CN110308258A - 一种多场耦合可视化煤与瓦斯延期突出试验装置 - Google Patents
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Abstract
一种多场耦合可视化煤与瓦斯延期突出试验装置，适用于实验室中模拟煤矿井下煤与瓦斯突出延期突出使用。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、温控系统、摄像系统和突出门系统，加载系统、气源系统、温控系统、摄像系统和突出门系统分别与数据采集与控制系统相连接。其结构简单，使用方便，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。
Description
技术领域
本发明涉及一种煤与瓦斯延期突出试验装置，尤其适用于实验室中对于煤矿井下模拟使用的多场耦合可视化煤与瓦斯延期突出试验装置。
背景技术
煤与瓦斯突出(简称突出)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。我国是世界上煤与瓦斯突出灾害最严重的国家之一，目前共有1200多对突出矿井，同时随着煤矿开采深度及开采强度的加大，原来一些没有突出动力灾害或征兆不明显的矿井现在也逐渐显现，严重威胁着井下工人的生命安全和矿井的正常生产。
煤与瓦斯延期突出(简称延期突出)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。
为了模拟突出发生过程以研究突出致灾机理，各种功能不同的煤与瓦斯突出试验装置相继被研发。通过调研，发生目前突出试验装置仍存在以下不足：(1)无法模拟采动应力场、渗流场、温度场三场耦合条件下的突出过程；(2)无法模拟距工作面不同位置开挖、不同开挖速率等轻微诱发因素诱导的延期突出工况；(3)无法实现延期突出过程中煤层表面裂隙场以及突出煤粉运移轨迹场多场全程可视化。
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，能够模拟不同采动应力场、渗流场、温度场多场耦合条件下煤与瓦斯延期突出过程的多场耦合可视化煤与瓦斯延期突出试验装置。
为实现上述技术目的，本发明的多场耦合可视化煤与瓦斯延期突出试验装置，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、温控系统、摄像系统和突出系统，加载系统、气源系统、温控系统、摄像系统和突出门系统分别与数据采集与控制系统相连接；
可视化箱体包括箱体腔体和设置在顶部的箱体盖板，箱体腔体和箱体盖板之间设有密封圈并利用密封螺栓固定，可视化箱体内设有煤样，其中箱体腔体的右侧壁上设有突出口，箱体腔体后侧壁均匀开有多个传感器安装孔，传感器安装孔内设有传感器，包括气压传感器、温度传感器、应力传感器，可视化箱体腔体内底部设有与箱体底部等大的多功能金属板，多功能金属板由透气性好的泡沫金属构成，多功能金属板底部设有与箱体腔体外侧连通的充气口a，充气口a通过管路与气源系统相连接；
所述突出门系统包括瞬间突出门或延期突出门，根据需要择一设置在突出口中；
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，加载活塞穿过可视化箱体的箱体壁连通加压油缸；
所述气源系统包括高压甲烷气瓶，气体压力不低于6MPa，高压气瓶通过真空泵利用气管管路分别与可视化箱体和瞬间突出门的充气口a和充气口b连接，气管管路上设有流量计；
所述温控系统包括设置在可视化箱体腔体内多功能金属板表面的热电阻丝通过接线口a延伸出可视化箱体，与设置在从接线口b延伸出的延期突出门上的热电阻丝均通过导线与温度调节装置相连接，多功能金属板表面的热电阻丝对设置在视化箱体腔体内的多功能金属板上的煤样进行加热，延期突出圆管内壁的热电阻丝对延期突出圆管内充满的石蜡进行加热处理；
所述摄像系统包括设置在可视化箱体一侧的高速摄像机a，和设置在突出口一侧的高速摄像机b，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，其中高速摄像机a用于观测箱体内部煤层表面裂纹，高速摄像机b用于观测箱体外部由突出口喷出的煤粉运移过程；
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内部以及两级爆破片内瓦斯压力、可视化箱体内和延期突出管道内温度、真三轴加载应力、充气流量、煤层表面裂纹形态、突出煤粉运移轨迹等信号。
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b，通过气源系统向一级爆破片和二级爆破片之间空间充气打开二级爆破片，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。
所述延期突出门包括透明圆管，透明圆管内充满石蜡以密封突出口，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分别铺设热电阻丝，延期突出圆管内壁的热电阻丝从接线口b延伸出，与对延期突出圆管内充满的石蜡进行分区域加热从而模拟不同位置煤巷掘进诱发的延期突出工况。
