一种煤与瓦斯突出动力效应模拟实验方法
【专利摘要】本发明公开了一种煤与瓦斯突出动力效应模拟实验方法，按照如下步骤完成：A、准备煤与瓦斯突出实验系统，该系统包括固定在地面上的压力容器和管道系统，所述压力容器上设有进料口、充气孔和传感器孔，压力容器上设有突出口，突出口上连接泄爆装置，泄爆装置包括变径管、第一和第二爆破片，控制芯片通过所述第一传感器及所述第二传感器测的压强来控制是否向变径管及压力容器加气。B、从进料口向所述压力容器内填充煤颗粒。C、逐步向压力容器及变径管内充气增压，控制第一爆破片及第二爆破片破裂，煤与瓦斯突出。本发明最大程度地保证了动力效应的总体实验效果，为矿井煤与瓦斯突出灾害防护与控制提供理论依据。
【专利说明】一种煤与瓦斯突出动力效应模拟实验方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种煤与瓦斯突出动力效应模拟实验方法。
【背景技术】
[0002]煤与瓦斯突出是我国煤炭开采中最为严重的灾害之一。突出发生时产生的动力效应能够摧毁生产系统，造成人员伤亡，且易引发煤尘和瓦斯爆炸等重大事故。因此，要最大限度的降低灾害的破坏作用，就必须对煤与瓦斯突出的致灾机理进行研究，探索有效的灾害控制方法和措施。
[0003]由于煤与瓦斯突出的复杂性以及研究方法和手段的限制，国内外对煤与瓦斯突出后的致灾理论研究较少。突出动力灾害实验室模拟和现场实际观测都存在着无法克服的困难。虽然目前国内外学者已经开展了大量的煤与瓦斯突出实验，并取得了许多突破性的进展，但研究成果大多集中在吸附解吸规律、煤体破坏规律、地应力作用、型煤参数等方面，很多问题如煤与瓦斯突出过程中的流体运动参数及流动状态、冲击波形成机理及对主要通风设施的冲击破坏作用、破坏效果、致灾条件及预警防护等方面的研究比较少，其主要原因有:①由于固气两相流问题的复杂性，目前仍没有非常成熟的理论成果来解释两相流的运动规律；②现有的煤与瓦斯突出实验室突出模型很难达到现场实际条件的要求，动力效应实验效果不明显；③突出现场产生动力破坏和冲击的有关描述不够详细，且由于煤矿安全法规和安全设备限制，突出现场图片和视频资料很少，不利于问题的研究。以上这些原因导致突出致灾研究方面相对滞后，人们无法从根本上阐述突出所带来的危害，更无法直接应用理论分析得出的结论来指导实践。
[0004]实验室实验是了解煤与瓦斯突出的致灾及控制条件的可靠途径，通过动力效应实验研究能够更清楚地认识煤与瓦斯突出致灾机理及发生、发展规律，对有效控制煤与瓦斯突出灾害具有积极意义。
【发明内容】
[0005]本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种易于控制爆破时间、大程度地保证了动力效应的总体实验效果的煤与瓦斯突出动力效应模拟实验方法。
[0006]为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种煤与瓦斯突出动力效应模拟实验方法，其特征在于:按照如下步骤完成:
[0007]A、准备煤与瓦斯突出实验系统，该系统包括固定在地面上的压力容器和管道系统，所述压力容器顶端设有的进料口，所述压力容器的侧壁上设有充气孔和传感器孔，第一传感器从该传感器孔伸到压力容器内，所述第一传感器用于检测所述压力容器内的压强P1，第一传感器的输出端与控制芯片的第一输入端相连；
[0008]在压力容器的前下端设有突出口，在该突出口上连接泄爆装置，所述泄爆装置包括变径管，该变径管的大口径端与突出口相连，该变径管的小口径端与管道系统相连，所述变径管的两端分别装有第一爆破片和第二爆破片，所述第二爆破片靠近突出口，所述第一爆破片和第二爆破片之间的变径管上也设有充气孔，所述第一爆破片的爆破压强差为P3，所述第二爆破片的爆破压强差为P4 ;在所述第一爆破片及第二爆破片之间安装有第二传感器，所述第二传感器用于检测所述第一爆破片及第二爆破片之间的变径管内的压强P2，所述第二传感器的输出端与所述控制芯片的第二输入端相连；
