CN203376216U - 煤岩冲击实验的瓦斯密封装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型为研究富含瓦斯煤岩的冲击力学特性，提供了一种富含瓦斯煤岩气固耦合状态冲击实验的试样瓦斯密封装置，包括支座、瓦斯气密封仓、密封仓盖、透射杆连接端头、入射杆连接端头、透射杆、入射杆、O型密封圈、YX型密封圈、入射杆连接端头与仓盖固定螺栓、透射杆连接端头与密封仓固定螺栓、进气孔、出气孔、电磁调节控制阀、进气调节气阀、瓦斯气罐、出气气阀、抽气泵、高频瓦斯气压传感器、超动态瓦斯压力采集仪、瓦斯压力监控仪、计算机、平衡调节螺栓，以及固定螺栓。本实用新型实现富含瓦斯煤岩冲击实验过程中试样在冲击应力波加载的过程中瓦斯含量恒定不变，为富含瓦斯煤岩力学特性研究提供一种独特的实验装置。

Description

煤岩冲击实验的瓦斯密封装置

技术领域

本实用新型属于煤岩力学特性测试技术领域，更具体地，涉及一种富含瓦斯煤岩气固耦合状态冲击加载实验的试样瓦斯密封装置。

背景技术

在地下煤炭资源的开采过程中，煤岩处于富含瓦斯状态，回采时大量使用机械化综采割煤机对煤岩进行破碎，同时采空区顶板周期跨落对工作面含瓦斯煤岩体带来动力加载，这就需要掌握含瓦斯煤岩的动态力学特性。这些动态力学特性通常是通过实验室开展各类冲击实验来获得，目前应用较广泛而且结果比较可靠的冲击实验系统是SHPB（split Hopkinsonpressure bar，分离式霍普金森压杆）装置，以及由此改进的各种变形装置。

传统的SHPB实验中，所测试试样往往是暴露在空气之中，煤岩中赋存的瓦斯暴露空气中将发生瓦斯解吸作用，导致煤岩试样内瓦斯气体脱离，试样内几乎不再含有瓦斯气体。然而，我国煤层大部分是含有丰富瓦斯(主要是甲烷CH4)的石炭二叠纪的煤层，随着煤炭资源回采深度的不断增加，煤岩体瓦斯含量也呈增加趋势，未开采煤体处于富含瓦斯状态，在地下深处的瓦斯压力可达10MPa以上，煤岩体内瓦斯含量远远高于传统实验试样中瓦斯含量，其力学特性也与传统实验结果又较大差别。当开采煤层瓦斯含量较少时，无瓦斯吸附的煤岩力学实验结果应用与采矿工程设计和施工比较合理，而当进入深部高瓦斯赋存煤层开采时，在高瓦斯压力吸附环境下，含瓦斯煤岩体的力学特性与传统实验结果具有明显区别。相关研究表明：浅部开采时所确定的矿井类型，当进入深部开采后，矿井的类型也发生转变的现象。主要表现在以下四个方面：(1)硬岩矿井向软岩矿井的转化；(2)低瓦斯矿井向高瓦斯矿井的转变；(3)非突矿井向突出矿井的转变；(4)非冲击矿井向冲击矿井的转变。引起矿井转型的根本原因在于进入深部开采后由于地质力学环境的改变引发深部煤岩、瓦斯特性的转化。地下煤炭资源开采过程中，煤层中的煤岩都是处于富含瓦斯状态，煤岩瓦斯是影响煤矿是否发生煤与瓦斯动力灾害的重要因素之一，其含瓦斯煤岩冲击力学特性与传统不含瓦斯状态截然不同。因此，研制相应的煤岩与瓦斯密封装置进行富含瓦斯煤岩的冲击力学特性实验成了当前煤岩力学领域亟待开展的工作。

专利号为CN201120313333.1的中国实用新型专利公开了一种含瓦斯煤气固耦合参数测试仪，由供气单元、抽真空单元、监测单元和控制单元构成；设置抽真空单元对整个气路系统及岩石力学实验系统和煤样进行抽气，使整个系统处于为真空状态；采用电磁控制阀实施自动监测控制；采用输出压力变送器和位移监测器实施实验参数的测量；采用监控中心、计算机和打印机实施对实验参数的监测、控制和数据输出。但是，该含瓦斯煤气固耦合参数测试仪仅能开展静态准静态加载的实验而无法针对动态加载的情形开展实验。

