CN115219687A - 一种考虑多因素影响的煤与瓦斯突出模拟实验方法 - Google Patents

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CN115219687A CN202210637241.1A CN202210637241A CN115219687A CN 115219687 A CN115219687 A CN 115219687A CN 202210637241 A CN202210637241 A CN 202210637241A CN 115219687 A CN115219687 A CN 115219687A
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胡千庭
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胡忠经
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Abstract

本发明公开了一种考虑多因素影响的煤与瓦斯突出模拟实验方法，包括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，在第一步基础上向腔体内装填设定粒径及比例制成的型煤，抽真空且完成之后充入设定压力的瓦斯并连接气源补给装置，之后向充气气室充气使得爆破片爆破诱导突出，同步检测各参量，收集数据并准备下次实验，多因素影响下的煤与瓦斯突出模拟归纳分析总结等步骤。本发明同时提供了一种考虑顶板弹性能影响的煤与瓦斯突出模拟系统。本发明设计精巧，实验方法易操作、好实施，对于深入研究围岩弹性能及卸压区解吸瓦斯共同参与下的煤与瓦斯突出具有重要的理论意义和工程实用价值。

Description

一种考虑多因素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实验方法，特别涉及一种考虑多因素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，其中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以突出孔洞为设定对象开展研究，主要考虑突出范围内煤体做功及瓦斯作用，较少考虑突出过程中围岩作用及突出孔洞周围卸压煤体解吸瓦斯对突出的作用。然而，在煤与瓦斯突出涉及煤体的破碎及抛出过程中，围岩弹性能及卸压区解吸瓦斯均有不同程度的参与，研究中将二者忽略掉显然是不合理的。基于此，亟需设计一种相关的实验系统并基于此开展相关实验研究，进一步提高对煤与瓦斯突出机理的认识。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种考虑多因素影响的煤与瓦斯突出模拟系统，同时借助本发明提出的模拟系统开展系列实验研究，可兼顾围岩弹性能及卸压区解吸瓦斯在突出中的作用，对突出机理形成更为清晰的认识，为煤与瓦斯突出的与预测及防控提供理论支撑。
一种考虑多因素影响的煤与瓦斯突出模拟实验方法，其特征是，采用一种考虑多因素影响的煤与瓦斯突出模拟系统实施，所述突出模拟系统包括气源补给装置、突出腔体及外接于突出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及补气端口，所述气源补给装置包括补气罐体及连接补气罐体与突出腔体的补气管路，所述补气管路与补气端口连接，所述补气管路安设第一单向阀，当突出腔体内的压力低于补气罐体压力时，补气罐体通过补气管路经补气端口向突出腔体自动补气，所述突出腔体后端依次安设液压推进模块、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第二单向阀，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，所述突出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；
考虑多因素影响的煤与瓦斯突出模拟实验方法为：
第一步：向突出腔体内装填由设定粒径及比例制成的型煤；
第二步：计算围岩释放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：突出腔体抽真空且完成之后充入设定压力为p的瓦斯并充分吸附；
第五步：连接气源补给装置，具体为：向补气罐体充入设定压力为p的瓦斯并通过补气管路与补气端口连接；
第六步：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；
第七步：观测现象同时收集数据并准备下次实验；
第八步：实验的分析、总结。
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。
所述第二步的方法为：
Figure BDA0003680907420000021
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多因素影响的煤与瓦斯突出模拟系统，实现了围岩弹性能及卸压区解吸瓦斯共同参与下的煤与瓦斯突出模拟。
2)本发明提供了补气罐体，可将瓦斯压力梯度作用下向突出煤体流动并对煤体抛出做功的卸压区解吸瓦斯在突出中的作用充分考虑并通过实验开展研究。
3)本发明提供了弹性储能模块，可实现围岩弹性能不同影响程度下的煤与瓦斯突出模拟，定量分析围岩弹性能对煤与瓦斯突出的具体影响。
4)本发明实验装置设计精巧，实验方法简便、易操作、好实施，对于深入研究卸压区解吸瓦斯及围岩弹性能及共同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是本发明一种考虑多因素影响的煤与瓦斯突出模拟实验方法整体流程图。
图2是本发明一种考虑多因素影响的煤与瓦斯突出模拟装置整体结构图。
图3是本发明弹性储能装置结构示意图。
其中，1.补气罐体，2.补气管路，3.补气端口，4.第一单向阀，5.突出腔体，6.抽真空端口，7.充气端口，8.气体压力检测端口，9.气体浓度检测端口，10.温度检测端口，11.突出口，12.第一夹持器，13.第二夹持器，14.防爆型透明管道，15.第一爆破片，16.第二爆破片，17.充气气室，18.充气口，19.液压推进模块，20.智能控制模块，21.数显模块，22.第二单向阀，23.刚性承压圆盘，24.弹性构件，25.透气承压滑块，26.密封凹槽，27.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，一种考虑多因素影响的煤与瓦斯突出模拟实验方法，其特征是，采用一种考虑多因素影响的煤与瓦斯突出模拟系统实施，所述突出模拟系统包括气源补给装置、突出腔体5及外接于突出腔体5上的抽真空端口6、充气端口7、气体压力检测端口8、气体浓度检测端口9及温度检测端口10及补气端口3；所述气源补给装置包括补气罐体1及连接补气罐体1与突出腔体5的补气管路2，所述补气管路2与补气端口3连接，所述补气管路2安设第一单向阀4，当突出腔体5内的压力低于补气罐体1压力时，补气罐体1通过补气管路2经补气端口3向突出腔体5自动补气；所述突出腔体5后端依次安设液压推进模块19、智能控制模块20、数显模块21、弹性储能模块；所述液压推进模块19安设第二单向阀22，所述液压推进模块19通过智能控制模块20控制推力大小；所述弹性储能模块由刚性承压圆盘23、弹性构件24及透气承压滑块25构成，所述刚性承压圆盘23与弹性构件24及透气承压滑块25顺次连接；所述刚性承压圆盘23上开设有密封凹槽26，所述密封凹槽套26有密封圈27；所述数显模块21用以显示弹性储能模块中弹性构件24的变形量；所述突出腔体5前端开设有设定比例的突出口11，所述突出口11依次外接第一夹持器12、第二夹持器13及防爆型透明管道14，所述第一夹持器12安装有第一爆破片15，所述第二夹持器13安装有第二爆破片16，所述第一爆破片15与第二爆破片16之间设有充气气室17，所述充气气室17开设有充气口18，所述防爆型透明管道14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14外侧架设有高速摄像机(未示出)。
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。
考虑多因素影响的煤与瓦斯突出模拟实验方法为：
第一步：向突出腔体5内装填由设定粒径及比例制成的型煤；
第二步：计算围岩释放弹性能并据此确定弹性储能模块中弹性构件24所需施加的变形量；具体为：
Figure BDA0003680907420000041
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：
Figure BDA0003680907420000042
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：
Figure BDA0003680907420000043
求解式(3)得：
Figure BDA0003680907420000044
式(4)即为弹性储能模块中弹性构件24所需施加的变形量；
第三步：启动液压推进模块19并利用智能控制模块20控制，通过数显模块21显示弹性储能模块中弹性构件24的变形量使其达到第二步设置的数值；
第四步：突出腔体5抽真空且完成之后充入设定压力为p的瓦斯并充分吸附；
第五步：连接气源补给装置，具体为：向补气罐体1充入设定压力为p的瓦斯并通过补气管路2与补气端口3连接；
第六步：向充气气室17充气使得爆破片爆破诱导突出并同步检测各参量；
第七步：观测现象同时收集数据并准备下次实验；
第八步：实验分析、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 (3)

