专利名称：卸压构造煤固-流转化参数实验测定装置及方法
技术领域：
本发明涉及煤矿地下开采煤与瓦斯突出预测领域，特别是涉及煤与瓦斯突出模拟试验参数的测定。
背景技术：
构造煤是一种在压性、压扭性、剪切构造应力作用下形成的塑性剪切流变体，在未受到采动或地震等外界扰动的条件下，作为一种含能材料被围岩和构造应力封存。在卸压时，即转化为气-固两相流体，透过煤层向工作面溢出或渗出，压力较高时冲破前方阻挡的煤体，形成煤与瓦斯突出，给矿山生产和矿工生命带来重大危害。就卸压机制而言，基本可分为两种，一种是开挖引起的侧向卸压，另一种是开采扰动如采动应力、爆破振动引起的深部卸压。近些年来，针对侧向卸压引起的煤与瓦斯突出，陆续开展了一些物理模拟试验和数值试验。物理模拟试验分为一维的激波管试验和三维试验台模拟试验。前者是在激波管内压制含瓦斯煤，并用铝箔密封，然后迅速启膜使构造煤与外界大气相通，从而形成瓦斯卸压，瓦斯在卸压面解析并向空气逸散，同时卸压面沿激波管向深部煤层传播，形成持续煤与瓦斯突出。三维试验台模拟是在一个槽形容器内压制含瓦斯构造煤，将容器密封并冲入高压瓦斯，在容器上部向构造煤施加压力，然后打开设置在容器一侧的预留开口装置，这样在上部压力驱动下，煤与瓦斯从预留开口处突出。可以说两种试验装置都在某种程度上反映了煤与瓦斯突出的物理过程，对提高煤与瓦斯的预测水平起到很好的作用。基于以上物理模型，现在煤与瓦斯突出的数值模拟实际上是一个流-固耦合模型，即煤体损伤、断裂的演化过程中耦合了瓦斯的压力作用——从全场渗流平均场的角度，研究煤与瓦斯的相互作用煤体从均勻分布的微损伤，经过损伤局部化，最后串级长大形成宏观大断裂，导致瓦斯渗流向断裂带的局部集中，形成高压区，推动煤体突出。上述模型属于侧向卸压，可以解释采掘工作面附近的小规模煤体破坏、瓦斯溢出，其动力现象的剧烈程度较弱，还不能称为突出ο所谓深部卸压是指卸压非直接开挖引起，而是由于煤层顶板断裂引起的应力扰动、爆破震动在远离开挖自由面引起的卸压机制。这种卸压机制常发生在距离采掘工作面一定距离的煤层深部和石门揭煤工程。煤层突然卸压导致卸压空腔产生，构造煤将由高压固态向两相流体(煤颗粒+瓦斯气体)转化，空腔内流体积聚、压力增大、对外膨胀做功，推动煤体向工作面抛出，从而形成煤与瓦斯突出。这种突出的形成过程比较隐蔽，突出强度往往很大，因此它所造成的危害比第一种卸压机制(工作面侧向卸压)引起的煤与瓦斯溢出 (倾出)大得多。
发明内容
本发明是专门针对深部卸压引起的煤与瓦斯突出提出的，专门用于测定深部卸压空腔内构造煤由固体向两相流体转化过程的各种状态参数，如流体压力、温度、转化阵面传播速度等，从而为认识深部卸压引起的煤与瓦斯突出的形成过程、突出强度评价和数值模拟提供基础性数据和物理模型。本发明的卸压构造煤固-流转化参数实验测定装置，包括煤样室、加卸压装置、气压加载设备、数据采集系统、固定支撑系统。所述煤样室由钢筒制成，钢筒两端分别设置有底封盖和顶封盖通过螺栓与钢筒连接。底封盖设置有中心孔道与所述气压加载设备连接。 顶封盖设置有三个行星孔道，绕中心呈120°间隔排列，供压力传递杆穿过。所述加卸压装置由压力封堵盖、压力传递杆、压力承台、压力垫板、活塞和压力缸组成。所述数据采集系统由镶嵌在钢筒壁和压力封堵盖上的传感器、电缆、数据采集器和计算机组成。所述固定支撑系统由反力架和支撑架组成。进一步，压力传递杆一端与压力封堵盖固定连接，另一端与压力承台固定连接。