CN206057093U - 一种钻屑法预测冲击地压实验模拟系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种钻屑法预测冲击地压实验模拟系统，包括用于模拟井下工作面的实验装置、用于对实验装置中的煤体进行不同支承压力加载的液压加载装置、用于对实验装置中的煤体进行不同气体压力加载的气压加载装置、用于对实验装置中的煤体进行钻屑的钻屑装置和用于称量钻屑量的称重装置；所述实验装置包括实验台底座、设置在实验台底座上且用于装载煤体的缸体和用于对缸体进行密封的密封盖。本实用新型可同时模拟矿井工作面前方煤体承受的不同的支承压力和气体压力，为井下技术人员根据工作面前方煤体的钻孔推进距离与冲击危险指标的对应关系的研究提供依据，判断前方煤体的冲击地压危险性，进而为冲击地压防治和安全生产提供依据。

Description

一种钻屑法预测冲击地压实验模拟系统

技术领域

本实用新型属于煤矿工程技术领域，具体涉及一种钻屑法预测冲击地压实验模拟系统。

背景技术

在我国，冲击地压作为一种特殊的矿压显现形式已成为煤矿开采、特别是深部开采矿井的主要灾害。钻屑法可以测定支承压力分布特点，即支承压力峰值大小及其距煤壁的远近，进而预测冲击地压。钻屑法是通过在煤层中钻入小直径钻孔，根据钻孔在不同深度钻出的煤粉量及其变化规律和有关动力现象判断冲击地压危险的一种可靠方法。但是因井下测量条件所限，煤体支承应力及瓦斯压力难以准确测定，以及井下钻屑法施工设备相对落后，及测定结果误差较大，存在较多人为因素最终导致利用钻屑法预测冲击地压的可靠性较低。

因此，为了提高井下利用钻屑法预测冲击地压的有效性，在实验室内对钻屑法预测冲击地压的过程进行精细化模拟、根据实验结果分析钻屑法预测冲击地压的机理是必要的。现有方法多采用实验机对试样煤粉加载支承压力，只能研究单一应力水平下的钻孔效应，且不能同时加载瓦斯压力，因此需要一种可以同时模拟煤矿井下支承压力和瓦斯压力的钻屑法预测冲击地压的实验室模拟系统，结构简单、设计合理，实现对钻屑法预测冲击地压全过程的动态连续监测，有助于通过钻屑法推断前方煤体地质条件，判断前方煤体的冲击地压危险性，进而为冲击地压防治和安全生产提供依据。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种钻屑法预测冲击地压实验模拟系统，其结构简单、设计合理，可同时模拟矿井工作面前方煤体承受的不同的支承压力和瓦斯压力，并可实时监测钻孔施工过程中钻机的扭矩和推力，为井下技术人员根据工作面前方煤体的钻孔推进距离与冲击危险指标的对应关系的研究提供依据，有利于通过钻屑法推断前方煤体地质条件，判断前方煤体的冲击地压危险性，进而为冲击地压防治和安全生产提供依据，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种钻屑法预测冲击地压实验模拟系统，其特征在于：包括用于模拟井下工作面的实验装置、用于对实验装置中的煤体进行不同支承压力加载的液压加载装置、用于对实验装置中的煤体进行不同气体压力加载的气压加载装置、用于对实验装置中的煤体进行钻屑的钻屑装置和用于称量钻屑量的称重装置；所述实验装置包括实验台底座、设置在实验台底座上且用于装载煤体的缸体和用于对缸体进行密封的密封盖，所述密封盖包括第一密封盖和与第一密封盖拼接的第二密封盖，所述第一密封盖和第二密封盖的拼接位置处开设有多个第一通孔，所述缸体包括底板、前侧板、后侧板、左侧板和右侧板，所述缸体前侧板上设置有第二通孔和用于密封第二通孔的挡板，所述缸体的底板内壁、左侧板内壁和右侧板内壁均设置有透气板，所述透气板上设置有导气槽和透气孔，所述缸体的底板、左侧板和右侧板上均设置有与所述透气孔对应的导气孔。