[0009]所述控制芯片通过所述第一传感器及所述第二传感器测的压强来控制是否向变径管及压力容器加气；
[0010]B、从进料口向所述压力容器内填充煤颗粒；
[0011]C、调压突出
[0012]步骤1，向压力容器内充气，使得所述容器内压强为a*P，所述a是容器内压强调节系数，其中，a为不大于I的正数；所述P为压力容器实验规定所需的压强；向变径管充气，使得所述变径管压强为b*P，所述b是变径管压强调节系数；
[0013]步骤2，根据容器压强及变径管压强判断加气过程中第一爆破片或第二爆破片是否破裂；满足循环步骤I及步骤2 ;不满足，则更换泄爆装置；
[0014]步骤3，向压力容器内充气，直至容器压强等于实验规定所需的压强时，停止向罐体充气；
[0015]步骤4，向变径管充气，当变径管压强大于P3+Pm时，所述Pm为大气压强，第一爆破片破裂，继而第二爆破片也跟着破裂，煤与瓦斯突出；或者是从变径管内放气，当变径管压强小于P-P4时，所述P为单次实验设定的压力容器内的气体压强，第二爆破片破裂，继而第一爆破片也跟着破裂，煤与瓦斯突出。
[0016]本实验方法中采用的实验材料未进行应力加载和成型压制，而是采用松散煤体颗粒，从而避免了型煤压制过程对气体吸附性能、透气性、煤体破坏速度、流体流动性能等因素的影响以及压力机性能对试样尺寸的制约，最大程度地保证了动力效应的总体实验效果O
[0017]本发明从突出动力效应相似的技术角度设计实验方法，应用本发明实验方法，能够获得流体运动规律、吸附解吸规律、分选堆积特征、动力破坏特征、冲击波传播等不同研究方向的实验数据，为矿井煤与瓦斯突出灾害防护与控制提供理论依据。预期理论成果与技术开发类项目配合，能够提高我国瓦斯动力灾害防护技术与装备水平，为今后有效控制重大瓦斯动力灾害奠定基础。
[0018]本发明通过逐步向压力容器及变径管充气增压，使得压力容器及变径管安全可靠，突出口打开时间短，易于控制第一爆破片及第二爆破片破裂，继而能准确控制突出时间。泄爆时，变径管只需要充入很少的气体，泄爆装置中的第一爆破片首先破裂，第二爆破片也跟着破裂，煤与瓦斯突出。同样变径管内只需要放出很少的气体，泄爆装置中的第二爆破片首先破裂，第一爆破片也跟着破裂，煤与瓦斯突出。
[0019]在上述技术方案中:调压突出时:
[0020]在步骤I之前还包括:
[0021]步骤1.1，根据容器压强及变径管压强判断初始时第一爆破片或第二爆破片是否破裂；
[0022]步骤1.2，如果第一爆破片或第二爆破片破裂，则执行步骤1.3 ;如果第一爆破片和第二爆破片都没破裂，则执行步骤I ;
[0023]步骤1.3，更换泄爆装置；返回步骤1.1。
[0024]在上述技术方案中:所述初始时判断第一爆破片或第二爆破片是否破裂的方法为:第一表达式为:Pl-Pm>P4>Pl-P2>0且P3>P2-Pm>0 ;满足第一表达式，则没有破裂，不满足第一表达式，有破裂。
[0025]在上述技术方案中:所述b为不大于a的正数。保证压力容器内压强不小于变径管压强。
[0026]在上述技术方案中:所述a = b。压力容器及变径管每次总充气相等。
[0027]在上述技术方案中:所述根据压力容器压强及变径管压强判断加气过程中第一爆破片或第二爆破片是否破裂的方法为:第二表达式为:
[0028]a*P-Pm>P4>P0-b*P>0且P3>b*P_Pm>0 ;所述a*P为压力容器中的压强，所述b*P为变径管压强，满足第二表达式，则没有破裂，不满足第二表达式，有破裂。
[0029]在上述技术方案中:所述P4>P3。
[0030]在上述技术方案中:所述压力容器通过其下端的容器支座固定在底座上，所述底座安装在地面上。