活塞驱动压力承台的作用力通过压力传递杆驱使压力封堵盖在钢筒内运动。进一步，压力封堵盖上设置至少两个螺栓孔道，用于镶嵌温度传感器和压力传感器。压力封堵盖侧沿设置凹槽，用于安装密封圈。进一步，所述钢筒壁上的传感器设置至少为两行，沿钢筒轴线方向线性排列，一排为温度传感器，另一排为压力传感器。进一步，底封盖在煤样室侧设置底槽用于安装泡沫金属网，底封盖中心设置进气管，与气体加载设备相连。进一步，顶封盖还设置有中心孔道，用于封堵盖上传感器的电缆线输出。进一步，所述固定支撑系统的支架至少为三个，钢筒安装在两个支撑架上，压力缸安放在另一个支架上。进一步，靠近底封盖的反力架立柱上设置有进气管通道。本发明的有益效果本发明提供的卸压构造煤固-流转化参数实验测定装置，能够模拟煤层由于深部卸压机制引起的高压瓦斯包形成过程，并对该过程的两相流体压力、 温度以及固-流转化阵面的传播速度进行测定。为煤与瓦斯突出的基础理论和数值模拟提供理论模型和基础数据。使用时，可调整压制煤样的煤粉粒径参数、气体加载压力、煤样的压制长度、煤样的压制力，获得不同的试验结果。本发明结构简单，造价低，操作简单。
图1为本发明试验装置结构示意图。图2为本发明试验装置支撑固定结构示意图。
具体实施例方式附图1为本发明试验装置的结构示意图，如图所示本实施例的卸压构造煤固-流转化参数试验测定装置，包括煤样室、加卸压装置、气压加载设备、数据采集系统、固定支撑系统。所述煤样室由钢筒(1)制成，钢筒两端分别设置有底封盖(2)和顶封盖(17)通过螺栓(7)与钢筒(1)连接。底封盖( 设置有中心孔道(6)与所述气压加载设备连接。顶封盖(17)设置有三个孔道，绕中心呈120°间隔排列，供压力传递杆(8)穿过。所述加卸压装置由压力封堵盖(3)、压力传递杆(8)、压力承台(9)、压力垫板(10)、活塞(11)、压力缸 (19)和活塞底座(1 组成。所述数据采集系统由镶嵌在钢筒(1)壁和压力封堵盖(3)上的传感器(13、14)、电缆(15)、数据采集器和计算机组成。所述固定支撑系统由反力架和支撑架OO)组成。在本实施例中，压力传递杆(8) —端与压力封堵盖C3)固定连接，另一端与压力承台(9)固定连接。活塞(11)驱动压力承台(9)的作用力通过压力传递杆(8)驱使压力封堵盖⑶在钢筒⑴内运动。在本实施例中，压力封堵盖(3)上设置至少两个螺栓孔道，用于镶嵌温度传感器和压力传感器。压力封堵盖侧缘设置凹槽，用于安装密封圈G)。在本实施例中，所述钢筒壁上的传感器(13、14)设置至少为两行，沿钢筒轴线方向线性排列，一排为温度传感器，另一排为压力传感器。在本实施例中，底封盖在煤样室侧设置底槽用于安装泡沫金属网(5)，底封盖(2) 中心设置进气管(6)，与气体加载设备相连。在本实施例中，顶封盖还设置有中心孔道(16)，用于封堵盖C3)上传感器的电缆线输出。在本实施例中，所述固定支撑系统的支架至少为三个，钢筒(1)安装在两个支撑架上，压力缸(19)安放在另一个支架上。在本实施例中，靠近底封盖O)的反力架的立柱上设置有进气管通道02)。本发明的参数测定方法如下(1)煤样压制。从现场构造煤层中取样经过粉碎、筛选，然后将筛选好不同粒径 (目)的煤粉进行配比，并掺入适量的水分，将煤粉分段压制于钢筒1内，压制后每段煤长度与钢筒直径相当；每段煤样(18)压制应保持至少5分钟，并将煤段间的压制面划碎，使煤段均勻相接。实验时可选用不同压力压制煤样，也可压制不同的煤样长度。压力由加卸压装置提供。