上述的一种钻屑法预测冲击地压实验模拟系统，其特征在于：所述液压加载装置包括设置在实验台底座上的实验台架、通过第一通孔伸入缸体内部的活塞柱、用于对活塞柱加压的液压千斤顶和用于对液压千斤顶提供液压动力的液压泵，所述实验台架包括多个底端固定在实验台底座上的立柱和一个固定设置在立柱顶端的千斤顶固定架，所述液压千斤顶吊装在千斤顶固定架上，所述活塞柱为“工”字型活塞柱，所述液压泵与液压千斤顶通过液压管路连接，所述液压管路包括一个液压干路和多个液压支路，所述液压干路上设置有干路液压表，每个所述液压支路上均设置有液压阀门和支路液压表，所述活塞柱、液压千斤顶和支路液压表的个数相同。

上述的一种钻屑法预测冲击地压实验模拟系统，其特征在于：所述气压加载装置包括真空泵、气体钢瓶、三通管以及通过三通管与真空泵和气体钢瓶连接的气体管路，所述三通管与气体钢瓶之间的管路上设置有第一阀门和第一压强表，所述三通管与真空泵之间的管路上设置有第二阀门，所述气体管路上连接有多个气体通道，每个所述气体通道均包括两个侧面气体支路和一个底面气体支路，两个所述侧面气体支路分别与缸体左侧板的导气孔和右侧板的导气孔相接，所述底面气体支路与缸体底板的导气孔相接，所述气体通道上设置有第三阀门和第二压强表。

上述的一种钻屑法预测冲击地压实验模拟系统，其特征在于：所述钻屑装置包括钻台、设置在钻台上的钻机和与钻机连接的钻杆，所述钻机与钻杆的连接位置处设置有用于实时监测钻杆扭矩和推力的扭矩推力传感器。

上述的一种钻屑法预测冲击地压实验模拟系统，其特征在于：所述称重装置为电子秤，所述电子秤设置在钻台的下方。

上述的一种钻屑法预测冲击地压实验模拟系统，其特征在于：还包括套装在活塞柱上用于密封第一通孔的密封圈。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点：

1、本实用新型的结构简单，设计合理，实现及使用操作方便。

2、本实用新型能根据煤矿井下工作面前方煤体支承压力特征曲线，通过改变液压千斤顶的预设压力，对模拟系统中的煤体加载不同的支承压力，操作方便，使用效果好。

3、本实用新型能依据不同矿井工作面前方煤体内瓦斯压力，通过真空泵和气体钢瓶对模拟系统中的煤体加载不同的气体压力，用以模拟瓦斯压力，实用性强，使用效果好。

4、本实用新型通过钻屑装置中的监测单元能实时监测钻孔施工过程中钻机的扭矩和推力，并通过称重装置对钻屑法得到的煤粉量进行称重，可为井下技术人员根据工作面前方煤体随钻孔推进距离与冲击危险指标的对应关系的研究提供依据，根据冲击危险指标判定前方煤体是否具有冲击危险性，对冲击地压矿井的安全生产具有重要作用。

综上所述，本实用新型结构简单、设计合理，可同时模拟矿井工作面前方煤体承受的不同的支承压力和瓦斯压力，并可实时监测钻孔施工过程中钻机的扭矩和推力，为井下技术人员根据工作面前方煤体的钻孔推进距离与冲击危险指标的对应关系的研究提供依据，有利于通过钻屑法推断前方煤体地质条件，判断前方煤体的冲击地压危险性，进而为冲击地压防治和安全生产提供依据，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为图1的左视图。

图3为本实用新型透气板的结构示意图。

图4为本实用新型密封盖的结构示意图。

附图标记说明:

