可重复试验的煤与瓦斯突出模拟装置及试验方法
【专利摘要】本发明公开了一种可重复试验的煤与瓦斯突出模拟装置，包括突出缸体，突出缸体顶部连接有Ｚ向活塞，突出缸体底部连接有X和Y向筒体；突出缸体侧壁中部连接有第一管路，第一管路并联连接有第二管路和第三管路；第一管路上设有第一压力表；第二管路连接有高压瓦斯罐；第三管路与一真空泵的吸气口相连接；Y向筒体连接有Y向活塞，Y向筒体的顶壁设有装煤口；X向筒体连接有X向活塞，X向筒体的顶壁设有突出口；X向筒体的底壁连接有第四管路。本发明还公开了使用上述模拟装置的试验方法。总之，本发明能模拟突出前瓦斯的自然涌出过程，模拟前方煤体厚度对突出的影响，更接近于现场条件；本发明能装一次煤样重复多次试验，提高了试验效率。
【专利说明】
可重复试验的煤与瓦斯突出模拟装置及试验方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种研究煤矿瓦斯灾害发生规律及其机理的煤与瓦斯突出模拟装置，适用于多种条件下的煤与瓦斯突出模拟试验。
【背景技术】
[0002]煤矿井下煤层中的煤与瓦斯突出事故是一种在地应力、瓦斯压力和煤体物理力学性质综合作用影响下导致发生的复杂动力灾害现象，一直威胁着煤矿安全生产。为了研究煤与瓦斯突出机理，为煤矿瓦斯灾害治理提供理论支撑，长期以来人们致力于煤与瓦斯突出机理的理论和试验研究。早在1953年，前苏联的Khodot V V等人在世界上首次利用⑶2和突出倾向性的煤，在实验室内成功实现了煤与瓦斯突出的模拟试验，并由此开始了煤与瓦斯突出规律及其机理的研究。然而60多年过去了，截至目前，煤与瓦斯突出的发生机理仍然没有弄清楚，还处于一种假说阶段，可见煤与瓦斯突出机理研究的复杂性。
[0003]在我国，煤与瓦斯突出模拟试验研究起步较晚，1989年煤研总院抚顺分院的邓全封等研发了一维煤与瓦斯突出模拟试验装置，并得到了一些有益认识。之后中国矿业大学、中国科学院力学研究所、河南理工大学、安徽理工大学、重庆大学、中煤科工集团重庆研究院有限公司等相继研发出了能模拟各种实验条件和适用于不同煤样尺寸的煤与瓦斯突出模拟试验装备，并取得了一系列的试验研究成果。
[0004]上述国内外的相关试验研究极大推进了煤与瓦斯突出机理的相关理论发展，但是所研发出来的模拟试验装置还存在一些问题和不足:
(I)可重复性差。以往的突出模拟过程中，装一次煤样只能做一次煤与瓦斯突出实验，即使突出实验不成功也要重新装煤样，步骤繁琐，实验周期长。
[0005](2)很难真实模拟井下煤层突出过程。煤矿井下实际煤与瓦斯突出都是在一种开放的系统下启动完成的，即煤层在向外涌出瓦斯的过程中发生了煤与瓦斯事故。而目前所有的试验装置在模拟煤与瓦斯突出时，发生突出之前一直都处于一种封闭系统状态(即在开启突出口之前瓦斯气体被完全密封起来，不让其涌出)，只有在打开突出口瞬间才让瓦斯气体涌出，这种处理方法与现场瓦斯涌出的开放系统是相悖的。
[0006](3)无法模拟前方煤体厚度对突出的影响。目前所有的模拟装置都无法模拟突出前方煤体厚度对突出的影响。现实中煤矿井下发生突出时，都是存在一定的前方煤体厚度的。如果煤层中某处已经满足了突出的所有条件，但前方煤体厚度过大，煤层中的突出能量无法克服前方煤体所带来的阻力时，也是不会发生突出事故的。
