CN114965937B - 一种考虑围岩弹性能影响的煤与瓦斯突出模拟实验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种考虑围岩弹性能影响的煤与瓦斯突出模拟实验方法，包括向腔体内装填设定强度的型煤、计算围岩弹性能并据此确定弹性储能模块中弹性构件所需施加的变形量、启动液压推进模块并利用智能控制模块控制，通过数显模块显示弹性储能模块中弹性构件的变形量使其达到第二步设置的数值、抽真空后充入设定压力的瓦斯并充分吸附、向充气气室充气使得爆破片爆破诱导突出并同步检测各参量、收集数据并准备下次实验及实验的分析及总结等七步。本发明设计精巧，方法简便，对于深入研究围岩弹性能影响下的煤岩瓦斯动力灾害具有积极意义。

Description

一种考虑围岩弹性能影响的煤与瓦斯突出模拟实验方法
技术领域
本发明属于实验技术领域，涉及一种煤与瓦斯突出模拟方法，特别涉及一种考虑围岩弹性能影响的煤与瓦斯突出模拟实验方法。
背景技术
我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，煤炭在我国能源结构中占有重要地位。尽管采取了相应的系列防控措施，但涉及煤岩瓦斯的矿井动力灾害仍有发生，归根结底是对煤岩瓦斯灾变的机理认识尚不够清晰完善。
煤与瓦斯突出是煤矿典型动力灾害之一，具有极强破坏性，严重制约煤矿安全生产。目前针对煤与瓦斯突出的研究通常集中于煤体本身以及瓦斯的作用，然而，突出的发生是煤、瓦斯及围岩(顶、底板)共同作用导致的结果。目前研究中通常将围岩(顶板及底板)弹性能忽略，这显然是不合理的。围岩弹性能是如何影响突出的，如何量化参与突出的围岩弹性能目前尚不清晰。基于此设计相关实验装置提出实验方法并开展系列实验不失为一种研究煤与瓦斯突出的合理方法和有效手段。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种考虑围岩弹性能影响的煤与瓦斯突出模拟实验方法，基于本方法可研究定量围岩弹性能对煤与瓦斯突出的影响，实验装置设计精巧，实验方法简便、易操作。
一种考虑围岩弹性能影响的煤与瓦斯突出模拟实验方法，其特征是，采用一种考虑围岩弹性能影响的煤与瓦斯突出模拟实验装置实施，包括腔体及外接于腔体上的抽真空端口、充气端口、气体压力检测端口、气体浓度检测端口及温度检测端口；所述腔体后端依次安设有液压推进模块、智能控制模块、数显模块、弹性储能模块；所述液压推进模块安设有单向阀，所述液压推进模块通过智能控制模块控制推力大小，所述弹性储能模块由刚性承压圆盘、弹性构件及透气承压滑块构成，所述刚性承压圆盘与弹性构件及透气承压滑块顺次连接；所述刚性承压圆盘上开设有密封凹槽，所述密封凹槽套有密封圈，所述数显模块用以显示弹性储能模块中弹性构件的变形量；所述腔体前端开设有设定比例的突出口，所述突出口依次外接第一夹持器、第二夹持器及防爆型透明管道，所述第一夹持器安装有第一爆破片，所述第二夹持器安装有第二爆破片，所述第一爆破片与第二爆破片之间设有充气气室，所述充气气室开设有充气口，所述防爆型透明管道开设有气体压力传感器接口及气体浓度差传感器接口，所述防爆型透明管道外侧架设有高速摄像机；
考虑围岩弹性能影响的煤与瓦斯突出模拟实验方法为：
第一步：向腔体内装填设定强度的型煤；
第二步：计算围岩弹性能并据此确定弹性储能模块中弹性构件所需施加的变形量；
第三步：启动液压推进模块并利用智能控制模块控制，通过数显模块显示弹性储能模块中弹性构件的变形量使其达到第二步设置的数值；
第四步：抽真空且完成之后充入设定压力的瓦斯并充分吸附；
