽采瓦斯及消突测试一体化试验装置的温度传感器安装示意图。
图6(c)为本发明突出煤层抽采瓦斯及消突测试一体化试验装置的多功能钻孔安装示意图。
图7为本发明突出煤层抽采瓦斯及消突测试一体化试验装置的摄像位置示意图。
图8为本发明突出煤层抽采瓦斯及消突测试一体化试验装置的瞬间突出门结构示意图。
图9为本发明突出煤层抽采瓦斯及消突测试一体化试验装置的抽采-突出组合方式示意图。
图10为本发明突出煤层抽采瓦斯及消突测试一体化试验装置的注水-突出组合方式示意图。
图11为本发明突出煤层抽采瓦斯及消突测试一体化试验装置的驱替-突出组合方式示意图。
图中：1-可视化箱体，2-箱体腔体，3-箱体盖板，4-突出口，5-密封圈，6-密封螺栓，7-箱体充气口，8-安装孔，9-加载板，10-加载活塞，11-气压传感器，12-密封垫，13-PU气动接头，14-PU管，15-数据线，16-温度转换接头，17-温度传感器，18-外接接头，19-多功能钻孔，20-封孔段，21-透气段，22-透气小孔，23-高速摄像机，24-瞬间突出门，25-安装法兰，26-爆破片夹持器，27-一级爆破片，28-二级爆破片，29-突出门充气口，30-高压气瓶，31-真空泵，32-流量计Ⅰ，33-流量计Ⅱ，34-流量计Ⅲ，35-流量计Ⅳ，36-水泵，37-柱塞泵，38-气相色谱仪。
具体实施方式
下面集合附图对本发明的具体实施例做进一步说明
如图1所示，本发明的突出煤层抽采瓦斯及消突测试一体化试验装置，包括利用透明材料制成的可视化箱体1，所述可视化箱体1的材料为聚碳酸酯板构成，箱体腔体尺寸为1.5*0.5*0.5m，可视化箱体1上设有加载系统、气源系统、摄像系统、突出系统、数据采集与控制系统和抽采系统，其中加载系统、气源系统、摄像系统、抽采系统分别和突出系统分别与数据采集与控制系统相连接；
如图2、图3和图4所示，可视化箱体1为长方体结构，可视化箱体1包括箱体腔体2和设置在顶部的箱体盖板3，箱体盖板3与箱体腔体2之间设有密封圈5并通过密封螺栓6固定，其中箱体腔体2的右侧壁上设有突出口4，突出口4中设有瞬间突出门24，箱体腔体2后侧壁均匀开有多个用于安装多种类型传感器或安装多功能钻孔的安装孔8，传感器包括气压传感器11、温度传感器17，箱体腔体2内设有煤样；
如图5所示，所述加载系统包括设置在可视化箱体1的顶部箱体盖板内、箱体腔体的左侧壁内和前侧壁内设有多个透明加载板9，每个透明加载板9上设有加载活塞10，加载活塞10穿过箱体壁连通加压油缸，其中可视化箱体顶部的透明加载板有六个序号分别为X1-X6，可视化箱体前侧壁上的透明加载板有六个序号分别为Y1-Y6，可视化箱体的左侧壁上的透明加载板为Z1；
所述气源系统包括高压甲烷气瓶和二氧化碳气瓶，气体压力不低于6MPa，高压气瓶通过真空泵利用气管管路与可视化箱体1内的多功能金属板上的充气口管路连接，气管管路上设有流量计；
如图7所示，所述摄像系统包括设置在可视化箱体一侧的高速摄像机23，和设置在突出口一侧的高速摄像机23，分别实时捕捉可视化箱体内部煤层表面裂纹发育、演化特征以及煤样突出破碎过程中产生的煤粉动态运移轨迹；
所述数据采集与控制系统包括相互连接的高速数据采集板和计算机，分别采集或控制可视化箱体1煤体内部瓦斯压力、煤体表面裂纹形态以及抽采瓦斯流量；
所述抽采系统包括与气源系统连接的真空泵、流量计，当模拟抽采时，气源系统、真空泵、流量计Ⅰ顺序连接，流量计的输出端通过管路与可视化箱体1底部多功能金属板的进气口相连接，可视化箱体1后部的多功能钻孔安装孔7中设置管路与流量计Ⅱ相连接；
如图6(a)所示，气压传感器11利用密封垫12从可视化箱体1外侧的传感器安装孔8中插入，气压传感器11尾端通过数据线15和数据采集与控制系统连接，传感器安装孔8内侧设有一根延伸设置在煤样内部的PU管14，通过调整PU管14开口端的位置以测试不同位置瓦斯压力，其中PU管14与可视化箱体1箱体壁之间设有PU气动接头13。