[0007]正因为不能够更为真实地模拟现实情况，因此利用现有的煤与瓦斯突出模拟试验装备，仍然难以弄清楚煤与瓦斯突出的发生机理，使得煤与瓦斯突出的发生机理仍然处于假说阶段。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于提供一种可重复试验的煤与瓦斯突出模拟装置，在开放系统下完成突出试验，装一次煤样即可进行多次突出试验，并能够模拟前方煤体厚度对突出的影响。
[0009]为实现上述目的，本发明的可重复试验的煤与瓦斯突出模拟装置，以水平方向上相互垂直的两个方向分别为X向和Y向，以竖直方向为Z向；
包括沿竖直方向设置的突出缸体，突出缸体顶部设有开口并连接有Z向活塞，Z向活塞与突出缸体内侧壁滑动密封连接，Z向活塞的活塞杆向上伸出突出缸体;突出缸体底部连接有X向筒体和Y向筒体；
突出缸体侧壁中部设有开口，该开口连接有第一管路，第一管路并联连接有第二管路和第三管路;第一管路上设有第一压力表；
第二管路连接有高压瓦斯罐，第二管路上设有第二压力表，高压瓦斯罐的出口处的第二管路上设有第一阀门和减压阀；
第三管路的末端与一真空栗的吸气口相连接，第三管路上设有第二阀门；
Y向筒体的内壁滑动密封连接有Y向活塞，Y向活塞的活塞杆沿Y向筒体的轴线方向伸出Y向筒体的自由端，Y向筒体的顶壁设有装煤口；
X向筒体的内壁滑动密封连接有X向活塞，X向活塞的活塞杆沿X向筒体的轴线方向伸出X向筒体的自由端，X向筒体的顶壁设有突出口；
所述X向筒体的顶壁设有第三压力表，X向筒体的底壁设有放气口，放气口连接有第四管路，第四管路上依次设有第三阀门和流量计，第四管路的末端敞口。
[0010]第二管路上设有第四阀门，第二压力表位于减压阀和第四阀门之间的第二管路上。
[0011]所述突出口向上凸出Z向筒体的顶壁。
[0012]本发明的目的还在于提供一种使用上述可重复试验的煤与瓦斯突出模拟装置的试验方法。
[0013]为实现上述目的，本发明的试验方法依次按以下步骤进行:
(1)打开第四阀门和第一阀门，关闭第二阀门和第三阀门，向突出缸体内充入瓦斯气体，然后关闭第四阀门和第一阀门，观察第一压力表的读数来确定模拟装置的气密性;如存在漏气现象，则检查漏气点并进行堵漏处理，如模拟装置气密性良好，则执行第(2)步骤；
(2)将Z向活塞从突出缸体内向上抽出，通过突出缸体顶部的开口、所述装煤口和突出口，将颗粒煤粉装入模拟装置;X向筒体内的煤粉用于模拟现场突出前方的煤体厚度；
(3)利用Z向活塞、Y向活塞和X向活塞对煤粉施加载荷，将煤粉压成型煤煤样；
(4)打开第二阀门，启动真空栗对煤样进行脱真空处理。
[0014](5)脱真空处理结束后，关闭真空栗和第二阀门，打开第四阀门和第一阀门，开始往煤样中充瓦斯气体，调节减压阀，将充入煤样中的瓦斯气体的压力调节为模拟试验的预定值；
(6)让煤样在预定的瓦斯压力条件下充分吸附，并使其达到吸附解吸平衡;判断煤样达到吸附解吸平衡的方法是:
煤样吸附瓦斯10 —14小时后，关闭第一阀门和第四阀门；
2小时之后，如果第一压力表和第三压力表的读数相等，则表明煤样已经达到吸附解吸平衡，此时执行第(7)步骤； 2小时之后，如果第一压力表和第三压力表的读数不相等，表明煤样还未达到吸附解吸平衡，重新执行第(5)步骤；
(7)煤样达到吸附解吸平衡后保持第四阀门和第一阀门处于开启状态，打开与放气口连接的第三阀门，让瓦斯气体自然涌出，来模拟现场突出发生之前瓦斯气体的自然涌出过程，通过流量计来监测瓦斯涌出量的动态变化过程;保持X向活塞不动，利用Z向活塞对煤样施加垂直载荷到指定载荷大小后停止加载，利用Y向活塞对煤样施加水平载荷到指定载荷大小后停止加载；
(8)利用控制油缸将X向活塞向X向筒体的自由端抽动，直至煤样与突出口连通;如果煤样与突出口连通后发生突出现象，试验即获成功；