所述气压传感器利用密封垫a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与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管与可视化箱体内侧之间设有PU气动接头。
所述温度传感器和应力传感器安装结构相同，温度传感器和应力传感器尾部的导线通过转换接头和密封垫b固定在可视化箱体的传感器安装孔中，将温度传感器和应力传感器埋设在煤样中需要检测温度或应力的位置。
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。
附图说明：
图1为本发明多场耦合可视化煤与瓦斯延期突出试验装置的结构示意图。
图2为本发明多场耦合可视化煤与瓦斯延期突出试验装置的透明箱体结构示意图。
图3为本发明多场耦合可视化煤与瓦斯延期突出试验装置的透明箱体俯视图。
图4为本发明多场耦合可视化煤与瓦斯延期突出试验装置的透明箱体后视图。
图5为本发明多场耦合可视化煤与瓦斯延期突出试验装置的瞬间突出门结构示意图。
图6为本发明多场耦合可视化煤与瓦斯延期突出试验装置的延期突出门结构示意图。
图7为本发明多场耦合可视化煤与瓦斯延期突出试验装置的加载系统结构示意图。
图8(a)为本发明多场耦合可视化煤与瓦斯延期突出试验装置的气压传感器安装示意图。
图8(b)为本发明多场耦合可视化煤与瓦斯延期突出试验装置的温度传感器和应力传感器安装示意图。
图9为本发明多场耦合可视化煤与瓦斯延期突出试验装置的高速摄像机安装示意图。
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a，8-热电阻丝，9-传感器安装孔，10-安装法兰，11-一级爆破片，12-二级爆破片，13-充气口b，14-爆破片夹持器，15-透明圆管，16-接线口b，17-加载板，18-加载活塞，19-密封垫a，20-气压传感器，21-PU气动接头，22-PU管，23-密封垫b，24-数据线，25-转换接头，26-温度传感器，27-应力传感器，28-高速摄像机a，29-高速摄像机b。
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：
如图1所示，本发明的多场耦合可视化煤与瓦斯延期突出试验装置，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、温控系统、摄像系统和突出系统，加载系统、气源系统、温控系统、摄像系统和突出门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，所述可视化箱体1为长方体结构，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包括箱体腔体和设置在顶部的箱体盖板，箱体腔体和箱体盖板之间设有密封圈4并利用密封螺栓5固定，可视化箱体1内设有煤样，其中箱体腔体的右侧壁上设有突出口2，箱体腔体后侧壁均匀开有多个传感器安装孔9，传感器安装孔9内设有传感器，包括气压传感器、温度传感器、应力传感器，可视化箱体1腔体内底部设有与箱体底部等大的多功能金属板3，多功能金属板3由透气性好的泡沫金属构成，多功能金属板3底部设有与箱体腔体外侧连通的充气口a7，充气口a7通过管路与气源系统相连接；
所述突出门系统包括瞬间突出门或延期突出门，根据需要择一设置在突出口2中；如图5所示，瞬间突出门包括爆破片夹持器14，爆破片夹持器14一端设有安装法兰10，爆破片夹持器14内部分别设有相互串联的一级爆破片11和二级爆破片12，一级爆破片11和二级爆破片12之间的爆破片夹持器上设有充气口b13，通过气源系统向一级爆破片11和二级爆破片12之间空间充气打开二级爆破片12，同时瞬间诱爆一级爆破片11，实现突出口2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6所示，延期突出门包括透明圆管15，透明圆管15内充满石蜡以密封突出口2，透明圆管15内壁直径与突出口2匹配，突出口2直径为0.1m，透明圆管长0.5m，透明圆管15内壁铺设热电阻丝8，延期突出圆管内壁的热电阻丝8从接线口b16延伸出，与对延期突出圆管内不同区域充满的石蜡进行加热从而模拟延期突出的工况。
如图7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17，每个透明加载板17上设有加载活塞18，加载活塞18穿过可视化箱体1的箱体壁连通加压油缸；
所述气源系统包括高压甲烷气瓶，气体压力不低于6MPa，高压气瓶通过真空泵利用气管管路分别与可视化箱体1和瞬间突出门的充气口a7和充气口b13连接，气管管路上设有流量计；
所述温控系统包括设置在可视化箱体1腔体内多功能金属板3表面的热电阻丝8通过接线口a6延伸出可视化箱体1，与设置在从接线口b16延伸出的延期突出门上的热电阻丝8均通过导线与温度调节装置相连接，多功能金属板3表面的热电阻丝8对设置在视化箱体腔体内的多功能金属板3上的煤样进行加热，延期突出圆管内壁的热电阻丝8对延期突出圆管内充满的石蜡进行加热处理；
如图9所示，所述摄像系统包括设置在可视化箱体1一侧的高速摄像机a28，和设置在突出口2一侧的高速摄像机b29，实时捕捉可视化箱体1内部煤层表面裂纹发育、演化特征，从而有效捕捉煤样破碎过程中产生的煤粉动态运移轨迹；其中高速摄像机a28用于观测可视化箱体1内部煤样表面裂纹，高速摄像机b29用于观测可视化箱体1外部由突出口2喷出的煤粉运移过程；