第五步：向充气气室充气使得爆破片爆破诱导突出并同步检测各参量；
第六步：收集数据并准备下次实验；
第七步：考虑围岩弹性能影响的煤与瓦斯突出模拟实验的分析及总结。
所述的一种考虑围岩弹性能影响的煤与瓦斯突出模拟实验方法，其特征是，所述智能控制模块控制液压推进模块产生设定推力，使得弹性储能模块中的弹性构件产生设定变形量并通过数显模块实时显示。
所述的一种考虑围岩弹性能影响的煤与瓦斯突出模拟实验方法，其特征是，所述第二步的方法为：
式中，x为围岩弹性能影响下的弹性储能装置所需施加的变形量；σ1为煤体失稳时的应力，单位：MPa；σ0为残余应力，单位：MPa；Ec为含瓦斯煤的弹性模量，单位：GPa；k为弹性系数；δc为含瓦斯煤弹性能比例系数；γ为围岩弹性能在含瓦斯煤弹性能中的占比。
本发明具有如下有益效果：
1)本发明提供了一种考虑围岩弹性能影响的煤与瓦斯突出模拟实验装置，实现了围岩弹性能影响下的煤与瓦斯突出模拟。
2)通过理论分析计算参与突出的围岩弹性能并基于此反算弹性储能装置的变形量，最终实现围岩弹性能不同影响程度下的煤与瓦斯突出模拟，可定量分析围岩弹性能对煤与瓦斯突出的具体影响，最终实现对围岩弹性能影响下的煤与瓦斯突出更为深入的量化分析，对围岩弹性能的作用形成更为清晰的认识。
3)本发明实验装置设计精巧，实验方法简便、易操作、好实施，对于深入研究围岩弹性能影响下的煤与瓦斯突出具有重要的理论意义和工程实用价值。
附图说明
图1是本发明一种考虑围岩弹性能影响的煤与瓦斯突出模拟实验方法整体流程图。
图2是本发明一种考虑围岩弹性能影响的煤与瓦斯突出模拟实验装置整体结构图。
图3是本发明弹性储能模块结构示意图。
其中，1.腔体，2.抽真空端口，3.充气端口，4.气体压力检测端口，5.气体浓度检测端口，6.温度检测端口，7.突出口，8.第一夹持器，9.第二夹持器，10.防爆型透明管道，11.第一爆破片，12.第二爆破片，13.充气气室，14.充气口，15.液压推进模块，16.智能控制模块，17.数显模块，18.单向阀，19.刚性承压圆盘，20.弹性构件，21.透气承压滑块，22.密封凹槽，23.密封圈。
具体实施方式
为充分体现本发明的特征与优点，下面将结合附图1-图3及具体实施例予以详细叙述。
如图1-图3所示，一种考虑围岩弹性能影响的煤与瓦斯突出模拟实验方法，其特征是采用一种考虑围岩弹性能影响的煤与瓦斯突出模拟实验装置实施，所述煤与瓦斯突出模拟装置包括腔体1及外接于腔体上的抽真空端口2、充气端口3、气体压力检测端口4、气体浓度检测端口5及温度检测端口6；所述腔体前端开设有设定比例的突出口7，所述突出口依次外接第一夹持器8、第二夹持器9及防爆型透明管道10，所述第一夹持器8安装有第一爆破片11，所述第二夹持器9安装有第二爆破片12，所述第一爆破片11与第二爆破片12之间设有充气气室13，所述充气气室13开设有充气口14，所述防爆型透明管道10开设有气体压力传感器接口(未示出)及气体浓度差传感器接口(未示出)，所述防爆型透明管道110外侧架设有高速摄像机(未示出)；
所述腔体后端依次安设有液压推进模块15、智能控制模块16、数显模块17、弹性储能模块；所述液压推进模块15安设有单向阀18，所述液压推进模块15通过智能控制模块16控制推力大小，所述弹性储能模块由刚性承压圆盘19、弹性构件20及透气承压滑块21构成，所述刚性承压圆盘19与弹性构件20及透气承压滑块21顺次连接；所述刚性承压圆盘19上开设有密封凹槽22，所述密封凹槽22套有密封圈23，所述数显模块17用以显示弹性储能模块中弹性构件20的变形量；