[0031]有益效果:本发明的实验材料不需要进行应力加在和成型压制，避免了型煤压制过程对气体吸附性能、透气性、煤体破坏速度、流体流动性能等因素的影响以及压力机性能对试样尺寸的制约，最大程度地保证了动力效应的总体实验效果。其次本发明通过逐步向压力容器及变径管充气增压，使得压力容器及变径管安全可靠，突出口打开时间短，易于控制第一爆破片及第二爆破片破裂，继而能准确控制突出时间。通过本发明的实验能够获得流体运动规律、吸附解吸规律、分选堆积特征、动力破坏特征、冲击波传播等不同研究方向的实验数据，为矿井煤与瓦斯突出灾害防护与控制提供理论依据。预期理论成果与技术开发类项目配合，能够提高我国瓦斯动力灾害防护技术与装备水平，为今后有效控制重大瓦斯动力灾害奠定基础。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]图1是本发明的结构示意图；
[0033]图2为泄爆装置的结构示意图；
[0034]图3是本发明的具体流程示意图。
【具体实施方式】
[0035]下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明:
[0036]实施例1
[0037]如图1和2所示，煤与瓦斯突出实验系统包括用于充装模拟实验材料的压力容器
1、进料口 2、充气孔3、传感器孔4、突出口 5、泄爆装置6、管道系统7、底座8、容器支座9、加厚管10、第一爆破片12和第二爆破片11。
[0038]底座8通过螺栓与地面固定连接，底座8包括上平台和下平台，所述上平台和下平台之间设有用于调节相对距离的调节螺杆81 ;调节螺杆81穿过上平台并部分穿入下平台，可在杆身上设置两段相反旋向的螺纹，螺旋时实现两平台高度的调节。有利于保持压力容器I的水平度，并可以调整压力容器I的相对高度，便于压力容器I与出口装置的连接。
[0039]压力容器I为能够承载内部高压的密闭设备，压力容器I为底端设有鞍式容器支座9的卧式压力容器，鞍式容器支座9与底座8固定连接，以防止压力容器I在冲击反力作用下移动。
[0040]压力容器I的顶端设有能开闭的进料口 2，进料口 2通过阀门开启和关闭。压力容器I的侧面设有充气孔3和传感器孔4，充气孔3可与高压气瓶连接，用于充入瓦斯气体或者和压缩空气。第一传感器从该传感器孔安装到压力容器I内，第一传感器图中未画出，第一传感器用于检测所述压力容器内的压强P1，所述第一传感器的输出端与控制芯片的第一输入端相连。
[0041]压力容器I的前端的下端设有突出口 5，突出口 5上连接加厚管10，加厚管10上连接有泄爆装置6，泄爆装置6包括变径管61，该变径管61的大口径端与突出口相连，该变径管61的小口径端与管道系统7通过法兰盘相连，管道系统7为模拟矿井巷道网络的管道。管道系统7布置形式、管道截面形状、截面大小、长度等参数可根据突出现场相似比例和实验需要进行设计，并与压力容器I相互协调。所述变径管61的两端分别装有第二爆破片11和第一爆破片12，所述第二爆破片11靠近突出口 5，所述第二爆破片11和第一爆破片12之间的变径管61上也设有充气孔3，该充气孔3通过另一充气管与高压气瓶连接，所述第一爆破片12的爆破压强差为P3，所述第二爆破片11的爆破压强差为P4，需要注意，第一爆破片12压强P3或第二爆破片11压强P4为本身爆破片固有性质，在选取爆破片时，可以根据实际情况采用不同规格的爆破片。
[0042]在所述第一爆破片12及第二爆破片11之间的变径管61的侧面设有传感器孔4，第二传感器从该传感器孔4中伸到变径管61内，第二传感器图中未画出，所述第二传感器用于检测所述第一爆破片12及第二爆破片11之间的变径管61内的压强P2，所述第二传感器的输出端与所述控制芯片的第二输入端相连。
