CN113030429B - 一种多功能煤与瓦斯突出物理模拟装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种多功能煤与瓦斯突出物理模拟装置，适用于模拟煤矿井下煤与瓦斯突出突出使用。包括试验腔体、旋转机构、应力加载系统、气体渗流系统、突出巷道系统和除尘系统。其结构简单、使用方便，可实现煤体成型、煤体渗透率测试及煤与瓦斯突出多功能于一体，能够开展流固耦合条件下不同瓦斯压力、瓦斯包体积，不同地应力状态，不同煤层渗透率、厚度、倾角对突出煤粉在巷道中运动及致灾机制的影响规律试验研究。
Description
技术领域
本发明涉及一种多功能煤与瓦斯突出物理模拟装置，尤其适用于煤矿安全领域使用。
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。它能在很短的时间内，由煤体向巷道或采场突然喷出大量的瓦斯及煤岩，在煤体中形成特殊形状的孔洞，并伴随一定的动力效应，如推倒矿车、破坏支架等，喷出的煤粉可以充填数百米长的巷道，喷出的煤粉-瓦斯流有时带有暴风般的性质，瓦斯可以逆风流运行，充满数千米长的巷道。
我国是世界上突出灾害最严重的国家，自1950年吉林省辽源矿务局发生第一次突出事故以来，70年间共发生突出18000余次，占世界总突出次数的40％以上，其中强度超千吨煤岩的特大型突出次数达140次，超过世界总次数的30％以上，平均每次突出煤岩量77.5t，每次突出瓦斯量1.45万m3。截至2019年8月，全国煤矿总数5695处，其中突出矿井757处，高瓦斯矿井1024处，全国高、突矿井总数占全国矿井总数的31.3％；山西、吉林、黑龙江、安徽、江西、河南、湖南、重庆、四川、贵州、云南等省的高、突矿井总数占全国高、突矿井总数的90％以上，突出防控刻不容缓。随着煤矿开采深度和强度的不断增加，地应力与瓦斯压力不断增高，采场结构越来越复杂，突出灾害强度频次的威胁愈加严重，极易引发重特大事故，煤矿安全形势依然严峻，实现“零突出”的目标还有非常艰巨的路程要走。
鉴于突出具有突出性、隐蔽性、破坏性，现场对其进行跟踪考察难度较大，因此实验室内开展突出模拟试验是目前研究突出的主要手段，国内外也相继研究了多种类型的突出模拟试验装置。由于突出模拟试验的煤样尺寸较大，难以使用原煤开展突出模拟试验，因此多使用型煤进行压制成型。传统的型煤制作过程需要多次装煤并分批成型，容易导致煤体产生分层现象，影响试验效果。同时，对于型煤渗透率的测试需要单独制作小尺度试件(直径50mm、高度100mm)并借助其他设备进行测试，难以真实反映突出煤样的渗透率，且操作步骤繁琐。目前尚无能实现煤样成型、渗透率测试及突出集一体的试验装置。
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，能实现煤体成型、煤体渗透率测试及煤与瓦斯突出多功能于一体的多功能煤与瓦斯突出物理模拟试验装置。
为实现上述目的，本发明多功能煤与瓦斯突出物理模拟装置，包括旋转机构，旋转机构包括旋转底座，以及设置在旋转底座上的旋转框架，旋转框架内设有试验腔体，试验腔体上设有应力加载系统；
所述旋转框架包括前后设置的顶板和底板，顶板和底板的四角之间设有四根立柱从而构成笼式结构，顶板和底板通过四根立柱固定并提供反力；
所述旋转底座两端分别设有两组支撑柱，旋转底座上设有旋转轴座，其中旋转框架的底板的一侧与旋转轴座之间通过旋转轴活动连接，旋转底座一端的支撑柱与水平设置的旋转框架的顶板位置匹配，使旋转框架与旋转底座水平设置，旋转底座另一端的支撑柱与底板位置匹配，使旋转框架与旋转底座垂直设置；旋转底座中段设有横梁，横梁与顶板之间设有旋转油缸；
