专利名称：构造煤卸压突出模拟实验装置的制作方法
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实验演示及相关参数测定。
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，一种是工作面开挖引起的工作面侧向卸压，其卸压范围局限于工作面附近，大约是工作面煤层厚度ι 1. 5倍范围内。另一种是开采扰动如采动应力波、爆破振动波引起的煤层深处卸压。这种卸压机制是扰动波在远离工作面的局部区域形成卸压空腔。两种卸压机制在开采过程中总是同时存在，当卸压诱致的瓦斯聚集达到一定的压力条件，突出发生。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，将容器密封并充入高压瓦斯，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。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。而真正危害巨大的是深部卸压。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、爆破震动引起的应力扰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。本专利是专门用于演示顶板断裂导致深部卸压，从而引起瓦斯突出的实验装置。 顶板断裂的引起的卸压扰动。处于上覆岩层压力作用下，煤层老顶可以简单地认为是两端固定梁。随着工作面推进和应力损伤，老顶断裂，从而工作面上方的老顶转变为一端固支， 一端自由的悬臂梁。如果断裂是突然的，或者是间歇性扩展发生的，则相当于在悬臂梁的自由端快速地施加了一个集中力F，这个力是由于梁横截面剪力失去平衡而引起的，它是一个扰动，导致在工作面前方煤层每一区域形成卸压扰动区，压力曲线P出现降低区。
发明内容
本发明是专门针对顶板断裂引起煤层深部卸压导致煤与瓦斯突出提出的，用于模拟在顶板断裂的力学条件下，深部扰动卸压导致的煤与瓦斯突出过程，并对相关的瓦斯压力参数进行测定，即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，如流体压力和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实验佐证。本发明的构造煤卸压突出模拟实验装置，包括承压箱、地应力静态加载系统、顶板扰动加载系统、数据采集系统。所述承压箱(1)由钢板焊接制成，包括型煤压制室( 和压力缓冲室( ，中间用模拟顶板(1 隔开。所述型煤压制室( 前端设置突出口 、封盖( 和柔性垫片(6)， 后端紧贴钢板设置气体整流板(7)、柔性垫片(8)、进气孔道(9)。型煤压制室( 通过气压缓冲腔(10)与进气管(11)连接。模拟顶板(1 上镶嵌一排静态压力传感器(1 。所述模拟地应力加载装置由反力架(14)、液压顶(15)、钢垫板(16)和细砂(17)组成。所述数据采集系统由一排压力传感器(1 与计算机数据采集器相连。进一步，所述型煤压制室( 通过气压缓冲腔(10)与进气管(11)连接；进一步，柔性垫片由橡胶材料制成；前端柔性垫片(6)的高度大于后端柔性垫片 (8)的高度；进一步，在模拟地应力加载时，压力缓冲室C3)填满细砂；进一步，所述模拟顶板(12)由层状板材叠合而成，厚度可以改变；模拟顶板(12) 内镶嵌一排静态压力传感器(13)；本发明的有益效果本发明提供的构造煤卸压突出模拟试验装置，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、煤样的压制厚度、煤样的压制力，以及不同的扰动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为构造煤卸压突出模拟实验装置示意图。图2为承压箱构造示意图。图3为型煤压制室构造示意图。图4为模拟顶板构造示意图。
具体实施例方式附图1为本发明模拟试验装置的结构示意图，如图所示本实施例的构造煤卸压突出模拟实验装置，包括承压箱、地应力静态加载系统、顶板扰动加载系统、数据采集系统。所述承压箱(1)由钢板焊接制成，包括型煤压制室( 和压力缓冲室( ，中间用模拟顶板(1 隔开，见图2。所述型煤压制室( 前端设置突出口 、封盖( 和柔性垫片(6)，后端紧贴钢板壁设置气体整流板(7)、柔性垫片(8)、进气孔道(9)。型煤压制室(2)通过气压缓冲腔(10)与进气管(11)连接，见图3。所述模拟地应力加载装置由反力架 (14)、液压顶(15)、钢垫板(16)和细砂(17)组成。所述数据采集系统由一排镶嵌于模拟顶板(1 上的压力传感器(1 与计算机数据采集器相连，见图4。在本实施例中，所述型煤压制室( 通过气压缓冲腔(10)与进气管(11)连接；在本实施例中，柔性垫片由橡胶材料制成；前端柔性垫片(6)的高度大于后端柔性垫片(8)的高度；在本实施例中，在模拟地应力加载时，压力缓冲室C3)填满细砂；在本实施例中，所述模拟顶板(1 由层状板材叠合而成，厚度可以改变；模拟顶板(1 内镶嵌一排静态压力传感器(13)；本发明的模拟试验方法如下(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，将煤粉分层铺在型煤压制室O)内，每层煤样压制应保持至少5 分钟，并将煤层间的压制面划碎，使煤层均勻相接，直至煤样将型煤压制室填满。实验时可选用不同压力压制煤样，也可压制不同的煤样厚度。压力由地应力加载装置提供。在煤样压制过程中，封盖( 保持封堵状态。根据每次实验前称量压制煤样的实际质量和型煤压制室容积，计算出煤样的密度和孔隙率。(2)模拟地应力在煤样最后压制完成后，安装模拟顶板(12)，保证压制煤样与模拟顶板充分紧密接触。