实用新型内容

在发展相对成熟的SHPB实验装置上开展富含瓦斯煤岩动力学实验，首先要解决的是实验过程煤岩试样的瓦斯吸附耦合及气密封问题。本实用新型以SHPB装置为基础，实用新型实验过程确保试样不离开瓦斯气体的密封装置，提供相应关键技术和产品，在SHPB上开展动态加载实验。

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种能实现煤岩试样不离开瓦斯气体，保证煤岩试样瓦斯含量，保证试样与入射杆、透射杆精确对齐的用于富含瓦斯煤岩冲击实验的试样瓦斯密封装置。

为解决上述技术问题，根据一方面，本实用新型提供了一种富含瓦斯煤岩气固耦合状态冲击实验的试样瓦斯密封装置，包括支座、瓦斯气密封仓、密封仓盖、透射杆连接端头、入射杆连接端头、透射杆、入射杆、O型密封圈、YX型密封圈、入射杆连接端头与仓盖固定螺栓、透射杆连接端头与密封仓固定螺栓、进气孔、出气孔、电磁调节控制阀、进气调节气阀、瓦斯气罐、出气气阀、抽气泵、高频瓦斯气压传感器、超动态压力采集仪、瓦斯压力监控仪、计算机、平衡调节螺栓，以及固定螺栓，其特征在于：支座上设有瓦斯气密封仓和在瓦斯气密封仓的一端的可拆卸的密封仓盖，在瓦斯气密封仓和密封仓盖连接处设有密封圈和密封仓盖固定螺栓，在瓦斯气密封仓和密封仓盖轴向中心位置分别开有空孔，两个空孔处分别设有透射杆连接端头和入射杆连接端头，透射杆连接端头与透射杆相连，入射杆连接端头与入射杆相连，在瓦斯气密封仓、密封仓盖与透射杆连接端头、入射杆连接端头连接处设有O型密封圈和YX型密封圈、入射杆连接端头与仓盖固定螺栓及六个透射杆连接端头与密封仓固定螺栓，在密封仓盖上设有进气孔和出气孔，进气孔通过电磁调节控制阀通过进气调节气阀与瓦斯气罐连接，出气孔通过出气气阀与抽气泵连接，在瓦斯气密封仓上部中心位置设有高频瓦斯气压传感器通过超动态压力采集仪通过瓦斯压力监控仪与计算机相连，在支座下部四角设有调平装置和固定装置。

进一步地，设置在瓦斯气密封仓和密封仓盖轴向中心位置的透射杆连接端头和入射杆连接端头呈亞字形，在突出部位设置有将其固定在瓦斯气密封仓和密封仓盖上的透射杆连接端头与密封仓固定螺栓和入射杆连接端头与仓盖固定螺栓，以及密封圈。

进一步地，所述的调平装置为设在所述的支座下四角的四个平衡调节螺栓。

进一步地，所述的固定装置为设在所述的支座两侧的四个固定螺栓。

本实用新型具有如下有益效果：采用上述技术方案的用于富含瓦斯煤岩冲击实验的试样瓦斯密封装置，通过密封仓与仓盖、密封仓与透射杆连接端头、仓盖与入射杆连接端头，共三处的密封圈和固定螺栓，可使煤岩试样和瓦斯气体处于密封状态，避免了瓦斯气体的大量散失，保证试样的富含瓦斯状态；安装在支座下的四个平衡调节螺丝可上下调节，保障SHPB装置中入射杆、投射杆分别与入射杆连接端头、透射杆连接端头中心对齐，并在端面保持良好接触；安装在支座下的四个固定螺栓，可与SHPB装置底座紧密接触，可保证瓦斯密封装置与SHPB装置的位置固定；通过与SHPB装置相互结合，可实现富含瓦斯煤岩气固耦合状态下冲击动态加载，模拟富含瓦斯煤岩冲击应力波加载方式，通过煤岩试样富含瓦斯特性可再现地下煤炭回采现场煤岩体受动力加载的破坏特性。对进一步研究探索深部煤炭回采过程中，采动扰动诱发煤与瓦斯动力灾害机理，进而为深部煤炭资源安全、高效回采提供理论依据。