[0043]控制芯片通过第一传感器及第二传感器测的压强来控制是否向变径管内及压力容器I内加气。控制芯片采用本领域通用的技术手段实现向腔室及罐体充气，在此不作赘述。
[0044]该煤与瓦斯突出实验系统的管道系统的尾端可以设置除尘系统，主要功能是消除突出气流残余动力，过滤和收集逸出管道系统的粉尘，保持实验场地清洁，可选用干式或湿式除尘设备。除尘系统尺寸和除尘方式可根据实验要求及除尘量进行选型设计。该煤与瓦斯突出实验系统内数据采集和存储设备，用于收集突出时的数据。这些设备主要包括计算机、传感器、数据采集卡、数据采集软件、数据存储器等。
[0045]实验方法:
[0046]A、检查上述煤与瓦斯突出实验系统是否连接好。检查煤与瓦斯突出动力效应实验装置安全性。准备好煤颗粒和气体实验材料。根据实验要求，煤颗粒进行筛分，选择符合实验要求粒径的煤颗粒作为实验材料。对于大块煤样，应事先将其破碎，然后筛选所需粒度的煤体颗粒。测试煤样的基本参数，记录筛选煤样的质量、体积及其粒度分布，用于实验前后的分析对比。
[0047]B、从进料口 2向所述压力容器I内填充事先破碎和筛分好的煤颗粒，选择符合实验要求粒径的煤颗粒作为实验材料。然后安装第一和第二传感器以及其他数据采集和存储设备。
[0048]C、调压突出
[0049]步骤一、根据容器压强Pl及变径管压强P2判断初始时第一爆破片或第二爆破片是否破裂，初始时判断第一爆破片或第二爆破片是否破裂的方法为:第一表达式为:
Pl-Pm>P4>Pl-P2>0且P3>P2-Pm>0 ;满足第一表达式，则没有破裂，不满足第一表达式，有破m
? ο
[0050]步骤二，如果第一爆破片或第二爆破片破裂，则执行步骤三；如果第一爆破片和第二爆破片都没破裂，则执行步骤四。
[0051]步骤三，更换泄爆装置；返回步骤一。
[0052]步骤四，向压力容器内充气，使得所述容器压强为a*P，所述a是容器压强调节系数，其中，a为不大于I的正数；所述P为单次实验设定的压力容器内的气体压强；向变径管充气，使得所述变径管压强为b*P，所述b是变径管压强调节系数。b为不大于a的正数。在本实施例中，选择a = b = 0.8。
[0053]步骤五，根据容器压强及变径管压强判断加气过程中第一爆破片或第二爆破片是否破裂；满足循环步骤四及步骤五；不满足返回步骤三。根据容器压强及变径管压强判断加气过程中第一爆破片或第二爆破片是否破裂的方法为:第二表达式为:a*P-Pm>P4>P0-b*P>0且P3>b*P-Pm>0 ;所述a*P为压力容器中的压强，所述b*P为变径管压强，满足第二表达式，则没有破裂，不满足第二表达式，有破裂。
[0054]步骤六，向压力容器充气，直至容器压强等于单次实验设定的压力容器内的气体压强时，停止向压力容器充气。
[0055]步骤七，向变径管充气，当变径管压强大于P3+Pm时，所述Pm为大气压强，第一爆破片破裂，继而第二爆破片也跟着破裂，煤与瓦斯突出；或者是从变径管内放气，当变径管压强小于P-P4时，所述P为单次实验设定的压力容器内的气体压强，第二爆破片破裂，继而第一爆破片也跟着破裂，煤与瓦斯突出。数据采集设备自动采集突出过程中粉煤的抛出过程，测量抛出速度，以及气流压力等数据。
[0056]然后更换爆破片，改变充入的煤量和气体量、颗粒粒径、气体压力、固体颗粒类型、气体类型、巷道倾角和组合形式、出口大小，重复上述A-C的步骤，进行多次试验，分析不同试验条件下的动力效应规律。
[0057]尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解:在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
【权利要求】