启动地应力静态加载系统。反力架(14)提供的支撑反力，液压顶(15)输出压力经钢垫板(16)和细纱(17)的缓冲作用传递到模拟顶板(12)，形成上覆岩层压力。(3)充气渗流在施加地应力之后，开始测量原始煤样的定常渗流煤样压制完成后，撤离封盖(5)，进气管(11)接通气体加载设备，气体(CH4)经气压缓冲腔(10)和进气孔道(9)，经过气体整流板(7)，在压制室内形成整体向前推进的压力阵面，从突出口(4)溢出。通过计算采样各传感器压力，判断是否达到定常渗流。此时可根据煤样渗流的上游压力(A点)、下游压力(B点)、流量、以及传感器排开长度L(见图4)计算煤样的渗透率。(4)突出模拟实验①首先进行高压瓦斯充气，形成构造煤的赋存压力条件达到定常渗流的煤样用封盖(5)封闭，液压顶(15)加压至地应力值，保持压力不变。②接下来，在模拟顶板(1 上扰动卸压在保持封盖( 封闭条件下，在模拟顶板(1 的自由端部悬挂重物，并进行锤击， 同时观察传感器的压力变化。重物W的计算公式如下W = bqL1/2式中q是地应力数值，b为模拟顶板宽度，见图4，L1为模拟顶板悬臂段长度。③启封盖，形成突出
观察传感器的压力达到0. SMPa时，开启封盖(5)，并保持地应力不变，并持续进行锤击扰动，直至形成煤与瓦斯突出。关闭气压加载设备和地应力加载系统，结束实验。量取突出煤样的质量、突出质心距离等参数，同时记录压力传感器的数据和扰动时间。
权利要求
1.一种构造煤卸压突出模拟实验装置，其特征在于包括承压箱、地应力静态加载系统、顶板扰动加载系统和数据采集系统；所述承压箱(1)由钢板焊接制成，包括型煤压制室 (2)和压力缓冲室(3)，中间用模拟顶板(1 隔开；所述型煤压制室( 前端设置突出口、封盖( 和柔性垫片(6)，后端紧贴钢板设置气体整流板(7)、柔性垫片(8)、进气孔道 (9)；所述模拟地应力加载装置由反力架(14)、液压顶(15)、钢垫板(16)和细砂(17)组成； 所述数据采集系统由一排压力传感器(1 与计算机数据采集器相连；
2.根据权利要求1所述的构造煤卸压突出模拟实验装置，其特征在于所述型煤压制室( 通过气压缓冲腔(10)与进气管(11)连接；
3.根据权利要求1-2所述的构造煤卸压突出模拟实验装置，其特征在于柔性垫片由橡胶材料制成；前端柔性垫片(6)的高度大于后端柔性垫片(8)的高度；
4.根据权利要求1所述的构造煤卸压突出模拟实验装置，其特征在于在模拟地应力加载时，压力缓冲室C3)填满细砂；
5.根据权利要求1所述的构造煤卸压突出模拟实验装置，其特征在于所述模拟顶板(1 由层状板材叠合而成，厚度可以改变；模拟顶板(1 内镶嵌一排静态压力传感器 (13)；
6.根据权利要求1-5所述的构造煤卸压突出模拟实验装置的试验方法，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，将煤粉分层铺在型煤压制室O)内，每层煤样压制应保持至少5分钟，并将煤层间的压制面划碎，使煤层均勻相接，直至煤样将型煤压制室填满；实验时可选用不同压力压制煤样，也可压制不同的煤样厚度，压力由地应力加载装置提供，在煤样压制过程中，封盖( 保持封堵状态；根据每次实验前称量压制煤样的实际质量和型煤压制室容积，计算出煤样的密度和孔隙率；(2)模拟地应力在煤样最后压制完成后，安装模拟顶板(1 ，保证压制煤样与模拟顶板充分紧密接触，启动地应力静态加载系统反力架(14)提供支撑反力，液压顶(15)输出压力经钢垫板 (16)和细纱(17)的缓冲作用传递到模拟顶板(12)，形成上覆岩层压力；(3)充气渗流在施加地应力之后，开始测量原始煤样的定常渗流撤离封盖(5)，进气管(11)接通气体加载设备，气体(CH4)流经气压缓冲腔(10)和进气孔道(9)，经过气体整流板(7)，在压制室内形成整体向前推进的压力阵面，从突出口(4) 溢出；通过计算各传感器压力，判断是否达到定常渗流；根据煤样渗流的上游压力、下游压力、流量、以及传感器排开长度计算煤样的渗透率；(4)突出模拟实验①首先进行高压瓦斯充气，形成构造煤的赋存压力条件达到定常渗流的煤样用封盖( 封闭，液压顶(1 加压至地应力值，保持压力不变；②接下来，在模拟顶板(12)上扰动卸压在保持封盖( 封闭条件下，在模拟顶板(1 的自由端部悬挂重物，并进行锤击，同时察传感器的压力变化；重物W的计算公式如下W = bqL1/2式中q是地应力数值，b为模拟顶板宽度，L1为模拟顶板悬臂段长度； ③启封盖，形成突出观察传感器的压力达到0. SMPa时，开启封盖(5)，并保持地应力不变，并持续进行锤击扰动，直至形成煤与瓦斯突出；关闭气压加载设备和地应力加载系统，结束实验；量取突出煤样的质量、突出质心距离等参数，同时记录压力传感器的数据和扰动时间。
全文摘要
本发明涉及一种构造煤卸压突出模拟实验装置。包括承压箱、地应力静态加载系统、顶板扰动加载系统、数据采集系统。该装置用于模拟在顶板断裂的力学条件下，深部扰动卸压导致的煤与瓦斯突出过程，并对相关的瓦斯压力参数进行测定。即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，如流体压力和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实验佐证。使用时，可调整压制煤样的煤粉粒径参数、气体加载压力、煤样的压制厚度、煤样的压制力，以及不同的扰动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G01N33/00GK102297929SQ201110187459
公开日2011年12月28日 申请日期2011年7月6日 优先权日2011年7月6日
发明者叶金生, 岳高伟, 王利, 程良彦, 蔺海晓, 韩宪军 申请人:河南理工大学