如图6(b)所示，所述温度传感器17尾部连接的数据线15通过转换接头16和密封垫12固定在可视化箱体1的传感器安装孔19中，将温度传感器17和头部的数据线15埋设在煤样中需要检测温度或应力的位置。
如图6(c)所示，在钻孔安装孔中设置多功能钻孔，所述多功能钻孔尾部在可视化箱体1上设有外接接头，外接接头与可视化箱体1的箱体壁之间设有密封垫，多功能钻孔包括封孔段20、透气段21，多功能钻孔全长0.5m，封孔段20长0.15m，透气段21长0.35m，透气段21管壁周向和径向方向分布有透气孔，透气孔孔径2mm，间距5mm，具有抽采、注气、注水等功能。
如图8所示，所述瞬间突出门24包括爆破片夹持器26，爆破片夹持器26一端设有安装法兰25，爆破片夹持器26内部分别设有相互串联的一级爆破片27和二级爆破片28，一级爆破片27和二级爆破片28之间的爆破片夹持器26上设有充气口29，通过气源系统向充气口29的一级爆破片27和二级爆破片28之间空间充气从而打开二级爆破片28，同时瞬间诱爆一级爆破片27，实现突出口瞬间打口，以模拟石门揭煤等剧烈诱发因素诱导的突出工况。
如图9所示，所述抽采系统当模拟抽采-突出时，包括高压气瓶30、真空泵31、流量计Ⅰ32顺序连接，流量计Ⅰ32的输出端通过管路与可视化箱体中的充气口7相连接，根据实验需要选择可视化箱体1上的多功能钻孔19，并通过多功能钻孔19的外接接头18与流量计Ⅱ33管路连接；
如图10所示，当模拟注水-突出时，包括顺序连接的高压气瓶30、真空泵31、流量计Ⅰ32，流量计Ⅰ32的输出端通过管路与可视化箱体的充气口7相连接，根据实验需要选择可视化箱体1上的多功能钻孔19，并通过多功能钻孔19的外接接头18与流量计Ⅱ34管路连接，流量计Ⅱ34的管路与水泵36相连接；
如图11所示，当模拟驱替-突出时，高压气瓶30的出口与真空泵31管路连接，真空泵31管路连接流量计Ⅰ32，流量计Ⅰ32的出口与可视化箱体的充气口7相连接，将可视化箱体1上多功能钻孔19依次排序定义为A1-A6，柱塞泵37的出口管路通过流量计Ⅳ35与A1号多功能钻孔19通过外接接头18连接，A1号多功能钻孔19作为注气驱替钻孔。

Claims (7)

1.一种突出煤层抽采瓦斯及消突测试一体化试验装置，其特征在于：它包括利用透明材料制成的可视化箱体(1)，可视化箱体(1)上设有加载系统、气源系统、摄像系统、突出系统、数据采集与控制系统和抽采系统，其中加载系统、气源系统、摄像系统、抽采系统分别和突出系统分别与数据采集与控制系统相连接；
所述可视化箱体(1)为长方体结构，可视化箱体(1)包括箱体腔体(2)和设置在顶部的箱体盖板(3)，箱体盖板(3)与箱体腔体(2)之间设有密封圈(5)并通过密封螺栓(6)固定，其中箱体腔体(2)的右侧壁上设有突出口(4)，突出口(4)中设有瞬间突出门(24)，箱体腔体(2)后侧壁均匀开有多个用于安装多种类型传感器或安装多功能钻孔的安装孔(8)，传感器包括气压传感器(11)、温度传感器(17)，箱体腔体(2)内设有煤样；
所述加载系统包括设置在可视化箱体(1)的顶部箱体盖板内、箱体腔体的左侧壁内和前侧壁内设有多个透明加载板(9)，每个透明加载板(9)上设有加载活塞(10)，加载活塞(10)穿过箱体壁连通加压油缸；
所述气源系统包括高压甲烷气瓶和二氧化碳气瓶，气体压力不低于6MPa，高压气瓶通过真空泵利用气管管路与可视化箱体(1)内的多功能金属板上的充气口管路连接，气管管路上设有流量计；
所述摄像系统包括设置在可视化箱体一侧的高速摄像机(23)，和设置在突出口一侧的高速摄像机(23)，分别实时捕捉可视化箱体内部煤层表面裂纹发育、演化特征以及煤样突出破碎过程中产生的煤粉动态运移轨迹；
所述数据采集与控制系统包括相互连接的高速数据采集板和计算机，分别采集或控制可视化箱体(1)煤体内部瓦斯压力、煤体表面裂纹形态以及抽采瓦斯流量；