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内部以及两级爆破片内瓦斯压力、可视化箱体1内和延期突出管道内温度、真三轴加载应力、充气流量、煤层表面裂纹形态、突出煤粉运移轨迹等信号。
如图8(a)所示，气压传感器20利用密封垫a19从可视化箱体1外侧的传感器安装孔9中插入，气压传感器20尾端通过数据线24与数据采集与控制系统连接，传感器安装孔9内侧设有一根延伸设置在煤样内部的PU管22，通过调整PU管22开口端的位置以测试不同位置瓦斯压力，其中PU气动接头21与PU管22在可视化箱体1之间设有PU气动接头21。
如图8(b)所示，温度传感器26和应力传感器27安装结构相同，温度传感器26和应力传感器27尾部的导线24通过转换接头25和密封垫b23固定在可视化箱体1的传感器安装孔9中，将温度传感器26和应力传感器27埋设在煤样中需要检测温度和应力的位置。
Claims (6)
1.一种多场耦合可视化煤与瓦斯延期突出试验装置，其特征在于：它包括利用透明材料制成的可视化箱体，可视化箱体上设有加载系统、气源系统、温控系统、摄像系统和突出系统，加载系统、气源系统、温控系统、摄像系统和突出门系统分别与数据采集与控制系统相连接；
可视化箱体包括箱体腔体和设置在顶部的箱体盖板，箱体腔体和箱体盖板之间设有密封圈并利用密封螺栓固定，可视化箱体内设有煤样，其中箱体腔体的右侧壁上设有突出口，箱体腔体后侧壁均匀开有多个传感器安装孔，传感器安装孔内设有传感器，包括气压传感器、温度传感器、应力传感器，可视化箱体腔体内底部设有与箱体底部等大的多功能金属板，多功能金属板由透气性好的泡沫金属构成，多功能金属板底部设有与箱体腔体外侧连通的充气口a，充气口a通过管路与气源系统相连接；
所述突出门系统包括瞬间突出门或延期突出门，根据需要择一设置在突出口中；
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，加载活塞穿过可视化箱体的箱体壁连通加压油缸；
所述气源系统包括高压甲烷气瓶，气体压力不低于6MPa，高压气瓶通过真空泵利用气管管路分别与可视化箱体和瞬间突出门的充气口a和充气口b连接，气管管路上设有流量计；
所述温控系统包括设置在可视化箱体腔体内多功能金属板表面的热电阻丝通过接线口a延伸出可视化箱体，与设置在从接线口b延伸出的延期突出门上的热电阻丝均通过导线与温度调节装置相连接，多功能金属板表面的热电阻丝对设置在视化箱体腔体内的多功能金属板上的煤样进行加热，延期突出圆管内壁的热电阻丝对延期突出圆管内充满的石蜡进行加热处理；
所述摄像系统包括设置在可视化箱体一侧的高速摄像机a，和设置在突出口一侧的高速摄像机b，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，其中高速摄像机a用于观测可视化箱体内部煤样表面裂纹，高速摄像机b用于观测箱体外部由突出口喷出的煤粉运移过程；
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内部以及两级爆破片内瓦斯压力、可视化箱体内和延期突出管道内温度、真三轴加载应力、充气流量、煤层表面裂纹形态、突出煤粉运移轨迹等信号。
2.根据权利要求1所述的多场耦合可视化煤与瓦斯延期突出试验装置，其特征在于：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。
3.根据权利要求1所述的多场耦合可视化煤与瓦斯延期突出试验装置，其特征在于：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b，通过气源系统向一级爆破片和二级爆破片之间空间充气打开二级爆破片，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。
4.根据权利要求1所述的多场耦合可视化煤与瓦斯延期突出试验装置，其特征在于：所述延期突出门包括透明圆管，透明圆管内充满石蜡以密封突出口，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分别铺设热电阻丝，延期突出圆管内壁的热电阻丝从接线口b延伸出，与对延期突出圆管内充满的石蜡进行分区域加热从而模拟不同位置煤巷掘进诱发的延期突出工况。
5.根据权利要求1所述的多场耦合可视化煤与瓦斯延期突出试验装置，其特征在于：所述气压传感器利用密封垫a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与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管与可视化箱体内侧之间设有PU气动接头。
6.根据权利要求1所述的多场耦合可视化煤与瓦斯延期突出试验装置，其特征在于：所述温度传感器和应力传感器安装结构相同，温度传感器和应力传感器尾部的导线通过转换接头和密封垫b固定在可视化箱体的传感器安装孔中，将温度传感器和应力传感器埋设在煤样中需要检测温度或应力的位置。
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