如果煤样与突出口连通后没有发生突出现象，表明所施加的载荷在当前试验条件下还未达到突出临界值；
此时可以通过控制油缸将X向活塞重新推送至突出口与突出缸体之间的位置，从而实现在不用重新装卸煤样的条件下重复进行试验，即进行第(9)步骤；
(9)改变载荷大小和/或瓦斯压力大小，重复上述的步骤(I)?(8)，获得特定试验条件下的突出应力临界值和突出瓦斯压力临界值。
[0015]本发明具有如下的优点:
在突出模拟试验中，本发明与以往的同类试验装置相比，在试验中能够模拟突出前瓦斯的自然涌出过程，能够模拟前方煤体厚度对突出的影响，因此本发明更接近于现场实际条件，能准确地模拟现场突出过程，更为真实、可靠地研究煤与瓦斯突出规律和现象，为研究煤与瓦斯突出的发生机理提供可靠的实验基础，并指导煤矿生产实践。本发明能够装一次煤样重复多次试验，大大提高了试验效率，节约了试验时间和试验需要的劳动强度。
[0016]本发明设置了垂直方向和水平方向的载荷施加功能，可以模拟煤层中上覆岩层的自重应力和水平构造应力组合条件，在此组合条件下进行煤与瓦斯突出实验，能精确得到煤与瓦斯突出的始突条件，包括应力始突条件和瓦斯压力始突条件。
[0017]本发明能模拟不同煤体厚度对煤与瓦斯突出的影响，并且在突出口方向上设置有瓦斯放气口，用于模拟突出发生前瓦斯自然涌出的开放环境，更加真实地模拟了突出的外部条件。
[0018]—次装好煤样后，可重复做多次煤与瓦斯突出实验，具有良好的重复性能。实现了“装一次煤样做多次突出实验”的重复功能，提升了设备的使用效率，缩短了实验周期，提高了工作效率。
【附图说明】
[0019]图1是本发明的可重复试验的煤与瓦斯突出模拟装置的主视结构示意图；
图2是本发明的可重复试验的煤与瓦斯突出模拟装置的左视结构示意图；
图3是本发明的可重复试验的煤与瓦斯突出模拟装置的俯视结构示意图。
【具体实施方式】
[0020]本发明中，以水平方向上相互垂直的两个方向分别为X向和Y向，以竖直方向为Z向。
[0021]如图1、图2和图3所示，本发明的可重复试验的煤与瓦斯突出模拟装置包括沿竖直方向设置的突出缸体I，突出缸体I顶部设有开口并连接有Z向活塞2，Z向活塞2与突出缸体I内侧壁滑动密封连接，Z向活塞2的活塞杆向上伸出突出缸体I;突出缸体I底部连接有X向筒体21和Y向筒体20;
突出缸体I侧壁中部设有开口，该开口连接有第一管路31，第一管路31并联连接有第二管路32和第三管路33;第一管路31上设有第一压力表11;
第二管路32连接有高压瓦斯罐7，第二管路32上设有第二压力表10，高压瓦斯罐7的出口处的第二管路32上设有第一阀门15和减压阀9;
第三管路33的末端与一真空栗8的吸气口相连接，第三管路33上设有第二阀门14;
Y向筒体20的内壁滑动密封连接有Y向活塞3，Y向活塞3的活塞杆沿Y向筒体20的轴线方向伸出Y向筒体20的自由端，Y向筒体20的顶壁设有装煤口 5;
X向筒体21的内壁滑动密封连接有X向活塞4，X向活塞的活塞杆沿X向筒体21的轴线方向伸出X向筒体21的自由端，X向筒体21的顶壁设有突出口 18;
所述X向筒体21的顶壁设有第三压力表12，X向筒体21的底壁设有放气口 17，放气口 17连接有第四管路34，第四管路34上依次设有第三阀门16和流量计19;第四管路34的末端敞
□ O
[0022]第二管路32上设有第四阀门13，第二压力表10位于减压阀9和第四阀门13之间的第二管路32上。