1—实验台底座； 2—缸体； 3—挡板；

3-1—第二通孔； 4-透气板； 4-1—导气槽；

4-2—透气孔； 5—活塞柱； 6-1—第一密封盖；

6-2—第二密封盖； 6-3—第一通孔； 7—密封圈；

8—气体通道； 9—液压千斤顶； 10—干路液压表；

11—液压阀门； 12—实验台架； 13—液压管路；

14—支路液压表； 15—液压泵； 16—三通管；

17-气体管路； 18—第一阀门； 19—第一压强表；

20—第二阀门； 21—气体钢瓶； 22—真空泵；

23—电子秤； 24—钻机； 25—钻杆；

26—扭矩推力传感器； 27—钻台； 28—第三阀门；

29—第二压强表； 30—煤体。

具体实施方式

如图1、图2、图3和图4所示，本实用新型包括用于模拟井下工作面的实验装置、用于对实验装置中的煤体30进行不同支承压力加载的液压加载装置、用于对实验装置中的煤体30进行不同气体压力加载的气压加载装置、用于对实验装置中的煤体30进行钻屑的钻屑装置和用于称量钻屑量的称重装置；所述实验装置包括实验台底座1、设置在实验台底座1上且用于装载煤体30的缸体2和用于对缸体2进行密封的密封盖，所述密封盖包括第一密封盖6-1和与第一密封盖6-1拼接的第二密封盖6-2，所述第一密封盖6-1和第二密封盖6-2的拼接位置处开设有多个第一通孔6-3，所述缸体2包括底板、前侧板、后侧板、左侧板和右侧板，所述缸体2前侧板上设置有第二通孔3-1和用于密封第二通孔3-1的挡板3，所述缸体2的底板内壁、左侧板内壁和右侧板内壁均设置有透气板4，所述透气板4上设置有导气槽4-1和透气孔4-2，所述缸体2的底板、左侧板和右侧板上均设置有与所述透气孔4-2对应的导气孔。

如图1和图2所示，本实施例中，所述液压加载装置包括设置在实验台底座1上的实验台架12、通过第一通孔6-3伸入缸体2内部的活塞柱5、用于对活塞柱5加压的液压千斤顶9和用于对液压千斤顶9提供液压动力的液压泵15，所述实验台架12包括多个底端固定在实验台底座1上的立柱和一个固定设置在立柱顶端的千斤顶固定架，所述液压千斤顶9吊装在千斤顶固定架上，所述活塞柱5为“工”字型活塞柱，所述液压泵15与液压千斤顶9通过液压管路13连接，所述液压管路13包括一个液压干路和多个液压支路，所述液压干路上设置有干路液压表10，每个所述液压支路上均设置有液压阀门11和支路液压表14，所述活塞柱5、液压千斤顶9和支路液压表14的个数相同。

如图1和图2所示，本实施例中，所述气压加载装置包括真空泵22、气体钢瓶21、三通管16以及通过三通管16与真空泵22和气体钢瓶21连接的气体管路17，所述三通管16与气体钢瓶21之间的管路上设置有第一阀门18和第一压强表19，所述三通管16与真空泵22之间的管路上设置有第二阀门20，所述气体管路17上连接有多个气体通道8，每个所述气体通道8均包括两个侧面气体支路和一个底面气体支路，两个所述侧面气体支路分别与缸体2左侧板的导气孔和右侧板的导气孔相接，所述底面气体支路与缸体2底板的导气孔相接，所述气体通道8上设置有第三阀门28和第二压强表29。

如图2所示，本实施例中，所述钻屑装置包括钻台27、设置在钻台27上的钻机24和与钻机24连接的钻杆25，所述钻机24与钻杆25的连接位置处设置有用于实时监测钻杆25扭矩和推力的扭矩推力传感器26。

