一种煤与瓦斯突出模拟实验装置的制作方法

本实用新型属于煤与瓦斯突出模拟实验技术领域，具体涉及一种煤与瓦斯突出模拟实验装置。

背景技术：

随着煤炭开采深度的不断增加，在高地应力和瓦斯压力作用下，越来越多的矿井将面临严峻的煤与瓦斯突出问题，对矿井的安全生产造成极大的危害。煤与瓦斯突出是一种极为复杂的矿井动力现象，其发生受地应力、瓦斯压力和煤岩的物理力学性质的影响和制约，而目前关于煤与瓦斯突出机理的研究尚未清晰。因此，国内外众多学者采用煤与瓦斯突出模拟装置开展了大量的模拟实验，在一定程度上加深了人们对煤与瓦斯突出的认识，但随着煤与瓦斯突出力学作用机理的提出，现有的模拟装置存在尺寸小、加载维数少，充气压力底以及不能准确记录突出前后能量与突出整个过程等缺点，不能充分揭示煤与瓦斯突出过程中的变化规律；特别是现有的模拟装置突出口需要手动打开，手动打开突出口速度过慢进而影响煤与瓦斯突出的时间及能量的变化规律；此外，现有装置的加载系统大多不能提供稳定的加载压力，这样对寻找煤与瓦斯突出临界压力值具有一定的困难。因此，需要一种实验装置，能够模拟煤样尺寸大、加载维数多，充气压力大的要求，同时可以清晰的观察和记录煤与瓦斯突出过程中煤样的破坏情况和能量变化规律。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种煤与瓦斯突出模拟实验装置。该装置结构简单，设计合理，装配容易。通过设置地应力模拟加载系统和瓦斯压力模拟加载系统，能够提供稳定的压力，实现三维加载压力，且在煤样发生突出时能够准确的记录突出时的临界压力值，通过设置声发射探头和压力传感器，能够将采集的数据传输到计算机上，实时的反映煤与瓦斯突出前后的能量与压力的变化规律。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种煤与瓦斯突出模拟实验装置，其特征在于：包括地应力模拟加载系统、瓦斯压力模拟加载系统、声发射系统、突出箱体和计算机；所述地应力模拟加载系统包括电子万能试验机、第一液压油缸和第二液压油缸，所述突出箱体对中放置在电子万能试验机的底座上，所述电子万能试验机、第一液压油缸和第二液压油缸均与计算机相连接；所述第一液压油缸和第二液压油缸分别安装于突出箱体的相邻两个侧壁上；

所述突出箱体包括上端开口的箱体本体和位于箱体本体下方的箱体底座，所述箱体本体的上端设置有箱盖，所述箱盖的中部安装有轴向压缩活塞，所述轴向压缩活塞上设有与箱体本体内部腔体相连通的轴向充气孔，所述箱体底座上设置有与所述腔体相连通的底座充气孔，所述轴向充气孔上连接有气体管道，所述气体管道上连接有气体支管，所述气体支管与底座充气孔相连通，所述箱体本体上且与第二液压油缸相对的侧壁上开设有突出口，所述突出口上设置有可拆卸的突出堵头，所述箱体本体上且位于突出口的外侧安装有模拟巷道装置；所述箱体底座内侧和模拟巷道装置底部均设置有声发射探头和压力传感器；

所述瓦斯压力模拟加载系统包括瓦斯气体罐和空气压缩机；所述瓦斯气体罐通过第一管路与气体管道连接，空气压缩机通过第二管路与气体管道连接；

所述声发射系统包括声发射仪，所述声发射仪的输入端与声发射探头相连。

上述的一种煤与瓦斯突出模拟实验装置，其特征在于：还包括数据采集仪，所述数据采集仪的输入端与压力传感器相连，所述声发射仪的输出端和数据采集仪的输出端均与计算机相连。

上述的一种煤与瓦斯突出模拟实验装置，其特征在于：所述箱盖内侧设置有上压板，所述箱盖的中部设置有轴向压缩活塞孔，轴向压缩活塞穿过所述轴向压缩活塞孔与上压板活动连接，所述上压板上设置有与所述腔体相连通的中心充气孔，所述中心充气孔位于轴向充气孔的正下方且与轴向充气孔相连通，所述箱体本体上安装有第一液压油缸的侧壁内设置有第一侧压板，第一液压油缸的压缩活塞穿过箱体本体与第一侧压板活动连接，箱体本体上安装有第二液压油缸的侧壁内设置有第二侧压板，第二液压油缸的压缩活塞穿过箱体本体与第二侧压板活动连接。

