CN116183864B - 多场耦合条件下轴向端面煤与瓦斯突出模拟试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多场耦合条件下轴向端面煤与瓦斯突出模拟试验系统，在主体模型的箱体底部设置四个流体注入通道，主体模型的底部铺设有防窜流板，突出气体供给管路分别接入四个流体注入通道内，突出气体供给管路包括依次通过管路相连的甲烷气瓶、气体增压泵、气体储罐、减压阀、气体压力表，在主体模型右侧的突出通道内通过夹持器安装有双爆破片作为瓦斯突出控制装置。采用从下方充气进行样品气体饱和，并增设防窜流板确保进气均匀；当样品饱和压力达到突出实验时停止饱和，在突出口通过夹持器安装双爆破片，并配备手摇式补压泵进行快速充气从而诱发突出；主体模型右侧的突出接口外通过管路连接有袋式过滤器，对突出后的气体进行过滤后再排放。

Description

多场耦合条件下轴向端面煤与瓦斯突出模拟试验系统

技术领域

本发明属于瓦斯突出模拟试验设备技术领域，具体涉及一种多场耦合条件下轴向端面煤与瓦斯突出模拟试验系统。

背景技术

现有瓦斯突出模拟试验装置普遍采用真三轴模拟试验系统，但模拟系统的突出气体供给管路、突出后气体处理装置布置不合理，造成管路复杂，突出后气体未经处理直接排放。

发明内容

本发明拟提供一种适用于多煤层瓦斯的突出模拟试验系统，优化突出气体供给管路、突出后气体处理装置，使管路结构简化，并对突出后的气体进行过滤处理。

为此，本发明所采用的技术方案为：一种多场耦合条件下轴向端面煤与瓦斯突出模拟试验系统，包括主体模型、突出气体供给管路、突出后气体处理装置，所述主体模型包括主体高压腔模块和试件箱模块，所述试件箱模块为矩形试件容纳腔，在主体模型的箱体底部设置四个流体注入通道，主体模型的底部铺设有防窜流板，所述突出气体供给管路分别接入四个流体注入通道内，突出气体供给管路包括依次通过管路相连的甲烷气瓶、气体增压泵、气体储罐、减压阀、气体压力表，在主体模型右侧的突出通道内通过夹持器安装有双爆破片作为瓦斯突出控制装置，A爆破片的爆破压力为3—5MPa，B爆破片的爆破压力为6—8MPa；在A爆破片与B爆破片之间形成的爆破空间内设置有压裂控制孔，并配备有手摇补压泵进行快速充气从而诱发突出；主体模型右侧的突出接口外通过管路连接有袋式过滤器。

作为上述方案的优选，所述突出气体供给管路接有分支，为A爆破片与B爆破片之间的压裂控制孔提供诱发突出的气源。

进一步优选为，所述主体高压腔模块为外圆内圆的高压封闭压力仓结构，且矩形试件容纳腔与高压封闭压力仓的轴心线共线；主体高压腔模块由圆筒和左右圆端盖围成，在主体高压腔模块与试件箱模块之间安装有垫块。采用外圆内方的试件箱模块安装环境，内部耐压能力更强，密封能力更好，能提供的内部耐压能高达10MPa，为瓦斯突出模拟试验提供更好的试验环境；

进一步优选为，在所述试件箱模块下方的下垫块顶部左右间隔地设槽安装有一列升降器，所述升降器能突出下垫块外，也能沉入下垫块内；所述试件箱模块的底部通过衬板左右间隔地安装有一列滚轮，当试件箱模块推入主体高压腔模块内时，升降器支撑在滚轮下方。当试件箱模块推入主体高压腔模块内时，升降器支撑在滚轮下方，能更加轻松省力地进行试件箱模块的推入拉出，提高了安装的自动化程度，使大型模拟试验操作更加轻松省力。

