CN116298175A - 能监测应力、温度和瓦斯压力的瓦斯突出模拟试验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种能监测应力、温度和瓦斯压力的瓦斯突出模拟试验系统，包括主体模型和突出后固体气体处理装置，在试件箱模块内上下间隔铺设有三层压实的原煤粉层，在试件箱模块内从左到右依次等距间隔布设有瓦斯压力传感器组、应力传感器组、温度传感器组，各组传感器的布设数量、位置一致，每组传感器包括八个且共面设置，以试件箱模块的X向中轴线为圆心，环向等距分为四环，第一、三环各设置有两个传感器，位于左顶点和上顶点，第二、四环各设置有两个传感器，位于右顶点和下顶点。通过优化传感器的布置方式，进行温度、应力和瓦斯压力的综合监测，以更加全面地模拟突出试验过程中的真实情况，还能对突出后的固体、气体分离后安全排放。
Description
技术领域
本发明属于瓦斯突出模拟试验设备技术领域，具体涉及一种能监测应力、温度和瓦斯压力的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，通过在试件箱模块内布置煤层，并结合埋设的传感器来监测瓦斯突出试验过程中的瓦斯压力。但现目前的试验系统中，煤层中传感器的埋设方式单一，需要布设很多的传感器才能进行充分监测。对于多煤层模拟以及如何在多煤层中利用最合理的传感器布置方式，进行温度、应力和瓦斯压力的综合监测，以更加全面地模拟突出试验过程中的真实情况，研究不够。另外，突出后固体气体未进行有效地分离过滤处理，不利用环保。
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，通过优化传感器的布置方式，进行温度、应力和瓦斯压力的综合监测，以更加全面地模拟突出试验过程中的真实情况，试验系统还能对突出后的固体、气体分离后安全排放。
为此，本发明所采用的技术方案为：一种能监测应力、温度和瓦斯压力的瓦斯突出模拟试验系统，包括主体模型和突出后固体气体处理装置，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，在试件箱模块内上下间隔铺设有三层压实的原煤粉层，各原煤粉层之间、试件箱模块的底部和顶部分别设置有岩石模拟层，在试件箱模块内从左到右依次等距间隔布设有瓦斯压力传感器组、应力传感器组、温度传感器组，各组传感器的布设数量、位置一致，每组传感器包括八个且共面设置，以试件箱模块的X向中轴线为圆心，环向等距分为四环，第一、三环各设置有两个传感器，位于左顶点和上顶点，第二、四环各设置有两个传感器，位于右顶点和下顶点；所述突出后固体气体处理装置连接在主体模型的突出接口上，突出后固体气体处理装置包括主体模型连接弯头，以及通过管道依次相连的第一级缓冲罐、第二级缓冲罐和袋式过滤器，第一级缓冲罐的侧面中部出口与第二缓冲罐的侧面中部入口通过第一管路相连，并在第一管路上安装有8mm大孔孔板用于阻隔部分大块煤粉块，第二级缓冲罐的侧面中上部出口与袋式过滤器的中上部入口通过第二管路相连，并在第二管路上安装有3mm小孔孔板用于再一次气固分离排出气体及减缓突出压力，袋式过滤器用于对突出过程中的固体进行分离与收集后气体直接排出。
作为上述方案的优选，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，上述的能监测应力、温度和瓦斯压力的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：
(1)采用三层压实的原煤粉层用于模拟多煤层瓦斯突出试验，并在试件箱模块内通过瓦斯压力、应力、温度传感器组的巧妙布置，实现利用最少数量的传感器，进行三个煤层全面综合监测；
(2)在主体模型的突出接口上连接突出后固体气体处理装置，突出后固体气体处理装置包括主体模型连接弯头、第一级缓冲罐、第二级缓冲罐、袋式过滤器、8mm大孔孔板、3mm小孔孔板，能确保突出后的固体、气体分离后安全排放。
附图说明
图1为各传感器组在试件箱模块中的空间位置。
图2为各剖面传感器布置具体位置。
图3为试件箱模块装入主体高压腔模块前的状态。
图4为本发明的主体模型的结构示意图。
图5为图4的内部左视图。
图6为试件箱模块的结构示意图。
图7为图5的内部左视图。
图8为加热管、控温探头、超声波探头的布置简易示图。
图9为防窜流板简易示图。
图10为主体模型的突出通道内安装双爆破片的结构。
图11为突出后固体气体处理装置的结构。
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，一种能监测应力、温度和瓦斯压力的瓦斯突出模拟试验系统，包括主体模型(如图4所示)和突出后固体气体处理装置(如图11所示)。
主体模型包括主体高压腔模块和试件箱模块，试件箱模块为矩形试件容纳腔。在试件箱模块内上下间隔铺设有三层压实的原煤粉层，各原煤粉层之间、试件箱模块的底部和顶部分别设置有岩石模拟层，结合图1、图2所示，在试件箱模块内从左到右依次等距间隔布设有瓦斯压力传感器组A、应力传感器组B、温度传感器组C，各组传感器的布设数量、位置一致。