综上所述，本实用新型是一种能实现实验过程煤岩试样不离开瓦斯气体，保证煤岩试样处于气固耦合状态及瓦斯含量，保证试样与入射杆、透射杆精确对齐的用于富含瓦斯煤岩气固耦合状态冲击实验的试样瓦斯密封装置。

附图说明

图1（a）是传统的SHPB结构示意图。

图1（b）是根据本实用新型的一个实施例的用于富含瓦斯煤岩气固耦合状态冲击实验的试样瓦斯密封装置的结构示意图；

图2是根据本实用新型的一个实施例的用于富含瓦斯煤岩气固耦合状态冲击实验的试样瓦斯密封装置剖视图；

图3是如图2所示的根据本实用新型的一个实施例的用于富含瓦斯煤岩气固耦合状态冲击实验的试样瓦斯密封装置的左视图；

图4是如图2所示的根据本实用新型的一个实施例的用于富含瓦斯煤岩气固耦合状态冲击实验的试样瓦斯密封装置的右视图；

图5是根据图2的实施例的应力波加载煤岩过程中瓦斯压力变化特性曲线；

图6是根据图2的实施例得到的煤岩在1MPa瓦斯压力下的动态应力应变曲线。

图中标号：

1—冲头；2—入射杆；3—应变片；4—试样；5—透射杆；6—吸收杆；7—试样瓦斯密封装置；8—数据采集系统；9—密封仓盖固定螺栓；10—进气孔；11—入射杆连接端头与仓盖固定螺栓；12—入射杆连接端头；13—出气孔；14—密封仓盖；15—平衡调节螺栓；16—密封圈；17—透射杆连接端头；18—固定螺栓；19—高频瓦斯气压传感器；20—瓦斯气密封仓；21—透射杆连接端头与密封仓固定螺栓；22—支座；23—进气调节气阀；24—瓦斯气罐；25—出气气阀；26—抽气泵；27—O型密封圈；28—YX型密封圈；29—超动态压力采集仪；30—瓦斯压力监控仪；31—电磁调节控制阀；32—计算机；33—SHPB实验台；34—瓦斯密封仓空孔；35—密封仓盖空孔。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施例作进一步的描述。

参见图1（b），示出了根据本实用新型的一个实施例的用于富含瓦斯煤岩气固耦合状态冲击实验的试样瓦斯密封装置的结构示意图。相比图1（a）所示的传统的SHPB结构示意图，图1（b）是传统SHPB加载新装置后的设备示意图。

图1（b）中，冲头1向入射杆2运动，入射杆2、透射杆5、吸收杆6共线，入射杆2的入射杆连接端头12与透射杆5的透射杆连接端头17之间设置有试样瓦斯密封装置7，试样瓦斯密封装置7内放置试样4，且试样4与入射杆2、透射杆5、吸收杆6共线，透射杆5远离透射杆连接端头17的一端与透射杆5连接。入射杆2、透射杆5内分别设置应变片3，数据采集系统8的两端通过应变片3分别与入射杆2和透射杆5通过双绞线连接。试样瓦斯密封装置7的下部连接有3条管路：第一条通过出气气阀25连接抽气泵26；第二条通过电磁调节控制阀31和进气调节气阀23连接瓦斯气罐24；第三条通过超动态压力采集仪29连接瓦斯压力监控仪30。其中，瓦斯压力监控仪30还连接到电磁调节控制阀31。瓦斯压力监控仪30的另一端通过信号传输线（例如数据排线等）连接计算机32。其中，抽气泵26等设备上的气孔与进气调节气阀23和出气气阀25，以及与瓦斯气罐24之间用橡胶气管连接。其中，吸收杆6的作用为：当应力波传入吸收杆6的远端头时，将由原来的压缩应力波转变为拉伸应力波，导致吸收杆6与投射杆脱离，带走系统中的应力波能量，保证入射杆和投射杆在实验过程中处于静止状态。