在煤样压制过程中，压力封堵盖C3)不安装传感器，待煤样最后压制完成，安装传感器。根据每次实验前称量压制煤样的实际质量和长度，从而计算出煤样的密度和孔隙率。(2)充气渗流。在煤样最后压制完成后，先测量原始煤样的定常渗流煤样完成后，撤离压力封堵盖(3)，进气管(6)接通气体加载设备，气体(CH4)经泡沫金属网( 过滤形成在钢筒横截面整体推进的压力阵面，通过计算机采样各测点压力， 判断是否达到定常渗流。此时可根据钢筒上游压力、下游压力、流量、以及煤样长度等计算煤样的渗透率。接下来，进行高压瓦斯充气，形成构造煤的赋存压力条件达到定常渗流的煤样用压力封堵盖(3)封闭，钢筒⑴端部用顶封盖(17)封闭。 活塞(11)加压至地应力值，保持压力不变，在压力封堵盖C3)安装温度传感器和压力传感器。通过进气管(6)继续向钢筒中的煤样内充气，直至形成地下构造煤的瓦斯压力，关闭进气管(6)阀门。(3)卸压-固-流转化待钢筒内的瓦斯压力达到地下瓦斯压力时，压力缸(19)卸压，迅速移去钢垫板 (10)，压力封堵盖(3)附近迅速形成卸压区，构造煤开始由固态向两相流体转化，转化形成的流体压力和温度由压力封堵盖C3)上的传感器测得，固-流转化阵面的传播速度由钢筒 ⑴壁上的压力传感器(13)和温度传感器(14)测得。(4)数据传输和处理
压力传感器和温度传感器数据经电缆(15)，进入多通道数据采集器(A/D)，输出数字信号，保存下来。计算机安装信号处理软件，对数据进行处理。通过对钢筒(1)不同位置的压力传感器记录的初至压力的时间差，以及传感器的间隔距离，计算出传播阵面的传播速度。流体压力变化和温度变化直接由压力封堵盖( 上的温度传感器和压力传感器读取。
权利要求
1.一种卸压构造煤固-流转化参数实验测定装置，包括煤样室、加卸压装置、气压加载设备、数据采集系统、固定支撑系统，其特征在于所述煤样室由钢筒(1)制成，钢筒两端分别设置有底封盖( 和顶封盖(17)，上述两个封盖通过螺栓(7)与钢筒(1)连接，底封盖 (2)设置有中心孔道(6)与所述气压加载设备连接，顶封盖(17)设置有三个孔道，绕中心呈120°间隔排列，供压力传递杆⑶穿过；所述加卸压装置由压力封堵盖(3)、压力传递杆(8)、压力承台(9)、压力垫板(10)、活塞(11)和压力缸(19)组成，活塞(11)驱动压力承台(9)的作用力通过压力传递杆(8)驱使压力封堵盖C3)在钢筒(1)内运动；所述数据采集系统由镶嵌在钢筒⑴壁上和压力封堵盖⑶上的传感器(13、14)、电缆(15)、数据采集器和计算机组成；所述固定支撑系统由反力架和支撑架00)组成；
2.根据权利要求1所述的构造煤固-流转化参数实验测定装置，其特征在于，压力传递杆(8) —端与压力封堵盖(3)固定连接，另一端与压力承台(9)固定连接；
3.根据权利要求1所述的构造煤固-流转化参数实验测定装置，其特征在于，压力封堵盖C3)上设置至少两个螺栓孔道，用于镶嵌温度传感器和压力传感器，且压力封堵盖(3) 侧沿设置凹槽，用于安装密封圈；
4.根据权利要求1-3任一项所述的构造煤固-流转化参数实验测定装置，其特征在于， 所述钢筒壁上的传感器(13、14)设置至少为两行，沿钢筒轴线方向线性排列，一排为温度传感器，另一排为压力传感器；
5.根据权利要求1-3任一项所述的构造煤固-流转化参数实验测定装置，其特征在于， 底封盖在煤样室侧设置底槽用于安装泡沫金属网(5)，底封盖中心设置进气管(6)，与气压加载设备相连；