进一步优选为，上述的多场耦合条件下轴向端面煤与瓦斯突出模拟试验系统，还包括用于支撑主体模型的主体架，所述主体架呈矩形框架结构，主体模型置于矩形框架结构内，且主体模型的左右两端均伸到主体架外，主体架的右侧设置有转运滑轨，且转运滑轨延伸到主体高压腔模块的正下方，转运滑轨的宽度小于主体架的内空宽度；转运滑轨上滑动安装有试件箱升降转运架和右圆端盖转运架，试件箱升降转运架能进行升降运动，并用于支撑试件箱模块；右圆端盖转运架顶部呈弧形用于托起右圆端盖，试件箱升降转运架升起后正好能使试件箱模块水平推入主体高压腔模块内，试件箱升降转运架下降后顶部低于主体高压腔模块的底部，以便于滑入主体高压腔模块的下方，使得右圆端盖转运架能向左滑动到设定位置进行右圆端盖的安装。专门针对大型试件箱而设计的双转运架共用转运滑轨的结构形式，操作轻松，自动化程度高。

进一步优选为，所述主体架采用型钢焊接而成，结构强度好。

本发明的有益效果：优化管路布置，采用从下方充气进行样品气体饱和，并增设防窜流板确保进气均匀；当样品饱和压力达到突出实验时停止饱和，在突出口通过夹持器安装双爆破片，并配备手摇式补压泵进行快速充气从而诱发突出，和传统机械式诱突方式相比，该方法打开突出口更加安全、快速、彻底，不影响煤样吸附状态，对突出两相流的干扰也更小；主体模型右侧的突出接口外通过管路连接有袋式过滤器，对突出后的气体进行过滤后再排放。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为试件箱模块装入主体高压腔模块前的状态。

图3为本发明的主体模型的结构示意图。

图4为图3的内部左视图。

图5为试件箱模块的结构示意图。

图6为图4的内部左视图。

图7为加热管、控温探头、超声波探头的布置简易示图。

图8为防窜流板简易示图。

图9为主体模型的突出通道内安装双爆破片的结构。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图，对本发明作进一步说明：

如图1所示，一种多场耦合条件下轴向端面煤与瓦斯突出模拟试验系统，包括主体模型、突出气体供给管路、突出后气体处理装置。

主体模型包括主体高压腔模块和试件箱模块，所述试件箱模块为矩形试件容纳腔。在主体模型的箱体底部设置四个流体注入通道，主体模型的底部铺设有防窜流板30(如图6所示)。

突出气体供给管路分别接入四个流体注入通道内，并经过防窜流板30的匀流作用后送入试件箱内的煤试件进行气体饱和。突出气体供给管路包括依次通过管路相连的甲烷气瓶38、气体增压泵39、气体储罐40、减压阀41、气体压力表42。

在主体模型右侧的突出通道内通过夹持器43安装有双爆破片作为瓦斯突出控制装置。A爆破片44的爆破压力为3—5MPa，B爆破片45的爆破压力为6—8MPa；在A爆破片与B爆破片之间形成的爆破空间内设置有压裂控制孔48，并配备有手摇补压泵46进行快速充气从而诱发突出。主体模型右侧的突出接口外通过管路连接有袋式过滤器47，用于过滤突出气体。

最好是，突出气体供给管路接有分支，为A爆破片与B爆破片之间的压裂控制孔48提供诱发突出的气源。此时，两条管路上各自设置截止阀。

结合图3、图9所示，在主体模型的突出通道内安装双爆破片作为瓦斯突出控制装置。根据样品实验时的突出压力，选择爆破压力在3—5MPa的A爆破片44、爆破压力在6—8MPa的B爆破片45在突出通道上内外间隔安装，两个爆破片的大小规格一致。突出测试时先通过压裂控制孔48向A爆破片、B爆破片之间注入高压流体，高压流体的压力低于B爆破片的压力，然后通过主体模型箱体底部的四个流体注入通道注气进行样品气体饱和，当样品饱和压力达到突出实验时停止饱和，最后使用补压泵通过压裂控制孔向爆破片44、爆破片45之间进行快速充气从而诱发突出。