每组传感器包括八个且共面设置，以试件箱模块的X向中轴线为圆心，环向等距分为四环，第一、三环各设置有两个传感器，位于左顶点和上顶点，第二、四环各设置有两个传感器，位于右顶点和下顶点。瓦斯压力传感器组A包括A1—A8共八个瓦斯压力传感器,应力传感器组B包括B1—B8共八个应力传感器、温度传感器组C包括C1—C8共八个应力传感器。其中A7、B7、C7用于监测最上部煤层，A8、B8、C8用于监测最下部煤层，剩下的传感器用于监测中间煤层。
结合图4、图10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38、爆破压力在6—8MPa的B爆破片39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40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，使用补压泵通过压裂控制孔向A爆破片38、B爆破片39之间补充注入高压流体；
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。
结合图4、图10、图11所示，突出后固体气体处理装置连接在主体模型的突出接口上。突出后固体气体处理装置包括主体模型连接弯头42，以及通过管道依次相连的第一级缓冲罐43、第二级缓冲罐44和袋式过滤器45。第一级缓冲罐的侧面中部出口与第二缓冲罐的侧面中部入口通过第一管路相连，并在第一管路上安装有8mm大孔孔板46用于阻隔部分大块煤粉块，第二级缓冲罐的侧面中上部出口与袋式过滤器的中上部入口通过第二管路相连，并在第二管路上安装有3mm小孔孔板47用于再一次气固分离排出气体及减缓突出压力，袋式过滤器用于对突出过程中的固体进行分离与收集后，气体直接排出。8mm大孔孔板46和3mm小孔孔板47分别通过管道上的两个法兰盘夹紧安装。
如图3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4—图5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4—图7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4—图8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 (5)
1.一种能监测应力、温度和瓦斯压力的瓦斯突出模拟试验系统，包括主体模型和突出后固体气体处理装置，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：在试件箱模块内上下间隔铺设有三层压实的原煤粉层，各原煤粉层之间、试件箱模块的底部和顶部分别设置有岩石模拟层，在试件箱模块内从左到右依次等距间隔布设有瓦斯压力传感器组(A)、应力传感器组(B)、温度传感器组(C)，各组传感器的布设数量、位置一致，每组传感器包括八个且共面设置，以试件箱模块的X向中轴线为圆心，环向等距分为四环，第一、三环各设置有两个传感器，位于左顶点和上顶点，第二、四环各设置有两个传感器，位于右顶点和下顶点；所述突出后固体气体处理装置连接在主体模型的突出接口上，突出后固体气体处理装置包括主体模型连接弯头(42)，以及通过管道依次相连的第一级缓冲罐(43)、第二级缓冲罐(44)和袋式过滤器(45)，第一级缓冲罐(43)的侧面中部出口与第二缓冲罐(44)的侧面中部入口通过第一管路相连，并在第一管路上安装有8mm大孔孔板(46)用于阻隔部分大块煤粉块，第二级缓冲罐(44)的侧面中上部出口与袋式过滤器(45)的中上部入口通过第二管路相连，并在第二管路上安装有3mm小孔孔板(47)用于再一次气固分离排出气体及减缓突出压力，袋式过滤器(45)用于对突出过程中的固体进行分离与收集后气体直接排出。
2.按照权利要求1所述的能监测应力、温度和瓦斯压力的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。
3.按照权利要求2所述的能监测应力、温度和瓦斯压力的瓦斯突出模拟试验系统，其特征在于：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。
4.按照权利要求2所述的能监测应力、温度和瓦斯压力的瓦斯突出模拟试验系统，其特征在于：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。
5.按照权利要求4所述的能监测应力、温度和瓦斯压力的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。
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