所述抽采系统包括与气源系统连接的真空泵、流量计，当模拟抽采时，气源系统、真空泵、流量计Ⅰ顺序连接，流量计的输出端通过管路与可视化箱体(1)底部多功能金属板的进气口相连接，可视化箱体(1)后部的多功能钻孔安装孔(8)中设置管路与流量计Ⅱ相连接。
2.根据权利要求1所述的一种突出煤层抽采瓦斯及消突测试一体化试验装置，其特征在于：所述可视化箱体(1)的材料为聚碳酸酯板构成，箱体腔体尺寸为1.5*0.5*0.5m。
3.根据权利要求1所述的一种突出煤层抽采瓦斯及消突测试一体化试验装置，其特征在于：所述气压传感器(11)利用密封垫(12)从可视化箱体(1)外侧的传感器安装孔(8)中插入，气压传感器(11)尾端通过数据线(15)和数据采集与控制系统连接，传感器安装孔(8)内侧设有一根延伸设置在煤样内部的PU管(14)，通过调整PU管(14)开口端的位置以测试不同位置瓦斯压力，其中PU管(14)与可视化箱体(1)箱体壁之间设有PU气动接头(13)。
4.根据权利要求1所述的一种突出煤层抽采瓦斯及消突测试一体化试验装置，其特征在于：所述温度传感器(17)尾部连接的数据线(15)通过转换接头(16)和密封垫(12)固定在可视化箱体(1)的传感器安装孔(19)中，将温度传感器(17)和头部的数据线(15)埋设在煤样中需要检测温度或应力的位置。
5.根据权利要求1所述的一种突出煤层抽采瓦斯及消突测试一体化试验装置，其特征在于：在钻孔安装孔中设置多功能钻孔，所述多功能钻孔尾部在可视化箱体(1)上设有外接接头，外接接头与可视化箱体(1)的箱体壁之间设有密封垫，多功能钻孔包括封孔段(20)、透气段(21)，多功能钻孔全长0.5m，封孔段(20)长0.15m，透气段(21)长0.35m，透气段(21)管壁周向和径向方向分布有透气孔，透气孔孔径2mm，间距5mm，具有抽采、注气、注水等功能。
6.根据权利要求1所述的一种突出煤层抽采瓦斯及消突测试一体化试验装置，其特征在于：所述瞬间突出门(24)包括爆破片夹持器(26)，爆破片夹持器(26)一端设有安装法兰(25)，爆破片夹持器(26)内部分别设有相互串联的一级爆破片(27)和二级爆破片(28)，一级爆破片(27)和二级爆破片(28)之间的爆破片夹持器(26)上设有充气口(29)，通过气源系统向充气口(29)的一级爆破片(27)和二级爆破片(28)之间空间充气从而打开二级爆破片(28)，同时瞬间诱爆一级爆破片(27)，实现突出口瞬间打口，以模拟石门揭煤等剧烈诱发因素诱导的突出工况。
7.根据权利要求1所述的一种突出煤层抽采瓦斯及消突测试一体化试验装置，其特征在于：所述抽采系统当模拟抽采-突出时，包括高压气瓶(30)、真空泵(31)、流量计Ⅰ(32)顺序连接，流量计Ⅰ(32)的输出端通过管路与可视化箱体中的充气口(7)相连接，根据实验需要选择可视化箱体(1)上的多功能钻孔(19)，并通过多功能钻孔(19)的外接接头(18)与流量计Ⅱ(33)管路连接；
当模拟注水-突出时，包括顺序连接的高压气瓶(30)、真空泵(31)、流量计Ⅰ(32)，流量计Ⅰ(32)的输出端通过管路与可视化箱体的充气口(7)相连接，根据实验需要选择可视化箱体(1)上的多功能钻孔(19)，并通过多功能钻孔(19)的外接接头(18)与流量计Ⅱ(34)管路连接，流量计Ⅱ(34)的管路与水泵(36)相连接；
当模拟驱替-突出时，高压气瓶(30)的出口与真空泵(31)管路连接，真空泵(31)管路连接流量计Ⅰ(32)，流量计Ⅰ(32)的出口与可视化箱体的充气口(7)相连接，将可视化箱体(1)上多功能钻孔(19)依次排序定义序号为A1-A6，柱塞泵(37)的出口管路通过流量计Ⅳ(35)与A1号多功能钻孔(19)通过外接接头(18)连接，A1号多功能钻孔(19)作为注气驱替钻孔。
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