[0023]所述突出口 18向上凸出Z向筒体21的顶壁。
[0024]本发明还公开了使用上述可重复试验的煤与瓦斯突出模拟装置的试验方法，依次按以下步骤进行:
(1)打开第四阀门13和第一阀门15，关闭第二阀门14和第三阀门16，向突出缸体I内充入瓦斯气体，然后关闭第四阀门13和第一阀门15，观察第一压力表11的读数来确定本发明的模拟装置的气密性;如存在漏气现象，则检查漏气点并进行堵漏处理，如模拟装置气密性良好，则执行第(2)步骤；
(2)将Z向活塞2从突出缸体I内向上抽出，通过突出缸体11顶部的开口、所述装煤口5和突出口 18，将筛分好的颗粒煤粉装入本发明的模拟装置;X向筒体21内的煤粉用于模拟现场突出前方的煤体厚度；
(3)利用Z向活塞2、Y向活塞3和X向活塞4对煤粉施加载荷，将煤粉压成型煤煤样6;
(4)打开第二阀门14，启动真空栗8对煤样6进行脱真空处理。
[0025](5)脱真空处理结束后，关闭真空栗8和第二阀门14，打开第四阀门13和第一阀门15，开始往煤样6中充瓦斯气体，调节减压阀9，将充入煤样6中的瓦斯气体的压力调节为模拟试验的预定值；
(6)让煤样6在预定的瓦斯压力条件下充分吸附，并使其达到吸附解吸平衡;判断煤样6达到吸附解吸平衡的方法是:
煤样吸附瓦斯10 —14小时(具体时间由试验人员根据经验来确定，多采用12小时)后，关闭第一阀门15和第四阀门13;
2小时之后，如果第一压力表11和第三压力表12的读数相等，则表明煤样6已经达到吸附解吸平衡，此时执行第(7)步骤； 2小时之后，如果第一压力表11和第三压力表12的读数不相等，表明煤样6还未达到吸附解吸平衡，重新执行第(5)步骤；
(7)煤样6达到吸附解吸平衡后保持第四阀门13和第一阀门15处于开启状态，打开与放气口 17连接的第三阀门16，让瓦斯气体自然涌出，来模拟现场突出发生之前瓦斯气体的自然涌出过程，通过流量计19来监测瓦斯涌出量的动态变化过程;保持X向活塞4不动，利用Z向活塞2对煤样6施加垂直载荷到指定载荷大小后停止加载，利用Y向活塞3对煤样6施加水平载荷到指定载荷大小后停止加载；
(8)利用控制油缸将X向活塞4向X向筒体21的自由端抽动，直至煤样6与突出口18连通(即打开突出口 18);如果煤样6与突出口 18连通后发生突出现象，试验即获成功；
如果煤样6与突出口 18连通后没有发生突出现象，表明所施加的载荷在当前试验条件下还未达到突出临界值；
此时可以通过控制油缸将X向活塞4重新推送至突出口 18与突出缸体I之间的位置，SP关闭突出口 18，从而实现在不用重新装卸煤样6的条件下重复进行试验，即进行第(9)步骤；
(9)改变载荷大小和/或瓦斯压力大小，重复上述的步骤(I)?(8)，获得特定试验条件下的突出应力临界值和突出瓦斯压力临界值。
[0026]以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【主权项】
1.可重复试验的煤与瓦斯突出模拟装置，其特征在于:以水平方向上相互垂直的两个方向分别为X向和Y向，以竖直方向为Z向； 包括沿竖直方向设置的突出缸体，突出缸体顶部设有开口并连接有Z向活塞，Z向活塞与突出缸体内侧壁滑动密封连接，Z向活塞的活塞杆向上伸出突出缸体;突出缸体底部连接有X向筒体和Y向筒体； 突出缸体侧壁中部设有开口，该开口连接有第一管路，第一管路并联连接有第二管路和第三管路;第一管路上设有第一压力表； 第二管路连接有高压瓦斯罐，第二管路上设有第二压力表，高压瓦斯罐的出口处的第二管路上设有第一阀门和减压阀； 