考虑围岩弹性能影响的煤与瓦斯突出模拟实验方法为：
第一步：向腔体内装填设定强度的型煤；
第二步：根据围岩弹性能影响程度确定弹性储能装置所需施加的变形量，具体为：
式(1)中，σ1为煤体失稳时的应力，MPa；σ0为残余应力，MPa；Er、Ec分别为围岩及含瓦斯煤的弹性模量，GPa；p(x)为弹性储能函数且满足线性关系，k为弹性系数；δr、δc分别为围岩及含瓦斯煤的弹性能比例系数；式(1)满足如下关系：
式(2)中，γ为围岩弹性能在含瓦斯煤弹性能中的占比，式(2)整理得：
求解式(3)得：
式(4)即为围岩弹性能影响下的弹性储能模块中弹性构件所需施加的变形量；
第三步：启动液压推进模块并利用智能控制模块控制，通过数显模块显示弹性储能模块中弹性构件的变形量使其达到第二步设置的数值x；
第四步：抽真空且完成之后充入设定压力的瓦斯并充分吸附；
第五步：向充气气室充气使得爆破片爆破诱导突出并同步检测各参量；
第六步：收集数据并准备下次实验；
第七步：考虑围岩弹性能影响的煤与瓦斯突出模拟实验的分析及总结。
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 (2)

1.一种考虑围岩弹性能影响的煤与瓦斯突出模拟实验方法，其特征是，采用一种考虑围岩弹性能影响的煤与瓦斯突出模拟实验装置实施，所述煤与瓦斯突出模拟实验装置包括腔体及外接于腔体上的抽真空端口、充气端口、气体压力检测端口、气体浓度检测端口及温度检测端口；所述腔体后端依次安设有液压推进模块、智能控制模块、数显模块、弹性储能模块；所述液压推进模块安设有单向阀，所述液压推进模块通过智能控制模块控制推力大小，所述弹性储能模块由刚性承压圆盘、弹性构件及透气承压滑块构成，所述刚性承压圆盘与弹性构件及透气承压滑块顺次连接；所述刚性承压圆盘上开设有密封凹槽，所述密封凹槽套有密封圈，所述数显模块用以显示弹性储能模块中弹性构件的变形量；所述腔体前端开设有设定比例的突出口，所述突出口依次外接第一夹持器、第二夹持器及防爆型透明管道，所述第一夹持器安装有第一爆破片，所述第二夹持器安装有第二爆破片，所述第一爆破片与第二爆破片之间设有充气气室，所述充气气室开设有充气口，所述防爆型透明管道开设有气体压力传感器接口及气体浓度差传感器接口，所述防爆型透明管道外侧架设有高速摄像机；
考虑围岩弹性能影响的煤与瓦斯突出模拟实验方法为：
第一步：向腔体内装填设定强度的型煤；
第二步：计算围岩弹性能并据此确定弹性储能模块中弹性构件所需施加的变形量；
第三步：启动液压推进模块并利用智能控制模块控制，通过数显模块显示弹性储能模块中弹性构件的变形量使其达到第二步设置的数值；
第四步：抽真空且完成之后充入设定压力的瓦斯并充分吸附；
第五步：向充气气室充气使得爆破片爆破诱导突出并同步检测各参量；
第六步：收集数据并准备下次实验；
第七步：考虑围岩弹性能影响的煤与瓦斯突出模拟实验的分析及总结；
所述第二步的方法为：
式中，x为围岩弹性能影响下的弹性储能装置所需施加的变形量；σ1为煤体失稳时的应力，单位：MPa；σ0为残余应力，单位：MPa；Ec为含瓦斯煤的弹性模量，单位：GPa；k为弹性系数；δc为含瓦斯煤弹性能比例系数；γ为围岩弹性能在含瓦斯煤弹性能中的占比。
2.根据权利要求1所述的一种考虑围岩弹性能影响的煤与瓦斯突出模拟实验方法，其特征是，所述智能控制模块控制液压推进模块产生设定推力，使得弹性储能模块中的弹性构件产生设定变形量并通过数显模块实时显示。
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