1.一种煤与瓦斯突出动力效应模拟实验方法，其特征在于:按照如下步骤完成: A、准备煤与瓦斯突出实验系统，该系统包括固定在地面上的压力容器和管道系统，所述压力容器顶端设有的进料口，所述压力容器的侧壁上设有充气孔和传感器孔，第一传感器从该传感器孔伸到压力容器内，所述第一传感器用于检测所述压力容器内的压强P1，第一传感器的输出端与控制芯片的第一输入端相连； 在压力容器的前下端设有突出口，在该突出口上连接泄爆装置，所述泄爆装置包括变径管，该变径管的大口径端与突出口相连，该变径管的小口径端与管道系统相连，所述变径管的两端分别装有第一爆破片和第二爆破片，所述第二爆破片靠近突出口，所述第一爆破片和第二爆破片之间的变径管上也设有充气孔，所述第一爆破片的爆破压强差为P3，所述第二爆破片的爆破压强差为P4 ;在所述第一爆破片及第二爆破片之间安装有第二传感器，所述第二传感器用于检测所述第一爆破片及第二爆破片之间的变径管内的压强P2，所述第二传感器的输出端与所述控制芯片的第二输入端相连； 所述控制芯片通过所述第一传感器及所述第二传感器测的压强来控制是否向变径管及压力容器加气； B、从进料口向所述压力容器内填充煤颗粒； C、调压突出 步骤1，向压力容器内充气，使得所述容器内压强为a*P，所述a是容器内压强调节系数，其中，a为不大于I的正数；所述P为压力容器实验规定所需的压强；向变径管充气，使得所述变径管压强为b*P，所述b是变径管压强调节系数； 步骤2，根据容器压强及变径管压强判断加气过程中第一爆破片或第二爆破片是否破裂；满足循环步骤I及步骤2 ;不满足，则更换泄爆装置； 步骤3，向压力容器内充气，直至容器压强等于实验规定所需的压强时，停止向罐体充气; 步骤4，向变径管充气，当变径管压强大于P3+Pm时，所述Pm为大气压强，第一爆破片破裂，继而第二爆破片也跟着破裂，煤与瓦斯突出；或者是从变径管内放气，当变径管压强小于P-P4时，所述P为单次实验设定的压力容器内的气体压强，第二爆破片破裂，继而第一爆破片也跟着破裂，煤与瓦斯突出。
2.根据权利要求1所述煤与瓦斯突出动力效应模拟实验方法，其特征在于:调压突出时: 在步骤I之前还包括: 步骤1.1，根据容器压强及变径管压强判断初始时第一爆破片或第二爆破片是否破裂; 步骤1.2，如果第一爆破片或第二爆破片破裂，则执行步骤1.3 ;如果第一爆破片和第二爆破片都没破裂，则执行步骤I ; 步骤1.3，更换泄爆装置；返回步骤1.1。
3.根据权利要求2所述煤与瓦斯突出动力效应模拟实验方法，其特征在于:所述初始时判断第一爆破片或第二爆破片是否破裂的方法为:第一表达式为:Pl-Pm>P4>Pl-P2>0且P3>P2-Pm>0 ;满足第一表达式，则没有破裂，不满足第一表达式，有破裂。
4.根据权利要求1所述煤与瓦斯突出动力效应模拟实验方法，其特征在于:所述b为不大于a的正数。
5.根据权利要求1所述煤与瓦斯突出动力效应模拟实验方法，其特征在于:所述a=b0
6.根据权利要求1所述煤与瓦斯突出动力效应模拟实验方法，其特征在于:所述根据压力容器压强及变径管压强判断加气过程中第一爆破片或第二爆破片是否破裂的方法为:第二表达式为:a*P-Pm>P4>P0-b*P>0且P3>b*P-Pm>0 ;满足第二表达式，则没有破裂，不满足第二表达式，有破裂。
7.根据权利要求1所述煤与瓦斯突出动力效应模拟实验方法，其特征在于:所述P4>P3。
8.根据权利要求1所述煤与瓦斯突出动力效应模拟实验方法，其特征在于:所述压力容器通过其下端的容器支座固定在底座上，所述底座安装在地面上。
【文档编号】G01N33/22GK104181282SQ201410425731
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年8月27日 优先权日:2014年8月27日
【发明者】胡千庭, 文光才, 孙海涛, 苗法田, 马代辉, 于海云, 戴林超, 曹偈, 张淑同, 王波, 杨慧明 申请人:中煤科工集团重庆研究院有限公司