A爆破片、B爆破片分为3种不同直径规格可更换，分别为20mm、30mm与50mm。突出通道的端头安装有法兰盘41用于连接突出后固体气体处理装置。

如图2所示，除主体模型外，还包括用于支撑主体模型的主体架37、转运滑轨36、试件箱升降转运架34和右圆端盖转运架35。主体模型包括主体高压腔模块和试件箱模块两部分外。主体高压腔模块为外圆内圆的高压封闭压力仓结构，由圆筒和左右圆端盖围成，试件箱模块为矩形试件容纳腔，且矩形试件容纳腔与高压封闭压力仓的轴心线共线，在主体高压腔模块与试件箱模块之间安装有垫块。

主体架37呈矩形框架结构，主体模型的左右两端均伸到主体架37外。主体架37的右侧设置有转运滑轨36，且转运滑轨36延伸到主体高压腔模块的正下方，且转运滑轨36的宽度小于主体架37的内空宽度。转运滑轨36上滑动安装有试件箱升降转运架34和右圆端盖转运架35，试件箱升降转运架34能进行升降运动，并用于支撑试件箱模块。右圆端盖转运架35顶部呈弧形用于托起右圆端盖5，试件箱升降转运架34升起后正好能使试件箱模块水平推入主体高压腔模块内，试件箱升降转运架34下降后顶部低于主体高压腔模块的底部，以便于试件箱升降转运架滑入主体高压腔模块的下方，从而使右圆端盖转运架35能向左滑动到设定位置进行右圆端盖5的安装。

如图3—图4所示，主体高压腔模块的外壳1是采用圆环3、左圆端盖4、右圆端盖5结合螺栓围成的外圆内圆的高压封闭压力仓结构。在圆环3内壁的前后上下分别安装有前垫块2、后垫块9、上垫块10和下垫块11。前垫块2、后垫块9、上垫块10和下垫块11围成一个矩形腔正好供试件箱模块放入。

左圆端盖4上贯穿安装有轴向液压缸6，右圆端盖5的中部贯穿作为突出通道，用于安装突出接口。左圆端盖4、右圆端盖5上分别贯穿开有线束管路引出孔7，下垫块11顶部左右间隔地设槽安装有一列升降器8，升降器8能突出下垫块11外，也能沉入下垫块11内。每个升降器8采用前后间隔并对称设置的双轮结构，实现前后双支撑，受力平衡、稳定。每个升降器8采用单独的液压驱动，所有升降器8通过控制系统控制同步升降运动。

结合图3—图6所示，试件箱模块是采用左侧板12、底板13、顶板14、右侧板15、前侧板23、后侧板24结合螺栓围成的矩形试件容纳腔，矩形试件容纳腔与高压封闭压力仓的轴心线共线，确保矩形试件在主体模型内居中设置。在矩形试件容纳腔内的左侧安装有左压板16、顶部左右依次安装有若干上压板17、前部左右依次安装有若干前压板18。轴向液压缸6能穿过左侧板12与左压板16相连，每个上压板17通过贯穿安装在顶板14上的上垫块19与顶部液压缸20相连，顶部液压缸20带有液压活塞20a，通过液压活塞20a作用上垫块19，再由上压板17对矩形试件施加载荷。每个前压板18通过贯穿安装在前侧板23上的侧垫块21与侧向液压缸22相连，侧向液压缸22也带有液压活塞，通过液压活塞作用侧垫块21，再由前压板18对矩形试件施加载荷。

结合图3—图7所示，上压板17、前压板18、底板13、后侧板24上开孔安装有若干加热管27和控温探头28，上压板17、前压板18、左压板16、底板13、后侧板24、右侧板15上开孔安装有若干超声波探头29。试件箱模块的底部通过衬板25左右间隔地安装有一列滚轮26，当试件箱模块推入主体高压腔模块内时，升降器8支撑在滚轮26下方。

最好是，在轴向液压缸6的腔体上安装有高频振动器，在高压气源作用下，产生高速振动，高频振动力能通过对应的液压腔体、液压活塞、左压板16向右传递到试件上。

在底板13的正上方设置有与上压板17一一对应的防窜流板30，结合图8所示，防窜流板30上开设有中心进气孔30a和若干环绕中心进气孔30a的环形槽30b，且所有环形槽30b与中心进气孔30a通过呈发散状分布的联络槽30c连通。环形槽30b为矩形或圆形，并等距间隔分布。

