CN111351706B - 一种煤矿复合动力灾害动力效应模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤矿复合动力灾害动力效应模拟实验装置，包括用于分段式耐高压密封腔体和附带限位结构的T性刚性压头。分段式腔体上设置有限位凹槽并开设有输入端、输出端及声发射探头安装槽。通过输入端充入设定压力的吸附性气体，通过调整T性刚性压头顶部的限位开关实现T性刚性压头的限位与解除，利用限位开关开展有动力或无动力参与下的灾害动力效应模拟实验，利用防爆型高速气动阀卸压并对灾害动力效应进行观测。利用本发明可对复合动力致灾的动力效应开展系统监测，为灾变各阶段的精确分析提供数据支撑，具有重要的理论意义和工程实际价值。本发明结构精巧，实验操作简便易行，实验成本低。

Description

一种煤矿复合动力灾害动力效应模拟实验装置

技术领域

本发明涉及室内实验设备技术领域，具体涉及一种煤矿复合动力灾害动力效应模拟实验装置。

背景技术

深部煤矿开采受高地应力、高温、高岩溶水等威胁日趋严重，高强度开采(扰动)使得一些高瓦斯矿井发生复合型煤岩动力灾害的概率显著增大，此类动力灾害兼具冲击地压和突出的部分特征，两种动力灾害互为共存、互相影响、相互复合，严重威胁矿井的生产安全。此外，深部复合煤岩动力灾害是一个复杂的力学过程，灾害发生过程中多种因素的相互交织，导致在事故孕育、发生、发展过程中可能互为诱因，互为强化，或产生“共振”效应，进而使得复合动力灾害的发生机理更为复杂，理论研究更为困难。

考虑到复合动力灾害的复杂性以及研究方法和手段的限制，国内外对此类灾害的研究尚且较少，此类灾害通常具有巨大的破坏性和危害性，现场人为诱发不具可行性。基于此，为进一步弄清复合动力灾害发生机理及其能量转换机制，研发能够满足相应孕灾、致灾条件的实验装置并基于此开展系列室内实验，通过动力效应实验研究尝试从能量角度进行量化分析并对复合动力灾害的动力效应进行量化评估，可在明确灾变过程中的能量积聚、传递及释放机制的基础上进一步理清其致灾效应，对于矿井复合型灾害的预测及防治同样具有重要现实意义。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种煤矿复合动力灾害动力效应模拟实验装置。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种煤矿复合动力灾害动力效应模拟实验装置，其特征在于：包括用于充装模拟实验材料的耐高压密封腔体和T型刚性压头；所述腔体由三部分拼接而成，分别为上段部分、中段可替换部分和底段部分；所述上段部分、中段可替换部分和底段部分顺次连接且在连接处注有密封胶；所述上段部分内侧开设有第一限位槽，所述中段可替换部分内侧开设有第二限位槽，所述中段可替换部分外表面前后对称开设有声发射探头安装槽；所述中段可替换部分左右开设有输入端和输出端；所述输入端一分为三且单独控制，分别为抽真空端、充气端及传感器连接端；所述输出端通过防爆型高速气动阀连接透明管道，所述透明管道上部平面开设有气体压力传感器接口、温度传感器接口和气体浓度传感器接口；所述透明管道旁架设有红外热像仪和多个分体式高速摄像机；所述底段部分为倒T型结构，起密封耐高压密封腔体作用；所述T型刚性压头顶部安设有限位开关，所述腔体顶部通过T型刚性压头施加动力，所述限位开关通过连接杆控制压头限位块实现限位功能，所述连接杆安设在T型刚性压头内部，所述压头限位块位于T型刚性压头下端；所述T型刚性压头底部开设有密封凹槽并套有密封圈加以密封。

所述输入端与输出端中心线连线过该连线所在的中段可替换部分的截面的中心。

所述声发射探头安装槽中心线与输入端和输出端中心线在同一水平面且垂直于输入端和输出端中心线。

所述输出端直径d与耐高压密封腔体直径D比例范围为[1/4,1/6]。

所述透明管道通过可调支撑架支撑。

所述气体压力传感器接口、温度传感器接口及气体浓度传感器接口为一组分布于透明管道同一截面上且沿透明管道等间距分布若干组。

所述限位开关与T型刚性压头顶部位于同一水平面。

所述压头限位块由附属机构A、附属机构B和附属机构C组成；所述附属机构B为弹簧，所述附属机构A钩挂附属机构C组成一整体并穿设附属机构B。

所述限位功能实现过程如下：将耐高压密封腔体各段顺次拼接且在连接处注密封胶；将T型刚性压头推入耐高压密封腔体，通过旋转T型刚性压头保持限位开关与第一限位槽或第二限位槽位于同一直线且沿该直线铅直运动，当运动至第一或第二限位槽时，附属机构A受到附属机构B的作用卡入限位槽从而实现限位功能，此时，T型刚性压头被固定；转动T型刚性压头顶部的限位开关，在连接杆作用下，附属机构C带动附属机构B水平运动，附属机构B在附属机构C作用下将附属机构A从限位槽中水平拉出，从而实现限位解除。