上述的一种煤与瓦斯突出模拟实验装置，其特征在于：所述上压板的下表面与箱盖的下表面平齐，所述第一侧压板的内表面与箱体本体上安装有第一液压油缸的侧壁的内表面平齐，所述第二侧压板的内表面与箱体本体上安装有第二液压油缸的侧壁的内表面平齐。

上述的一种煤与瓦斯突出模拟实验装置，其特征在于：所述上压板上设置有多个上压板充气孔，所述上压板充气孔与轴向充气孔和所述腔体均连通。

上述的一种煤与瓦斯突出模拟实验装置，其特征在于：所述箱盖与箱体本体为螺栓连接；所述箱体本体与箱盖之间、轴向压缩活塞与箱盖之间、第一液压油缸的压缩活塞与箱体本体之间、第二液压油缸的压缩活塞与箱体本体之间和突出口与模拟巷道装置之间均设置有密封圈。

上述的一种煤与瓦斯突出模拟实验装置，其特征在于：所述模拟巷道装置包括透明巷道，所述透明巷道通过螺栓安装于箱体本体上，透明巷道远离箱体本体的一端中部设置有封闭透明的摄像室，所述摄像室内安装有高速摄像机，透明巷道远离箱体本体的端部设置有泄压口，所述箱体底座和透明巷道的底部均设置有布线孔，声发射探头的导线穿过布线孔与声发射仪连接。

上述的一种煤与瓦斯突出模拟实验装置，其特征在于：所述透明巷道的底部设置有用于支撑透明巷道的底座。

上述的一种煤与瓦斯突出模拟实验装置，其特征在于：所述第一管路上设置有瓦斯压力表和减压阀，所述减压阀位于瓦斯压力表和瓦斯气体罐之间，所述第二管路上设置有负压表和进气阀，所述进气阀位于负压表和空气压缩机之间。

上述的一种煤与瓦斯突出模拟实验装置，其特征在于：所述第一液压油缸通过第一液压系统供油，所述第一液压系统包括第一液压油箱和第一液压泵，所述第一液压泵的进油口通过第一液压管与第一液压油箱连接，所述第一液压油缸的进油口通过第二液压管与第一液压泵的出油口连接，所述第二液压管上连接有第一压力表和第一溢流阀；所述第二液压油缸通过第二液压系统供油，所述第二液压系统包括第二液压油箱和第二液压泵，所述第二液压泵的进油口通过第三液压管与第二液压油箱连接，所述第二液压油缸的进油口通过第四液压管与第二液压泵的出油口连接，所述第四液压管上连接有第二压力表和第二溢流阀。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点：

1、本实用新型煤与瓦斯突出模拟实验装置结构简单，设计合理，装配容易。

2、本实用新型通过设置轴向充气孔和底座充气孔，并优选设置开有充气孔的上压板，使得突出箱体内煤样的充气更均匀。

3、本实用新型通过设置可拆卸的突出堵头，进行煤与瓦斯突出模拟实验时取掉突出堵头，对突出口与煤样之间进行密封，然后用突出堵头堵住突出口，保证了突出箱体的气密性，同时避免了突出口手动打开而影响突出能量的缺陷。

4、本实用新型煤与瓦斯突出模拟实验装置的突出箱体的箱体底座与模拟巷道装置底部均设有声发射探头和压力传感器，能够将采集的数据传输到计算机上，实时的反映煤与瓦斯突出前后的能量与压力的变化规律。

5、本实用新型煤与瓦斯突出模拟实验装置的地应力加载系统与瓦斯压力加载系统能够提供稳定的压力，且在煤样发生突出时能够准确的记录突出时的临界压力值。

6、本实用新型优选在模拟巷道装置一端设置摄像室和高速摄像机，能够详细记录并保持煤与瓦斯突出的整个动态过程，从而为揭示煤与瓦斯突出机理提供一定的依据。

7、采用本实用新型的装置能够较为真实的反映煤与瓦斯突出的整个过程，同时能够实现三维加载压力，充气压力大，密封性能好，实用性强，便于推广使用。

综上所述，本实用新型设计合理，能够真实的反映矿井煤与瓦斯突出的整个过程，能够避免突出口手动打开而影响突出能量的问题，能够实时记录煤与瓦斯突出前后能量与压力的变化规律，能够详细的观察煤与瓦斯突出的整个动态过程，实用性强，便于推广使用。