第三管路的末端与一真空栗的吸气口相连接，第三管路上设有第二阀门； Y向筒体的内壁滑动密封连接有Y向活塞，Y向活塞的活塞杆沿Y向筒体的轴线方向伸出Y向筒体的自由端，Y向筒体的顶壁设有装煤口； X向筒体的内壁滑动密封连接有X向活塞，X向活塞的活塞杆沿X向筒体的轴线方向伸出X向筒体的自由端，X向筒体的顶壁设有突出口； 所述X向筒体的顶壁设有第三压力表，X向筒体的底壁设有放气口，放气口连接有第四管路，第四管路上依次设有第三阀门和流量计，第四管路的末端敞口。2.根据权利要求1所述的可重复试验的煤与瓦斯突出模拟装置，其特征在于:第二管路上设有第四阀门，第二压力表位于减压阀和第四阀门之间的第二管路上。3.根据权利要求1或2所述的可重复试验的煤与瓦斯突出模拟装置，其特征在于:所述突出口向上凸出Z向筒体的顶壁。4.使用权利要求3中所述可重复试验的煤与瓦斯突出模拟装置的试验方法，其特征在于依次按以下步骤进行: (1)打开第四阀门和第一阀门，关闭第二阀门和第三阀门，向突出缸体内充入瓦斯气体，然后关闭第四阀门和第一阀门，观察第一压力表的读数来确定模拟装置的气密性;如存在漏气现象，则检查漏气点并进行堵漏处理，如模拟装置气密性良好，则执行第(2)步骤； (2)将Z向活塞从突出缸体内向上抽出，通过突出缸体顶部的开口、所述装煤口和突出口，将颗粒煤粉装入模拟装置;X向筒体内的煤粉用于模拟现场突出前方的煤体厚度； (3 )利用Z向活塞、Y向活塞和X向活塞对煤粉施加载荷，将煤粉压成型煤煤样； (4)打开第二阀门，启动真空栗对煤样进行脱真空处理； (5)脱真空处理结束后，关闭真空栗和第二阀门，打开第四阀门和第一阀门，开始往煤样中充瓦斯气体，调节减压阀，将充入煤样中的瓦斯气体的压力调节为模拟试验的预定值； (6)让煤样在预定的瓦斯压力条件下充分吸附，并使其达到吸附解吸平衡;判断煤样达到吸附解吸平衡的方法是: 煤样吸附瓦斯10 —14小时后，关闭第一阀门和第四阀门； 2小时之后，如果第一压力表和第三压力表的读数相等，则表明煤样已经达到吸附解吸平衡，此时执行第(7)步骤； 2小时之后，如果第一压力表和第三压力表的读数不相等，表明煤样还未达到吸附解吸平衡，重新执行第(5)步骤； (7)煤样达到吸附解吸平衡后保持第四阀门和第一阀门处于开启状态，打开与放气口连接的第三阀门，让瓦斯气体自然涌出，来模拟现场突出发生之前瓦斯气体的自然涌出过程，通过流量计来监测瓦斯涌出量的动态变化过程;保持X向活塞不动，利用Z向活塞对煤样施加垂直载荷到指定载荷大小后停止加载，利用Y向活塞对煤样施加水平载荷到指定载荷大小后停止加载； (8)利用控制油缸将X向活塞向X向筒体的自由端抽动，直至煤样与突出口连通;如果煤样与突出口连通后发生突出现象，试验即获成功； 如果煤样与突出口连通后没有发生突出现象，表明所施加的载荷在当前试验条件下还未达到突出临界值； 此时可以通过控制油缸将X向活塞重新推送至突出口与突出缸体之间的位置，从而实现在不用重新装卸煤样的条件下重复进行试验，即进行第(9)步骤； (9)改变载荷大小和/或瓦斯压力大小，重复上述的步骤(I)?(8)，获得特定试验条件下的突出应力临界值和突出瓦斯压力临界值。
【文档编号】G01N33/00GK105891429SQ201610476575
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年6月27日
【发明人】魏建平, 王登科, 刘勇, 姚邦华, 徐向宇, 秦恒洁
【申请人】河南理工大学