本发明的有益效果：

1.本发明提供了做成带有限位结构的T型刚性压头与耐高压腔体配套，可开展气固体积比恒定(定容)下的动力灾害模拟实验，将耐高压密封腔体设计为多段可拼接结构，其中中段可替换部分可根据设计相似比调整替换，同时本实验系统提供了多级可调的高速气动阀作为触发结构，在量程范围内可任意触发，同时可循环使用，突破了传统只能用某一固定压力的泄爆装置完成一次实验的瓶颈，具备较强的实用性。

2.本发提出了一种煤矿复合动力灾害动力效应模拟实验装置，既能模拟能够模拟地应力、采动应力及顶板影响下矿井复合动力灾害，亦可对单纯瓦斯参与下的颗粒煤动力效应进行模拟。

3.本发明装置结构精巧，实验操作简便易行，实验成本低，同时可为大尺度的三维相似模拟实验提供有益借鉴。

4.利用本发明可为灾变各阶段的精确分析提供数据支撑，具有重要的理论意义和工程实际价值，而且对于深部开采诱发的冲击地压-煤与瓦斯突出等矿井复合动力灾害的预测预防具有积极意义。

附图说明

图1是本发明一种煤矿复合动力灾害动力效应模拟实验装置整体结构示意图。

图2是本发明中限位结构各部件剖视图。

图3是本发明中限位结构整体结构剖视图。

图4是本发明T型刚性压头俯视图。

图5是本发明耐高压密封腔体上段部分。

图6是本发明耐高压密封腔体中段可替换部分。

图7是本发明耐高压密封腔体底段部分。

图8是本发明透明管道俯视图。

1-T型刚性压头、1-1-限位开关、1-2-连接杆、2-耐高压密封腔体、2-1-上段部分、2-2-中段可替换部分、2-3-底段部分、2-11-第一限位槽、2-21-第二限位槽、3-附属机构A、4-附属机构B、5-附属机构C、6-密封凹槽、7-密封圈、8-压头限位块、9-输入端、10-输出端、11-声发射探头安装槽、12-抽真空端、13-充气端、14-传感器连接端、15-防爆型高速气动阀、16-透明管道、17-可调支撑架支撑、18-气体压力传感器接口、19-温度传感器接口、20-气体浓度传感器接口、21-红外热像仪、22-分体式高速摄像机。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1-图8所示，一种煤矿复合动力灾害动力效应模拟实验装置，其特征在于：包括用于充装模拟实验材料的耐高压密封腔体2和T型刚性压头1，所述腔体2由三部分拼接而成，分别为上段部分2-1、中段可替换部分2-2和底段部分2-3；所述上段部分2-1、中段可替换部分2-2和底段部2-3分顺次连接且在连接处注有密封胶；所述腔体上段部分2-1侧面内侧开设有第一限位槽2-11，所述中段可替换部分2-2内侧开设有第二限位槽2-21，所述中段可替换部分2-2外表面前后对称开设有声发射探头安装槽11；所述中段可替换部分2-2左右开设有输入端9和输出端10；所述输入端9一分为三且单独控制，分别为抽真空端12、充气端13及传感器连接端14；所述输出端10通过防爆型高速气动阀15连接透明管道16，所述透明管道16上部平面开设有气体压力传感器接口18、温度传感器接口19和气体浓度传感器接口20；所述透明管道16旁架设有红外热像仪21和多个分体式高速摄像机22；所述底段部分2-3为倒T型结构，起密封耐高压密封腔体作用；所述腔体2顶部通过T型刚性压头1施加动力，所述T型刚性压头1顶部安设有限位开关1-1，所述限位开关1-1通过连接杆1-2控制压头限位块8实现限位功能，所述连接杆1-2安设在T型刚性压头1内部，所述压头限位块8位于T型刚性压头1下端；所述T型刚性压头1底部开设有密封凹槽6并套有密封圈7加以密封。