1.一种考虑多因素影响的煤与瓦斯突出模拟实验方法，其特征是，采用一种考虑多因素影响的煤与瓦斯突出模拟系统实施，所述突出模拟系统包括气源补给装置、突出腔体及外接于突出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及补气端口，所述气源补给装置包括补气罐体及连接补气罐体与突出腔体的补气管路，所述补气管路与补气端口连接，所述补气管路安设第一单向阀，当突出腔体内的压力低于补气罐体压力时，补气罐体通过补气管路经补气端口向突出腔体自动补气，所述突出腔体后端依次安设液压推进模块、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第二单向阀，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，所述突出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；
考虑多因素影响的煤与瓦斯突出模拟实验方法为：
第一步：向突出腔体内装填由设定粒径及比例制成的型煤；
第二步：计算围岩释放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：突出腔体抽真空且完成之后充入设定压力为p的瓦斯并充分吸附；
第五步：连接气源补给装置，具体为：向补气罐体充入设定压力为p的瓦斯并通过补气管路与补气端口连接；
第六步：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；
第七步：观测现象同时收集数据并准备下次实验；
第八步：实验分析、总结。
2.根据权利要求1所述一种考虑多因素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。
3.根据权利要求1所述一种考虑多因素影响的煤与瓦斯突出模拟实验方法，其特征是，所述第二步弹性储能模块中弹性构件所需施加的变形量为：
Figure FDA0003680907410000021
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。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116087457B (zh) * 2022-12-23 2023-08-29 重庆大学 分级动荷载作用诱发煤与瓦斯突出试验方法

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