下面结合附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

说明书附图

图1为本实用新型煤与瓦斯突出模拟实验装置去除模拟巷道装置的结构示意图。

图2为本实用新型的突出箱体和模拟巷道装置的位置关系示意图。

图3为本实用新型中心充气孔和上压板充气孔在上压板的布设位置示意图。

图4为本实用新型箱体底座的结构示意图。

图5为本实用新型的电路原理框图。

附图标记说明:

1—电子万能试验机； 2-1—轴向压缩活塞； 2-2—轴向充气孔；

2-3—箱盖； 2-4—中心充气孔； 2-5—上压板；

2-6—箱体本体； 2-7—第一侧压板； 2-8—箱体底座；

2-9—气体支管； 2-10—布线孔； 2-11—第二侧压板；

2-12—突出堵头； 2-13—突出口； 2-14—底座充气孔；

2-15—上压板充气孔； 2-16—气体管道； 3—第一压力表；

4—第一溢流阀； 5—第一液压泵； 6—第一液压油箱；

7—瓦斯压力表； 8—减压阀； 9—进气阀；

10—负压表； 11—空气压缩机； 12—瓦斯气体罐；

13—计算机； 14—数据采集仪； 15—声发射仪；

16—第一液压油缸； 17—煤样； 18—第二液压油缸；

19—声发射探头； 20—透明巷道； 21—高速摄像机；

22—压力传感器； 23—泄压口； 24—底座；

25—第二压力表； 26—第二溢流阀； 27—第二液压泵；

28—第二液压油箱； 29—摄像室； 30—第一管路；

31—第二管路。

具体实施方式

如图1、图2、图3和图4所示，本实用新型的煤与瓦斯突出模拟实验装置，其特征在于：包括地应力模拟加载系统、瓦斯压力模拟加载系统、声发射系统、突出箱体和计算机13；所述地应力模拟加载系统包括电子万能试验机1、第一液压油缸16和第二液压油缸18，所述突出箱体对中放置在电子万能试验机1的底座上，所述电子万能试验机1、第一液压油缸16和第二液压油缸18均与计算机13相连接；所述第一液压油缸16和第二液压油缸18分别安装于突出箱体的相邻两个侧壁上；

所述突出箱体包括上端开口的箱体本体2-6和位于箱体本体2-6下方的箱体底座2-8，所述箱体本体2-6的上端设置有箱盖2-3，所述箱盖2-3的中部安装有轴向压缩活塞2-1，所述轴向压缩活塞2-1上设有与箱体本体2-6内部腔体相连通的轴向充气孔2-2，所述箱体底座2-8上设置有与所述腔体相连通的底座充气孔2-14，所述轴向充气孔2-2上连接有气体管道2-16，所述气体管道2-16上连接有气体支管2-9，所述气体支管2-9与底座充气孔2-14相连通，所述箱体本体2-6上且与第二液压油缸18相对的侧壁上开设有突出口2-13，所述突出口2-13上设置有可拆卸的突出堵头2-12，所述箱体本体2-6上且位于突出口2-13的外侧安装有模拟巷道装置；所述箱体底座2-8内侧和模拟巷道装置底部均设置有声发射探头19和压力传感器22；

所述瓦斯压力模拟加载系统包括瓦斯气体罐12和空气压缩机11；所述瓦斯气体罐12通过第一管路30与气体管道2-16连接，空气压缩机11通过第二管路31与气体管道2-16连接；

所述声发射系统包括声发射仪15，所述声发射仪15的输入端与声发射探头19相连。

本实施例中，还包括数据采集仪14，所述数据采集仪14的输入端与压力传感器22相连，所述声发射仪15的输出端和数据采集仪14的输出端均与计算机13相连。

本实施例中，所述箱盖2-3内侧设置有上压板2-5，所述箱盖2-3的中部设置有轴向压缩活塞孔，轴向压缩活塞2-1穿过所述轴向压缩活塞孔与上压板2-5活动连接，所述上压板2-5上设置有与所述腔体相连通的中心充气孔2-4，所述中心充气孔2-4位于轴向充气孔2-2的正下方且与轴向充气孔2-2相连通，所述箱体本体2-6上安装有第一液压油缸16的侧壁内设置有第一侧压板2-7，第一液压油缸16的压缩活塞穿过箱体本体2-6与第一侧压板2-7活动连接，箱体本体2-6上安装有第二液压油缸18的侧壁内设置有第二侧压板2-11，第二液压油缸18的压缩活塞穿过箱体本体2-6与第二侧压板2-11活动连接。