所述输入端9与输出端10中心线连线过该连线所在的中段可替换部分2-2的截面的中心。

所述声发射探头安装槽11中心线与输入端9和输出端10中心线在同一水平面且垂直于输入端9和输出端10中心线。

所述输出端10直径d与耐高压密封腔体2直径D比例范围为[1/4,1/6]。

所述透明管道16通过可调支撑架17支撑。

所述气体压力传感器接口18、温度传感器接口19及气体浓度传感器接口20为一组分布于透明管道16同一截面上且沿透明管道16等间距分布若干组。

所述限位开关1-1与T型刚性压头1顶部位于同一水平面。

所述压头限位块8由附属机构A 5、附属机构B 4和附属机构C 3组成；所述附属机构B 4为弹簧，所述附属机构A 5钩挂附属机构C 3组成一整体并穿设附属机构B 4。

所述限位功能实现过程如下：将耐高压密封腔体2各段顺次拼接且在连接处注密封胶；将T型刚性压头1推入耐高压密封腔体2，通过旋转T型刚性压头1保持限位开关1-1与第一限位槽2-11或第二限位槽2-21位于同一直线且沿该直线铅直运动，当运动至第一限位槽2-11或第二限位槽2-21时(本实施例以第二限位槽2-21进行说明)，附属机构A 5受到附属机构B 4的作用卡入限位槽11从而实现限位功能，此时，T型刚性压头1被固定；转动T型刚性压头1顶部的限位开关1-1，在连接杆1-2作用下，附属机构C 3带动附属机构B 4水平运动，附属机构B 4在附属机构C 3作用下将附属机构A 5从限位槽中水平拉出，从而实现限位解除。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (4)

1.一种煤矿复合动力灾害动力效应模拟实验装置，其特征在于：包括用于充装模拟实验材料的耐高压密封腔体和T型刚性压头，所述腔体由三部分拼接而成，分别为上段部分、中段可替换部分和底段部分；所述上段部分、中段可替换部分和底段部分顺次连接且在连接处注有密封胶；所述腔体上段部分侧面内侧开设有第一限位槽，所述中段可替换部分内侧开设有第二限位槽，所述中段可替换部分外表面前后对称开设有声发射探头安装槽；所述中段可替换部分左右开设有输入端和输出端；所述输入端一分为三且单独控制，分别为抽真空端、充气端及传感器连接端；所述输出端通过防爆型高速气动阀连接透明管道，所述透明管道上部平面开设有气体压力传感器接口、温度传感器接口和气体浓度传感器接口；所述透明管道旁架设有红外热像仪和多个分体式高速摄像机；所述底段部分为倒T型结构，起密封耐高压密封腔体作用；所述T型刚性压头顶部安设有限位开关，所述腔体顶部通过T型刚性压头施加动力，所述限位开关通过连接杆控制压头限位块实现限位功能，所述连接杆安设在T型刚性压头内部，所述压头限位块位于T型刚性压头下端；所述T型刚性压头底部开设有密封凹槽并套有密封圈加以密封；

所述声发射探头安装槽中心线与输入端和输出端中心线在同一水平面且垂直于输入端和输出端中心线；

所述输出端直径d与耐高压密封腔体直径D比例范围为[1/4,1/6]；

所述气体压力传感器接口、温度传感器接口及气体浓度传感器接口为一组分布于透明管道同一截面上且沿透明管道等间距分布若干组；

所述压头限位块由附属机构A、附属机构B和附属机构C组成；所述附属机构B为弹簧，所述附属机构A钩挂附属机构C组成一整体并穿设附属机构B；

所述限位功能实现过程如下：将耐高压密封腔体各段顺次拼接且在连接处注密封胶；将T型刚性压头推入耐高压密封腔体，旋转T型刚性压头使压头限位块沿第一和第二限位槽连成的直线铅直运动，当压头限位块运动至第一或第二限位槽时，附属机构A受到附属机构B的作用卡入限位槽从而实现限位功能，此时，T型刚性压头被固定；转动T型刚性压头顶部的限位开关，在连接杆作用下，附属机构C带动附属机构B水平运动，附属机构B在附属机构C作用下将附属机构A从限位槽中水平拉出，从而实现限位解除。

2.如权利要求1所述一种煤矿复合动力灾害动力效应模拟实验装置，其特征在于，所述输入端与输出端中心线连线过该连线所在的中段可替换部分的截面的中心。

3.如权利要求1所述一种煤矿复合动力灾害动力效应模拟实验装置，其特征在于，所述透明管道通过可调支撑架支撑。

4.如权利要求1所述一种煤矿复合动力灾害动力效应模拟实验装置，其特征在于，所述限位开关与T型刚性压头顶部上表面位于同一水平面。

Images