参见图2-3，图2为密封仓的轴线剖面图，密封仓为圆柱体，沿圆柱体的高线做剖面，得到图2。试样瓦斯密封装置7的结构是：支座22上设有瓦斯气密封仓20和在瓦斯气密封仓20的一端的可拆卸的密封仓盖14，在瓦斯气密封仓20和密封仓盖14连接处设有密封圈16和六个密封仓盖固定螺栓9，在瓦斯气密封仓20和密封仓盖14轴向中心位置分别开有瓦斯密封仓空孔34和密封仓盖空孔35，两个空孔处分别设有透射杆连接端头17和入射杆连接端头12，透射杆连接端头17与透射杆5相连，入射杆连接端头12与入射杆2相连，在瓦斯气密封仓20、密封仓盖14与透射杆连接端头17、入射杆连接端头12连接处设有O型密封圈27和YX型密封圈28、六个入射杆连接端头与仓盖固定螺栓11及六个透射杆连接端头与密封仓固定螺栓21，在密封仓盖14上设有进气孔10和出气孔13，进气孔10通过橡胶输气管连接电磁调节控制阀31通过信号传输线连接进气调节气阀23与瓦斯气罐24连接，出气孔13通过信号传输线连接出气气阀25与抽气泵26连接，在瓦斯气密封仓20上部中心位置设有高频瓦斯气压传感器19通过信号传输线连接超动态压力采集仪29通过信号传输线连接瓦斯压力监控仪30与计算机32相连，在支座22下部四角设有四个平衡调节螺栓15和四个固定螺栓18。

设置在瓦斯气密封仓20和密封仓盖14轴向中心位置的透射杆连接端头17和入射杆连接端头12呈亞字形，在突出部位是有将其固定在瓦斯气密封仓20和密封仓盖14上的透射杆连接端头与密封仓固定螺栓21和入射杆连接端头与仓盖固定螺栓11，以及密封圈16。

瓦斯压力控制由计算机32控制的瓦斯压力监控仪30设置，高频瓦斯气压传感器19通过信号传输线连接超动态压力采集仪29、电磁调节控制阀31分别与瓦斯压力监控仪30信号交互，计算机32通过信号传输线连接瓦斯压力监控仪30实施瓦斯压力控制及动态加载过程瓦斯压力参数超动态采集。

图4是如图2所示的根据本实用新型的一个实施例的用于富含瓦斯煤岩气固耦合状态冲击实验的试样瓦斯密封装置的右视图。其中详细说明了6个密封仓盖固定螺栓9和6个入射杆连接端头与仓盖固定螺栓11的相对位置关系及它们在图2的实施例中的位置结构。入射杆连接端头与仓盖固定螺栓11为沿圆柱端面均匀布置的6个螺栓，在剖面图中就只画出上下两个。

本实用新型的用于富含瓦斯煤岩气固耦合状态冲击实验的试样瓦斯密封装置的实验方法如下：

在密封仓的SHPB装置上测试瓦斯气体2MPa下煤岩的动态本构。

（1）首先将本实用新型的试样瓦斯密封装置竖直放置；

（2）将透射杆连接端头17和密封圈28放置在瓦斯气密封仓空孔34处，用密封仓固定螺栓21将透射杆连接端头17与瓦斯气密封仓20固定密封；

（3）将煤岩试样4放置在瓦斯气密封仓20内的透射杆连接端头17上，使煤岩试样4与透射杆连接端头17轴向对齐；

（4）将入射杆连接端头12放在煤岩试样4上方，保证透射杆连接端头17、试样4、入射杆连接端头12三者轴向对齐；

（5）将密封仓盖14放在瓦斯气密封仓20和入射杆连接端头12上部，通过密封圈16、密封仓盖固定螺栓9、入射杆连接端头与仓盖固定螺栓11，固定仓盖14、入射杆连接端头12，同时保证瓦斯气密封仓20内的试样4处于密封状态；

（6）将固定后的试样瓦斯密封装置水平放于实验台上，通过调节支座四角下部的平衡调节螺母15，使入射杆2与入射杆连接端头12以及透射杆连接端头17与透射杆5的精确对齐和完好接触；

（7）连接出气孔13和出气气阀25，连接进气孔10和进气调节气阀23；

（8）打开出气气阀25和抽气泵26，使所述试样瓦斯气密装置内的气体被抽出，煤岩试样4处于真空状态；

（9）关闭出气气阀25和抽气泵26，打开进气调节气阀23和瓦斯气罐24，使瓦斯气体充入所述试样瓦斯密封装置，调节进气调节气阀23使瓦斯气压在恒压状态下保持一段预设时间，直至煤岩试样4处于富含瓦斯状态；