6.根据权利要求1-3任一项所述的构造煤固-流转化参数实验测定装置，其特征在于， 顶封盖(17)还设置有中心孔道(16)，用于封堵盖C3)上传感器的电缆线输出；
7.根据权利要求1-3任一项所述的构造煤固-流转化参数实验测定装置，其特征在于， 所述固定支撑系统的支架至少为三个，钢筒(1)安装在两个支撑架上，压力缸(19)安放在另一个支架上；
8.根据权利要求1-3任一项所述的构造煤固-流转化参数实验测定装置，其特征在于， 靠近底封盖的反力架立柱上设置有进气管通道02)；
9.根据权利要求1-8所述的构造煤固流转化参数实验测定装置进行的参数测定方法， 其特征在于，(1)煤样压制，从现场构造煤层中取样经过粉碎、筛选，然后将筛选好不同粒径(目)的煤粉进行配比，并掺入适量的水分，将煤粉分段压制于钢筒内，压制后每段煤样长度与钢筒 (1)直径相当；每段煤样(18)压制应保持至少5分钟，并将煤段间的压制面划碎，使煤段均勻相接；实验时可选用不同压力压制煤样，也可压制不同的煤样长度，压力由加卸压装置提供； 在煤样压制过程中，压力封堵盖C3)不安装传感器，待煤样最后压制完成，安装传感器；根据每次实验前称量压制煤样的实际质量和长度，从而计算出煤样的密度和孔隙率；(2)充气渗流，煤样压制完成后，撤离压力封堵盖(3)，进气管(6)接通气体加压设备， 气体(CH4)经泡沫金属网( 过滤形成在钢筒横截面整体推进的压力阵面，通过计算机采样各测点压力，判断是否达到定常渗流，此时可根据钢筒上游压力、下游压力、流量、以及煤样长度等计算煤样的渗透率；接下来，进行高压瓦斯充气，形成构造煤的赋存压力条件达到定常渗流的煤样用压力封堵盖C3)封住，钢筒端部用顶封盖(17)封闭，活塞加压至地应力压力，保持压力不变，在压力封堵盖安装温度传感器和压力传感器；通过进气管 (6)继续向钢筒中的煤样内充气，直至形成地下构造煤的瓦斯压力，关闭进气管(6)阀门；(3)卸压-固-流转化，待钢筒内的瓦斯压力达到地下瓦斯压力时，压力缸(19)卸压， 迅速移去钢垫板(10)，压力封堵盖(3)附近迅速形成卸压区，构造煤开始由固态向两相流体转化，转化形成的流体压力和温度由压力封堵盖C3)上的传感器测得，固-流转化阵面的传播速度由钢筒1壁上的压力传感器(1 和温度传感器(14)测得；(4)数据传输和处理，压力传感器和温度传感器数据经电缆(15)，进入多通道数据采集器(A/D)，输出数字信号；计算机安装信号处理软件，对数据进行处理；通过对不同位置的压力传感器记录的初至压力的时间差，以及传感器的间隔距离，计算出传播阵面的传播速度；流体压力变化和温度变化直接由压力封堵盖C3)上的温度传感器和压力传感器读取。
全文摘要
本发明提供了一种卸压构造煤固-流转化参数实验测定装置及方法，包括煤样室、加卸压装置、气压加载设备、数据采集系统、固定支撑系统。该装置能够模拟煤层由于深部卸压机制引起的高压瓦斯包形成过程，并对该过程的两相流体压力、温度以及固-流转化阵面的传播速度进行测定，为煤与瓦斯突出的基础理论和数值模拟提供理论模型和基础数据。使用时，可调整压制煤样的煤粉粒径参数、气体加载压力、煤样的压制长度、煤样的压制力，获得不同的试验结果。本发明结构简单，造价低，操作简单。
文档编号G01N19/00GK102252957SQ201110097059
公开日2011年11月23日 申请日期2011年4月19日 优先权日2011年4月19日
发明者常旭, 廖明成, 毛元春, 王云飞, 王利, 王正一, 陈亚娟 申请人:河南理工大学