如图2所示，本实施例中，所述称重装置为电子秤23，所述电子秤23设置在钻台27的下方。

如图1所示，本实施例中，还包括套装在活塞柱5上用于密封第一通孔6-3的密封圈7。

实际操作使用过程中，首先，将缸体2固定在实验台底座1上，在缸体2的底板内壁、左侧板内壁和右侧板内壁分别铺设透气板4，所述透气板4设置有导气槽4-1的一侧紧贴缸体2的内壁，同时使透气板4的透气孔4-2与缸体2表面的导气孔相对应，并安装挡板3挡住缸体2表面的第二通孔3-1；然后，将煤体30铺设在缸体2的内腔中，并将煤体30砸实，保证上表面平整，将多个活塞柱5依次伸入缸体2内部，再安装第一密封盖6-1和第二密封盖6-2，活塞柱5与密封盖上的第一通孔6-3的接触位置用密封圈7进行密封，防止模拟瓦斯气体压力的气体泄漏；其次，将液压千斤顶9固定安装在千斤顶固定架上，液压泵15和液压千斤顶9之间用液压管路13连接，液压管路13分为液压干路和液压支路两部分，液压干路上安装有干路液压表10，液压支路上安装有液压阀门11和支路液压表14，用于观测和调整液压加载压力，液压千斤顶9的顶头压在活塞柱5上，通过活塞柱5将压力加载在煤体30上；再者，缸体2表面的导气孔通过气体通道8与气体管路17连接，气体管路17通过三通管16与真空泵22和气体钢瓶21相接，气体通道8上安装有第三阀门28和第二压强表29，三通管16与气体钢瓶21之间的气体管路17上设置有第一阀门18和气压表19，三通管16与真空泵22之间的气体管路17上设置有第二阀门20，用于观测和调整气体加载压力；接着，将钻机24安装在钻台27上，在钻机24与钻杆25的连接位置处安装扭矩推力传感器26，在钻台27的下方设置电子秤23。

根据煤矿井下工作面支承压力特征曲线，确定各个液压千斤顶9的预定压力，启动液压泵15，调整各个液压千斤顶9上的液压阀门11，使各个液压千斤顶9达到预定压力后，稳压15min；15min后，打开第二阀门20，关闭第一阀门18，打开真空泵22，对缸体2抽真空，抽真空时间保持16h以上，根据工作面前方煤体30气体压力分布情况，确定缸体2内瓦斯气体压力，关闭第二阀门20，打开第一阀门18，打开气体钢瓶21上的第一阀门18，对缸体2进行充气，充气时间保持24h以上，气体通过透气板4分散在缸体2内，气体钢瓶21内的气体为瓦斯气体、CO₂或N₂；移开挡板3，将第1根所述钻杆25安装在钻机24上，钻机24带动第1根所述钻杆25通过第二通孔3-1钻入煤体30，然后将第m根所述钻杆25安装在钻机24上，钻机24带动第m根所述钻杆25通过第二通孔3-1并沿第m-1根所述钻杆25的钻入方向钻入煤体30，其中，m＝2,3，...，n，n为≥4的正整数，直至完成第n根所述钻杆25钻入煤体30的过程，利用电子秤23分别记录除第1根以外的n-1根钻杆25的钻屑量，通过扭矩推力传感器26记录钻杆25的扭矩和推力变化情况。

保持气压加载装置模拟加载的气体压力不变的情况下，改变液压加载装置模拟加载的支承压力，得到钻屑量与支承压力的对应关系及变化规律；保持液压加载装置模拟加载的支承压力不变的情况下，改变气压加载装置模拟加载的气体压力，得到钻屑量与气体压力的对应关系及变化规律；同时改变液压加载装置模拟加载的支承压力和气压加载装置模拟加载的气体压力，得到钻杆25的推力和扭矩与实验加载条件的对应关系及变化规律。工程技术人员根据上述结果，研究工作面前方煤体30在不同支承压力和瓦斯压力条件下，冲击危险指标随钻孔推进距离的对应关系，可以根据冲击危险指标反推前方的煤体30的支承压力及瓦斯压力的情况，根据冲击危险指标判定前方煤体30是否具有冲击危险性。

以上所述，仅是本实用新型的实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。

Claims (6)