所述试验腔体为两端设有法兰的圆筒结构，试验腔体设置在顶板和底板之间，试验腔体的底端面通过法兰与底板固定,试验腔体的顶端面法兰上设有抱环，抱环外侧设有箍环，试验腔体内设有加载压盘，抱环与试验腔体的内壁之间设有密封圈且通过箍环固定于试验腔体端面的法兰上，加载压盘上设有用于测量透过流量的透气小孔；试验腔体的上半部分外侧设有设置有进气口，进气口上设有进气阀门，试验腔体的中部外侧设有传感器接口，试验腔体的底部设有气体渗流板，气体渗流板上开有多个渗流槽，气体渗流板与底板接触，且底板在与气体渗流板接触区域的圆心处开有通孔，通孔中通过突出口挡板密封设置有出气口，出气口上设有出气阀门；在试验腔体内加载压盘与气体渗流板之间设有煤样，其中煤样充填部分试验腔体空间，水平设置时煤样只占试验腔体下部一部分，上部空间充填瓦斯气体；
所述应力加载系统包括应力加载油缸，应力加载油缸设置在旋转框架的顶板外侧，加载油缸与设置在试验腔体内的加载压盘之间设有加载压杆，加载压杆与抱环之间设有导向带和密封圈。
拆除突出口挡板和出气口后底板露出通孔，在底板通孔外侧设置诱突结构，所述诱突结构包括筒状结构，筒状结构内先后间隔设有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筒状结构侧壁上设有气压控制接口，气压控制接口上设有控制阀门；级爆破片和二级爆破片分别连接测控系统，测控系统包括采集板和计算机，能够控制一级爆破片和二级爆破片内部压力实现精准起爆诱突，同时能实时采集试验腔体内煤试样以及突出巷道的应力、瓦斯压力、温度、声发射、电磁辐射、煤粉冲击力参数，实现突出煤粉流动过程可视化。
诱突结构的二级爆破片尾端连接有突出巷道，突出巷道为透明材料构成且侧壁设有传感器接口。
突出巷道尾端连接有除尘系统，除尘系统包括煤粉收集箱和过滤袋，煤粉收集箱内分别设有一级筛网和二级筛网，一级筛网和二级筛网既可以对不同粒度颗粒进行过滤，同时又不影响气体流动状态，过滤袋进一步对一级筛网和二级筛网无法过滤掉的小颗粒进行回收，避免突出煤体污染环境且难以完全收集，并用以分析突出煤粉的破碎及粒度分布特征从而研究煤-瓦斯两相流的冲击破坏动力效应。
装煤样成型通过旋转轴座和旋转轴将试验腔体旋转至竖直状态，测试渗透率时将试验腔体旋转至水平状。
突出腔体通旋转轴座和旋转轴过0-90度之间调整模拟不同煤层倾角；试验腔体的腔体长700mm，内径200mm，可一次成型避免煤样分层，成型后煤样距试件腔体顶端的空间用以模拟瓦斯源，且煤样厚度及瓦斯源体积可根据试验需求调整。
有益效果：
可实现煤体成型、煤体渗透率测试及煤与瓦斯突出多功能于一体，能够开展流固耦合条件下不同瓦斯压力、瓦斯包体积，不同地应力状态，不同煤层渗透率、厚度、倾角对突出煤粉在巷道中运动及致灾机制的影响规律试验研究。
附图说明：
图1为本发明多功能煤与瓦斯突出物理模拟试验装置的结构示意图。
图2为本发明多功能煤与瓦斯突出物理模拟试验装置的突出挡板结构示意图。
图3为本发明多功能煤与瓦斯突出物理模拟试验装置的诱突机构结构示意图。
图中：1-旋转框架1，2-旋转底座，3-底板3，4-旋转轴座，5-旋转轴5，6-顶板，7-横梁，8-旋转油缸8，9-试验腔体，11-立柱，12-加载压杆，13-抱环，14-加载压盘，15-导向带15，16a、b-密封圈，17-箍环，18-透气小孔18，19-进气口，20a-传感器接口A、20b-传感器接口B，21-气体渗流板，22-渗流槽，23-突出口挡板，24-出气口，25a-进气阀门，25b-出气阀门，25c-控制阀门，26-诱突结构，27a-一级爆破片，27b-二级爆破片，28-气压控制接口，29-突出巷道29，30-煤粉收集箱，31a-一级筛网，31b-二级筛网，32-过滤袋。
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，本发明的多功能煤与瓦斯突出物理模拟装置，其特征在于：它包括旋转机构，旋转机构包括旋转底座2，以及设置在旋转底座2上的旋转框架1，旋转框架1内设有试验腔体9，试验腔体9上设有应力加载系统；
所述旋转框架1包括前后设置的顶板6和底板3，顶板6和底板3的四角之间设有四根立柱11从而构成笼式结构，顶板6和底板3通过四根立柱11固定并提供反力；