本实施例中，所述上压板2-5的下表面与箱盖2-3的下表面平齐，所述第一侧压板2-7的内表面与箱体本体2-6上安装有第一液压油缸16的侧壁的内表面平齐，所述第二侧压板2-11的内表面与箱体本体2-6上安装有第二液压油缸18的侧壁的内表面平齐。

本实施例中，所述上压板2-5上设置有多个上压板充气孔2-15，所述上压板充气孔2-15与轴向充气孔2-2和所述腔体均连通。

本实施例中，所述箱盖2-3与箱体本体2-6为螺栓连接；所述箱体本体2-6与箱盖2-3之间、轴向压缩活塞2-1与箱盖2-3之间、第一液压油缸16的压缩活塞与箱体本体2-6之间、第二液压油缸18的压缩活塞与箱体本体2-6之间和突出口2-13与模拟巷道装置之间均设置有密封圈。

本实施例中，所述模拟巷道装置包括透明巷道20，所述透明巷道20通过螺栓安装于箱体本体2-6上，透明巷道20远离箱体本体2-6的一端中部设置有封闭透明的摄像室29，所述摄像室29内安装有高速摄像机21，透明巷道20远离箱体本体2-6的端部设置有泄压口23，所述箱体底座2-8和透明巷道20的底部均设置有布线孔2-10，声发射探头19的导线穿过布线孔2-10与声发射仪15连接。

本实施例中，所述透明巷道20的底部设置有用于支撑透明巷道20的底座24。

本实施例中，所述第一管路30上设置有瓦斯压力表7和减压阀8，所述减压阀8位于瓦斯压力表7和瓦斯气体罐12之间，所述第二管路31上设置有负压表10和进气阀9，所述进气阀9位于负压表10和空气压缩机11之间。

本实施例中，所述第一液压油缸16通过第一液压系统供油，所述第一液压系统包括第一液压油箱6和第一液压泵5，所述第一液压泵5的进油口通过第一液压管与第一液压油箱6连接，所述第一液压油缸16的进油口通过第二液压管与第一液压泵5的出油口连接，所述第二液压管上连接有第一压力表3和第一溢流阀4；所述第二液压油缸18通过第二液压系统供油，所述第二液压系统包括第二液压油箱28和第二液压泵27，所述第二液压泵27的进油口通过第三液压管与第二液压油箱28连接，所述第二液压油缸18的进油口通过第四液压管与第二液压泵27的出油口连接，所述第四液压管上连接有第二压力表25和第二溢流阀26。

采用本实用新型的装置进行煤与瓦斯突出模拟实验的方法具体包括以下步骤：

步骤一、打开箱盖2-3，将待实验的煤粉分五次装入突出箱体中，每次装入煤粉后开启电子万能试验机1，通过轴向压缩活塞2-1对突出箱体中的煤粉施加荷载，煤粉装完后按照预先设定好的成型压力使煤粉成型为煤样17；

步骤二、将箱盖2-3与箱体本体2-6密封连接，取掉突出堵头2-12，对突出口2-13与煤样17之间进行密封(优选采用与煤样17强度基本相同的密封材料进行密封)，然后用突出堵头2-12堵住突出口2-13；

步骤三、开启第一液压油缸16和第二液压油缸18，对煤样17施加稳定的初始值，同时开启瓦斯气体罐12，检测突出箱体的气密性；

步骤四、气密性检测结束后，关闭第一液压油缸16、第二液压油缸18和瓦斯气体罐12，开启空气压缩机11对煤样17进行脱气，脱气完成后关闭空气压缩机11；

步骤五、煤样17脱气后，开启电子万能试验机1、第一液压油缸16和第二液压油缸18，对煤样17施加初始压力，将瓦斯气体罐12与轴向充气孔2-2、底座充气孔2-14密封连接，调节瓦斯气体罐12的流量使得瓦斯压力达到预设值并保持稳定，通过轴向充气孔2-2与底座充气孔2-14向突出箱体中的煤样17进行充气，充气时间至少32h，使煤样17充分吸附瓦斯；

步骤六、待煤样17吸附瓦斯完成后进行煤与瓦斯突出模拟实验，通过电子万能试验机1对煤样17施加轴压，开启第一液压油缸16和第二液压油缸18对煤样17施加围压，通过瓦斯气体罐12对煤样17施加瓦斯压力，稳定至发生煤与瓦斯突出后立即停止轴压、围压及瓦斯压力的加载，记录并保存实验数据，关闭所有加载设备。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型做任何限制，凡是根据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。