1.一种钻屑法预测冲击地压实验模拟系统，其特征在于：包括用于模拟井下工作面的实验装置、用于对实验装置中的煤体(30)进行不同支承压力加载的液压加载装置、用于对实验装置中的煤体(30)进行不同气体压力加载的气压加载装置、用于对实验装置中的煤体(30)进行钻屑的钻屑装置和用于称量钻屑量的称重装置；

所述实验装置包括实验台底座(1)、设置在实验台底座(1)上且用于装载煤体(30)的缸体(2)和用于对缸体(2)进行密封的密封盖，所述密封盖包括第一密封盖(6-1)和与第一密封盖(6-1)拼接的第二密封盖(6-2)，所述第一密封盖(6-1)和第二密封盖(6-2)的拼接位置处开设有多个第一通孔(6-3)，所述缸体(2)包括底板、前侧板、后侧板、左侧板和右侧板，所述缸体(2)前侧板上设置有第二通孔(3-1)和用于密封第二通孔(3-1)的挡板(3)，所述缸体(2)的底板内壁、左侧板内壁和右侧板内壁均设置有透气板(4)，所述透气板(4)上设置有导气槽(4-1)和透气孔(4-2)，所述缸体(2)的底板、左侧板和右侧板上均设置有与所述透气孔(4-2)对应的导气孔。

2.按照权利要求1所述的一种钻屑法预测冲击地压实验模拟系统，其特征在于：所述液压加载装置包括设置在实验台底座(1)上的实验台架(12)、通过第一通孔(6-3)伸入缸体(2)内部的活塞柱(5)、用于对活塞柱(5)加压的液压千斤顶(9)和用于对液压千斤顶(9)提供液压动力的液压泵(15)，所述实验台架(12)包括多个底端固定在实验台底座(1)上的立柱和一个固定设置在立柱顶端的千斤顶固定架，所述液压千斤顶(9)吊装在千斤顶固定架上，所述活塞柱(5)为“工”字型活塞柱，所述液压泵(15)与液压千斤顶(9)通过液压管路(13)连接，所述液压管路(13)包括一个液压干路和多个液压支路，所述液压干路上设置有干路液压表(10)，每个所述液压支路上均设置有液压阀门(11)和支路液压表(14)，所述活塞柱(5)、液压千斤顶(9)和支路液压表(14)的个数相同。

3.按照权利要求1或2所述的一种钻屑法预测冲击地压实验模拟系统，其特征在于：所述气压加载装置包括真空泵(22)、气体钢瓶(21)、三通管(16)以及通过三通管(16)与真空泵(22)和气体钢瓶(21)连接的气体管路(17)，所述三通管(16)与气体钢瓶(21)之间的管路上设置有第一阀门(18)和第一压强表(19)，所述三通管(16)与真空泵(22)之间的管路上设置有第二阀门(20)，所述气体管路(17)上连接有多个气体通道(8)，每个所述气体通道(8)均包括两个侧面气体支路和一个底面气体支路，两个所述侧面气体支路分别与缸体(2)左侧板的导气孔和右侧板的导气孔相接，所述底面气体支路与缸体(2)底板的导气孔相接，所述气体通道(8)上设置有第三阀门(28)和第二压强表(29)。

4.按照权利要求3所述的一种钻屑法预测冲击地压实验模拟系统，其特征在于：所述钻屑装置包括钻台(27)、设置在钻台(27)上的钻机(24)和与钻机(24)连接的钻杆(25)，所述钻机(24)与钻杆(25)的连接位置处设置有用于实时监测钻杆(25)扭矩和推力的扭矩推力传感器(26)。

5.按照权利要求4所述的一种钻屑法预测冲击地压实验模拟系统，其特征在于：所述称重装置为电子秤(23)，所述电子秤(23)设置在钻台(27)的下方。

6.按照权利要求2所述的一种钻屑法预测冲击地压实验模拟系统，其特征在于：还包括套装在活塞柱(5)上用于密封第一通孔(6-3)的密封圈(7)。