所述旋转底座2两端分别设有两组支撑柱，旋转底座2上设有旋转轴座4，其中旋转框架1的底板3的一侧与旋转轴座4之间通过旋转轴5活动连接，旋转底座2一端的支撑柱与水平设置的旋转框架1的顶板6位置匹配，使旋转框架1与旋转底座2水平设置，旋转底座2另一端的支撑柱与底板3位置匹配，使旋转框架1与旋转底座2垂直设置；旋转底座2中段设有横梁7，横梁7与顶板6之间设有旋转油缸8；
如图2所示，所述试验腔体9为两端设有法兰的圆筒结构，试验腔体9设置在顶板6和底板3之间，试验腔体9的底端面通过法兰与底板3固定,试验腔体9的顶端面法兰上设有抱环13，抱环13外侧设有箍环17，试验腔体9内设有加载压盘14，抱环13与试验腔体9的内壁之间设有密封圈16b且通过箍环17固定于试验腔体9端面的法兰上，加载压盘14上设有用于测量透过流量的透气小孔18；试验腔体9的上半部分外侧设有设置有进气口19，进气口19上设有进气阀门25a，试验腔体9的中部外侧设有传感器接口A20a，试验腔体9的底部设有气体渗流板21，气体渗流板21上开有多个渗流槽22，气体渗流板21与底板3接触，且底板3在与气体渗流板21接触区域的圆心处开有通孔，通孔中通过突出口挡板23密封设置有出气口24，出气口24上设有出气阀门25b；在试验腔体9内加载压盘14与气体渗流板21之间设有煤样，其中煤样充填部分试验腔体9空间，水平设置时煤样只占试验腔体9下部一部分，上部空间充填瓦斯气体；装煤样成型通过旋转轴座4和旋转轴5将试验腔体9旋转至竖直状态，测试渗透率时将试验腔体9旋转至水平状。突出腔体9通旋转轴座4和旋转轴5过0-90度之间调整模拟不同煤层倾角；试验腔体9的腔体长700mm，内径200mm，可一次成型避免煤样分层，成型后煤样距试件腔体顶端的空间用以模拟瓦斯源，且煤样厚度及瓦斯源体积可根据试验需求调整。
所述应力加载系统包括应力加载油缸10，应力加载油缸10设置在旋转框架1的顶板6外侧，加载油缸10与设置在试验腔体9内的加载压盘14之间设有加载压杆12，加载压杆12与抱环13之间设有导向带15和密封圈16a。
如图3所示，拆除突出口挡板23和出气口24后底板3露出通孔，在底板3通孔外侧设置诱突结构26，所述诱突结构26包括筒状结构，筒状结构内先后间隔设有一级爆破片27a和二级爆破片27b，一级爆破片27a和二级爆破片27b之间的筒状结构侧壁上设有气压控制接口28，气压控制接口28上设有控制阀门25c；诱突结构26的二级爆破片27b尾端连接有突出巷道29，突出巷道29为透明材料构成且侧壁设有传感器接口B20b；一级爆破片27a和二级爆破片27b分别连接测控系统，测控系统包括采集板和计算机，能够控制一级爆破片27a和二级爆破片27b内部压力实现精准起爆诱突，同时能实时采集试验腔体9内煤试样以及突出巷道29的应力、瓦斯压力、温度、声发射、电磁辐射、煤粉冲击力参数，实现突出煤粉流动过程可视化。突出巷道29尾端连接有除尘系统，除尘系统包括煤粉收集箱30和过滤袋32，煤粉收集箱30内分别设有一级筛网31a和二级筛网31b，一级筛网31a和二级筛网31b既可以对不同粒度颗粒进行过滤，同时又不影响气体流动状态，过滤袋32进一步对一级筛网31a和二级筛网31b无法过滤掉的小颗粒进行回收，避免突出煤体污染环境且难以完全收集，并用以分析突出煤粉的破碎及粒度分布特征从而研究煤-瓦斯两相流的冲击破坏动力效应。
Claims (4)
1.一种多功能煤与瓦斯突出物理模拟装置，其特征在于：它包括旋转机构，旋转机构包括旋转底座（2），以及设置在旋转底座（2）上的旋转框架（1），旋转框架（1）内设有试验腔体（9），试验腔体（9）上设有应力加载系统；
所述旋转框架（1）包括前后设置的顶板（6）和底板（3），顶板（6）和底板（3）的四角之间设有四根立柱（11）从而构成笼式结构，顶板（6）和底板（3）通过四根立柱（11）固定并提供反力；