（10）移动吸收杆6，使其与透射杆5接触并轴心对齐，其中，轴向为图1（b）中的水平方向；

（11）松开入射杆连接端头与仓盖固定螺栓11；

（12）打开数据采集系统8；

（13）关闭进气调节气阀23；

（14）发射冲头1，冲头1撞击入射杆2产生应力波，应力波通过入射杆连接端头12传入煤岩试样4，并通过透射杆连接端头17传入透射杆5并传入吸收杆6；

（15）数据采集系统8通过应变片3采集到入射杆2和透射杆5上的应力波信号，通过采集到的数据信号进行数据处理，得到该瓦斯压力下煤岩的动态力学特性曲线，如图5所示；

（16）超动态压力采集仪29（或称“超动态瓦斯压力采集仪”，“瓦斯压力测定仪”）通过高频瓦斯气压传感器19采集到应力波加载煤岩试样4过程（即，应力波从入射杆进入试样并传入投射杆中的过程）中瓦斯压力变化特性曲线。例如图6示出的煤岩在1MPa瓦斯压力下的动态应力应变曲线。

以上的各实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本实用新型的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本实用新型的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种富含瓦斯煤岩气固耦合状态冲击实验的试样瓦斯密封装置，包括支座(22)、瓦斯气密封仓(20)、密封仓盖(14)、透射杆连接端头(17)、入射杆连接端头(12)、透射杆(5)、入射杆(2)、O型密封圈(27)、YX型密封圈(28)、入射杆连接端头与仓盖固定螺栓(11)、透射杆连接端头与密封仓固定螺栓(21)、进气孔(10)、出气孔(13)、电磁调节控制阀(31)、进气调节气阀(23)、瓦斯气罐(24)、出气气阀(25)、抽气泵(26)、高频瓦斯气压传感器(19)、超动态瓦斯压力采集仪(29)、瓦斯压力监控仪(30)、计算机(32)、平衡调节螺栓(15)，以及固定螺栓(18)，其特征在于：支座(22)上设有瓦斯气密封仓(20)和在瓦斯气密封仓(20)的一端的可拆卸的密封仓盖(14)，在瓦斯气密封仓(20)和密封仓盖(14)连接处设有密封圈(16)和密封仓盖固定螺栓(9)，在瓦斯气密封仓(20)和密封仓盖(14)轴向中心位置分别开有空孔，两个空孔处分别设有透射杆连接端头(17)和入射杆连接端头(12)，透射杆连接端头(17)与透射杆(5)相连，入射杆连接端头(12)与入射杆(2)相连，在瓦斯气密封仓(20)、密封仓盖(14)与透射杆连接端头(17)、入射杆连接端头(12)连接处设有O型密封圈(27)和YX型密封圈(28)、入射杆连接端头与仓盖固定螺栓(11)及六个透射杆连接端头与密封仓固定螺栓(21)，在密封仓盖(14)上设有进气孔(10)和出气孔(13)，进气孔(10)通过电磁调节控制阀(31)通过进气调节气阀(23)与瓦斯气罐(24)连接，出气孔(13)通过出气气阀(25)与抽气泵(26)连接，在瓦斯气密封仓(20)上部中心位置设有高频瓦斯气压传感器(19)通过超动态瓦斯压力采集仪(29)通过瓦斯压力监控仪(30)与计算机(32)相连，在支座(22)下部四角设有调平装置和固定装置。

2.根据权利要求1所述的富含瓦斯煤岩气固耦合状态冲击实验的试样瓦斯密封装置，其特征在于，设置在瓦斯气密封仓(20)和密封仓盖(14)轴向中心位置的透射杆连接端头(17)和入射杆连接端头(12)呈亞字形，在突出部位设置有将其固定在瓦斯气密封仓(20)和密封仓盖(14)上的透射杆连接端头与密封仓固定螺栓(21)和入射杆连接端头与仓盖固定螺栓(11)，以及密封圈(16)。

3.根据权利要求1或2所述的富含瓦斯煤岩气固耦合状态冲击实验的试样瓦斯密封装置，其特征在于，所述的调平装置为设在所述的支座下四角的四个平衡调节螺栓(15)。

4.根据权利要求1或2所述的富含瓦斯煤岩气固耦合状态冲击实验的试样瓦斯密封装置，其特征在于，所述的固定装置为设在所述的支座两侧的四个固定螺栓(18)。

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