CN111351896A - 一种深部开采矿井复合动力灾害动力效应模拟实验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种深部开采矿井复合动力灾害动力效应模拟实验系统，包括用于充装模拟实验材料的附带限位凹槽的耐高压密封腔体，附带限位结构的T性刚性压头以及腔体上开设的输入端、输出端及相应监测器件。本发明通调整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，利用限位开关可开展动力有或无参与下的动力效应模拟实验，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
技术领域
本发明涉及室内实验设备技术领域，具体涉及一种深部开采矿井复合动力灾害动力效应模拟实验系统。
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、致灾条件的实验系统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，本发明提供一种深部开采矿井复合动力灾害动力效应模拟实验系统。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种深部开采矿井复合动力灾害动力效应模拟实验系统，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，所述腔体侧面开设有限位槽，所述腔体顶部通过T型刚性压头施加动力，所述T型刚性压头顶部安设有限位开关，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；所述腔体侧面还开设有输入端和输出端，所述输入端与输出端中心线连线过该连线所在腔体截面的中心；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。
所述附属结构B为弹簧，所述附属结构A钩挂附属结构C组成一整体并穿设附属结构B。
所述限位功能实现过程如下：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限位槽位于同一直线且沿该直线铅直运动，当运动至限位槽时，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从腔体限位凹槽中水平拉出，从而实现限位解除。
采用所述一种深部开采矿井复合动力灾害动力效应模拟实验系统的实验方法分为两种：无动力实验和有动力实验。
所述无动力实验过程如下：向耐高压密封腔体装入颗粒煤，将T型刚性压头通过限位开关限位构成密封腔体，充入吸附性气体并保持设定吸附时间并同步监测耐高压密封腔体内气压变化，当达到设定吸附时间时通过防爆型高速气动阀卸压，同步记录透明管道不同位置处的气体压力、气体浓度及温度，通过红外热像仪和分体式高速摄像机记录破碎并抛出的颗粒煤体的红外成像及运动特征；统计破碎并被抛出的颗粒煤的总量、几何特征、沿透明管道分布特征。
所述有动力实验过程如下：向耐高压密封腔体装入颗粒煤，水平旋转T型刚性压头90°使其始终处于限位解除状态，通过T型刚性压头施加对装入的颗粒煤施加预紧力，充入吸附性气体并保持设定吸附时间，通过T型刚性压头持续加载并同步监测耐高压密封腔体内气压变化，当加载到设定值时，打开防爆型高速气动阀快速卸压，同步记录透明管道不同位置处的气体压力、气体浓度及温度，通过红外热像仪和分体式高速摄像机记录破碎并抛出的颗粒煤体的红外成像及运动特征；统计破碎并被抛出的颗粒煤的总量、几何特征、沿透明管道分布特征。
所述预紧力为0.3-0.5kN；所述向耐高压密封腔体注入的吸附性气体的气压为0.1～2MPa，所述吸附时间不低于24h；所述几何所述几何特征包括粒径及比表面积，所述沿透明管道分布特征包括抛出距离及抛出速度。
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，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，具备较为广泛的应用性。
2.本发明提出的一种深部开采矿井复合动力灾害动力效应模拟实验系统，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是本发明一种深部开采矿井复合动力灾害动力效应模拟实验系统整体结构示意图。
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、3-附属机构C、4-附属机构B、5-附属机构A、6-密封凹槽、7-密封圈、8-压头限位块、9-输入端、10-输出端、11-限位槽、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、23-颗粒煤。
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5所示，一种深部开采矿井复合动力灾害动力效应模拟实验系统，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，所述腔体2侧面开设有限位槽11，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；所述腔体2侧面还开设有输入端9和输出端10，所述输入端9与输出端10中心线连线过该连线所在腔体1截面的中心；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。
所述附属结构B 4为弹簧，所述附属结构A 5钩挂附属结构C 3组成一整体并穿设附属结构B 4。
所述限位功能实现过程如下：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与限位槽11位于同一直线且沿该直线铅直运动，当运动至限位槽11时，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C3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A5从腔体限位槽11中水平拉出，从而实现限位解除。
采用所述一种深部开采矿井复合动力灾害动力效应模拟实验系统的实验方法分为两种：无动力实验和有动力实验。
所述无动力实验过程如下：向耐高压密封腔体2装入颗粒煤23，将T型刚性压头1通过限位开关1-1限位构成密封腔体，充入吸附性气体并保持设定吸附时间并同步监测耐高压密封腔体2内气压变化，当达到设定吸附时间时通过防爆型高速气动阀卸压15，同步记录透明管道16不同位置处的气体压力、气体浓度及温度，通过红外热像仪21和分体式高速摄像机22记录破碎并抛出的颗粒煤体的红外成像及运动特征；统计破碎并被抛出的颗粒煤的总量、几何特征、沿透明管道16分布特征。
所述有动力实验过程如下：向耐高压密封腔体2装入颗粒煤23，水平旋转T型刚性压头90°使其始终处于限位解除状态，通过T型刚性压头1施加对装入的颗粒煤施加预紧力，充入吸附性气体并保持设定吸附时间，通过T型刚性压头1持续加载并同步监测耐高压密封腔体2内气压变化，当加载到设定值时，打开防爆型高速气动阀15快速卸压，同步记录透明管道16不同位置处的气体压力、气体浓度及温度，通过红外热像仪21和分体式高速摄像机22记录破碎并抛出的颗粒煤体的红外成像及运动特征；统计破碎并被抛出的颗粒煤的总量、几何特征、沿透明管道分布特征。
所述预紧力为0.3-0.5kN；所述向耐高压密封腔体2注入的吸附性气体的气压为0.1～2MPa，所述吸附时间不低于24h；所述几何特征包括粒径及比表面积，所述沿透明管道16分布特征包括抛出距离及抛出速度。
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)
1.一种深部开采矿井复合动力灾害动力效应模拟实验系统，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，所述腔体侧面开设有限位槽，所述腔体顶部通过T型刚性压头施加动力，所述T型刚性压头顶部安设有限位开关，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；所述腔体侧面还开设有输入端和输出端，所述输入端与输出端中心线连线过该连线所在腔体截面的中心；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。
2.如权利要求1所述一种深部开采矿井复合动力灾害动力效应模拟实验系统，其特征在于，所述限位开关与T型刚性压头顶部位于同一水平面。
3.如权利要求1所述一种深部开采矿井复合动力灾害动力效应模拟实验系统，其特征在于，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；所述附属结构B为弹簧，所述附属结构A钩挂附属结构C组成一整体并穿设附属结构B。
4.如权利要求3所述一种深部开采矿井复合动力灾害动力效应模拟实验系统，其特征在于，所述限位功能实现过程如下：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限位槽位于同一直线且沿该直线铅直运动，当运动至限位槽时，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从腔体限位凹槽中水平拉出，从而实现限位解除。
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