所述旋转底座（2）两端分别设有两组支撑柱，旋转底座（2）上设有旋转轴座（4），其中旋转框架（1）的底板（3）的一侧与旋转轴座（4）之间通过旋转轴（5）活动连接，装煤样成型通过旋转轴座（4）和旋转轴（5）将试验腔体（9）旋转至竖直状态，测试渗透率时将试验腔体（9）旋转至水平状，旋转底座（2）一端的支撑柱与水平设置的旋转框架（1）的顶板（6）位置匹配，使旋转框架（1）与旋转底座（2）水平设置，旋转底座（2）另一端的支撑柱与底板（3）位置匹配，使旋转框架（1）与旋转底座（2）垂直设置；旋转底座（2）中段设有横梁（7），横梁（7）与顶板（6）之间设有旋转油缸（8）；
所述试验腔体（9）为两端设有法兰的圆筒结构，试验腔体（9）设置在顶板（6）和底板（3）之间，试验腔体（9）的底端面通过法兰与底板（3）固定,试验腔体（9）的顶端面法兰上设有抱环（13），抱环（13）外侧设有箍环（17），试验腔体（9）内设有加载压盘（14），抱环（13）与试验腔体（9）的内壁之间设有密封圈（16b）且通过箍环（17）固定于试验腔体（9）端面的法兰上，加载压盘（14）上设有用于测量透过流量的透气小孔（18）；试验腔体（9）的上半部分外侧设有设置有进气口（19），进气口（19）上设有进气阀门（25a），试验腔体（9）的中部外侧设有传感器接口A（20a），试验腔体（9）的底部设有气体渗流板（21），气体渗流板（21）上开有多个渗流槽（22），气体渗流板（21）与底板（3）接触，且底板（3）在与气体渗流板（21）接触区域的圆心处开有通孔，通孔中通过突出口挡板（23）密封设置有出气口（24），出气口（24）上设有出气阀门（25b）；在试验腔体（9）内加载压盘（14）与气体渗流板（21）之间设有煤样，其中煤样充填部分试验腔体（9）空间，水平设置时煤样只占试验腔体（9）下部一部分，上部空间充填瓦斯气体；
所述应力加载系统包括应力加载油缸（10），应力加载油缸（10）设置在旋转框架（1）的顶板（6）外侧，应力加载油缸（10）与设置在试验腔体（9）内的加载压盘（14）之间设有加载压杆（12），加载压杆（12）与抱环（13）之间设有导向带（15）和密封圈（16a）；
拆除突出口挡板（23）和出气口（24）后底板（3）露出通孔，在底板（3）通孔外侧设置诱突结构（26），所述诱突结构（26）包括筒状结构，筒状结构内先后间隔设有一级爆破片（27a）和二级爆破片（27b），一级爆破片（27a）和二级爆破片（27b）之间的筒状结构侧壁上设有气压控制接口（28），气压控制接口（28）上设有控制阀门（25c）；一级爆破片（27a）和二级爆破片（27b）分别连接测控系统，测控系统包括采集板和计算机，能够控制一级爆破片（27a）和二级爆破片（27b）内部压力实现精准起爆诱突，同时能实时采集试验腔体（9）内煤试样以及突出巷道（29）的应力、瓦斯压力、温度、声发射、电磁辐射、煤粉冲击力参数，实现突出煤粉流动过程可视化。
2.根据权利要求1所述的多功能煤与瓦斯突出物理模拟装置，其特征在于：诱突结构（26）的二级爆破片（27b）尾端连接有突出巷道（29），突出巷道（29）为透明材料构成且侧壁设有传感器接口B（20b）。
3.根据权利要求2所述的多功能煤与瓦斯突出物理模拟装置，其特征在于：突出巷道（29）尾端连接有除尘系统，除尘系统包括煤粉收集箱（30）和过滤袋（32），煤粉收集箱（30）内分别设有一级筛网（31a）和二级筛网（31b），一级筛网（31a）和二级筛网（31b）既可以对不同粒度颗粒进行过滤，同时又不影响气体流动状态，过滤袋（32）进一步对一级筛网（31a）和二级筛网（31b）无法过滤掉的小颗粒进行回收，避免突出煤体污染环境且难以完全收集，并用以分析突出煤粉的破碎及粒度分布特征从而研究煤-瓦斯两相流的冲击破坏动力效应。
4. 根据权利要求1所述的多功能煤与瓦斯突出物理模拟装置，其特征在于：突出腔体（9）通过旋转轴座（4）和旋转轴（5）过0-90度之间调整模拟不同煤层倾角；试验腔体（9）的腔体长700 mm，内径200 mm，可一次成型避免煤样分层，成型后煤样距试件腔体顶端的空间用以模拟瓦斯源，且煤样厚度及瓦斯源体积可根据试验需求调整。
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