进气管横向穿过试件箱模块的侧壁接入中心进气孔30a的底部，防窜流板30的上方安装有透气隔板31，在试件的左右两端安装有过滤板32，在试件的上下前后安装有密封垫33。

试件箱模块的内腔能安装长1000×宽400×高400mm的矩形试件，主体高压腔模块的内部耐压10MPa。但不限于此规格尺寸。

轴向液压缸6仅一个，最大加载压力为5000kN；顶部液压缸20、侧向液压缸22各四组，每组液压缸配备有两个并联的液压加载系统进行加压，其中一个为静载荷加载系统，另一个为动载荷加载系统，单组液压加载装置最大加载压力为3000kN，每组液压加载系统单独控制一个压板并在对应的压板上左右居中设置，轴向液压缸6、顶部液压缸20、侧向液压缸22均能进行动静载荷的加载。

Claims (4)

1.一种多场耦合条件下轴向端面煤与瓦斯突出模拟试验系统，包括主体模型、突出气体供给管路、突出后气体处理装置，所述主体模型包括主体高压腔模块和试件箱模块，所述试件箱模块为矩形试件容纳腔，其特征在于：在主体模型的箱体底部设置四个流体注入通道，主体模型的底部铺设有防窜流板，所述突出气体供给管路分别接入四个流体注入通道内，突出气体供给管路包括依次通过管路相连的甲烷气瓶（38）、气体增压泵（39）、气体储罐（40）、减压阀（41）、气体压力表（42），在主体模型右侧的突出通道内通过夹持器（43）安装有双爆破片作为瓦斯突出控制装置，A爆破片（44）的爆破压力为3—5MPa，B爆破片（45）的爆破压力为6—8MPa；在A爆破片与B爆破片之间形成的爆破空间内设置有压裂控制孔（48），并配备有手摇补压泵（46）进行快速充气从而诱发突出；主体模型右侧的突出接口外通过管路连接有袋式过滤器（47）；

在所述试件箱模块下方的下垫块（11）顶部左右间隔地设槽安装有一列升降器（8），所述升降器（8）能突出下垫块（11）外，也能沉入下垫块（11）内；所述试件箱模块的底部通过衬板（25）左右间隔地安装有一列滚轮（26），当试件箱模块推入主体高压腔模块内时，升降器（8）支撑在滚轮（26）下方；

还包括用于支撑主体模型的主体架（37），所述主体架（37）呈矩形框架结构，主体模型置于矩形框架结构内，且主体模型的左右两端均伸到主体架（37）外，主体架（37）的右侧设置有转运滑轨（36），且转运滑轨（36）延伸到主体高压腔模块的正下方，转运滑轨（36）的宽度小于主体架（37）的内空宽度；转运滑轨（36）上滑动安装有试件箱升降转运架（34）和右圆端盖转运架（35），试件箱升降转运架（34）能进行升降运动，并用于支撑试件箱模块；右圆端盖转运架（35）顶部呈弧形用于托起右圆端盖（5），试件箱升降转运架（34）升起后正好能使试件箱模块水平推入主体高压腔模块内，试件箱升降转运架（34）下降后顶部低于主体高压腔模块的底部，以便于滑入主体高压腔模块的下方，使得右圆端盖转运架（35）能向左滑动到设定位置进行右圆端盖（5）的安装。

2.按照权利要求1所述的多场耦合条件下轴向端面煤与瓦斯突出模拟试验系统，其特征在于：所述主体架（37）采用型钢焊接而成。

3.按照权利要求1所述的多场耦合条件下轴向端面煤与瓦斯突出模拟试验系统，其特征在于：所述突出气体供给管路接有分支，为A爆破片与B爆破片之间的压裂控制孔（48）提供诱发突出的气源。

4.按照权利要求1所述的多场耦合条件下轴向端面煤与瓦斯突出模拟试验系统，其特征在于：所述主体高压腔模块为外圆内圆的高压封闭压力仓结构，且矩形试件容纳腔与高压封闭压力仓的轴心线共线；主体高压腔模块由圆筒和左右圆端盖围成，在主体高压腔模块与试件箱模块之间安装有垫块。