瓦斯动力灾害模拟试验台快速释放装置与试验方法
【专利摘要】本发明公开了一种瓦斯动力灾害模拟试验台快速释放装置，包括突出缸体，突出缸体连接有若干活塞筒，活塞筒的总长度与屏蔽煤柱的厚度相同；末端的活塞筒通过法兰结构连接有加载卸压筒，加载卸压筒与活塞筒相连接的一端部连接有突出筒；加载卸压筒内滑动密封设有活塞头，活塞头连接有活塞杆，活塞杆伸出加载卸压筒的自由端部并连接外置动力装置；与加载卸压筒相连接的活塞筒上设有透明观察窗；每个活塞筒均连接有渗流出气管。本发明还公开了使用上述装置的试验方法。本发明能够模拟煤体应力、瓦斯压力，还能够模拟屏蔽煤柱的影响、模拟瓦斯渗流的影响，提高了试验的仿真程度。本发明实现了“装一次煤样做多次突出实验”的重复功能，提高了工作效率。
【专利说明】
瓦斯动力灾害模拟试验台快速释放装置与试验方法
技术领域
[0001]本发明涉及煤矿安全生产技术领域，尤其是一种瓦斯动力灾害模拟试验装置。
【背景技术】
[0002]煤与瓦斯突出是煤矿生产过程中一种十分严重的事故灾害，但对于煤与瓦斯突出发生的机理一直没有定论，目前还处于假说解释阶段。其中的假说有瓦斯作用假说、地应力作用假说、化学本质作用假说以及综合作用假说等，目前对综合作用引发煤与瓦斯突出的假说支持者较多。综合作用假说认为在矿井生产过程中，采掘活动导致煤层所受地应力及煤层瓦斯压力改变打破原本的平衡状态，最后地应力、瓦斯压力以及其他相关因素综合作用导致煤岩体破坏失稳，从而发生煤与瓦斯突出灾害。
[0003]目前国内外学者在煤与瓦斯突出机理方面做了很多工作也取得了诸多成果，能够满足模拟现场不同条件的煤与瓦斯突出实验装置也应运而生，现有的瓦斯动力灾害模拟试验台包括有突出缸体，突出缸体内填充有煤样并施加一定量的瓦斯气体，形成一定的瓦斯压力，突出缸体上直接设置突出结构(瓦斯突出口等)。现有的此类模拟试验装置还存在一些冋题和不足:
(1)设备突出口还采用手动方式打开，打开时间过长会影响突出的时间和强度，并且实验不安全；
(2)数据统计除了石门揭煤，76%的煤与瓦斯突出事故发生在煤层巷道中。也就是由于各种因素导致原始煤体失稳破坏而发生突出的位置，与现场工人的采掘空间之间是存在一定距离的屏蔽煤柱的，屏蔽煤柱对突出强度的影响不能忽略，但是目前本领域现有技术还没有考虑到屏蔽煤柱的影响。
[0004](3)目前设备大多结构复杂，装卸煤样麻烦，实验周期长效率低。
[0005](4)实际的煤体当中，会存在一定的瓦斯气流，即瓦斯气体会从煤体内向外渗流。现有的瓦斯突出模拟装置均不能模拟瓦斯气流，因此试验的仿真程度受到限制。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种瓦斯动力灾害模拟试验台快速释放装置，能够模拟屏蔽煤柱对突出强度的影响，实现一次装煤多次实验，通过活塞杆实现静压加载及快速回撤，便于观察卸压后或发生突出时活塞筒内煤体的运动情况。
[0007]为实现上述目的，本发明的瓦斯动力灾害模拟试验台快速释放装置，包括突出缸体，突出缸体内填充有煤样和瓦斯气体;其特征在于:突出缸体连接有活塞筒，活塞筒设有两个以上，活塞筒的总长度与模拟现场屏蔽煤柱的厚度相同；相邻活塞筒之间通过法兰结构相连接;末端的活塞筒通过法兰结构连接有加载卸压筒，加载卸压筒与活塞筒相连接的一端部连接有突出筒，所述突出筒与加载卸压筒相互垂直;突出筒和加载卸压筒的自由端均敞口设置;加载卸压筒内滑动密封设有活塞头，活塞头连接有活塞杆，活塞杆伸出加载卸压筒的自由端部并连接外置动力装置;与加载卸压筒相连接的活塞筒上设有透明观察窗；所述每个活塞筒均连接有渗流出气管，渗流出气管上设有调节阀。
[0008]所述中间活塞筒设置有2— 5个；
所述每个活塞筒均连接有压力表。
[0009]本发明的目的还在于提供一种使用上述瓦斯动力灾害模拟试验台快速释放装置的试验方法。
[0010]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根据突出发生位置与采掘空间的卸压点之间的实际距离，选择相应数量的活塞筒，使各活塞筒通过法兰结构连接起来后的总长度与屏蔽煤柱的实际厚度相同；
②然后在突出缸体内和活塞筒内加入煤样，控制外置动力装置带动活塞杆和活塞头伸入活塞筒内并挤压煤样，从而对煤体加载实验预定的外载应力，此时活塞头将活塞筒内的煤样与出气筒分隔开来;通过外置加气装置向突出缸体内注入瓦斯气体形成预定的瓦斯压力；
③通过调节阀调节渗流出气管单位时间内的出气量，从而模拟实际煤层的渗气速度；控制外置动力装置，迅速向回拉动活塞头，活塞头越过突出筒时，观测是否发生突出现象，完成第一次试验；
④如果第③步骤中没有发生突出现象，控制外置动力装置向左推动活塞头，使活塞头向煤样施加压力;通过活塞头和外置加气装置将外载应力与瓦斯压力调节为不同的预设置值，快速进行下一次试验。
[0011]在所述第④步骤中，通过拆卸或加装活塞筒、并从突出口装填煤样，来模拟不同厚度的屏蔽煤柱。
[0012]本发明具有如下的优点:
外置动力装置可以采用液压缸、气缸、直线电机等现有能够实现直线驱动的装置，带动活塞杆实现静压加载或快速回撤。由于突出筒与加载卸压筒相互垂直且突出筒设置于加载卸压筒与活塞筒相连接的一端部，因此活塞头不需要向后抽出加载卸压筒才会触发卸压，而是只需要活塞头向后回撤过卸压筒即可，这样可以迅速触发卸压，动作较快。由于卸压方向与活塞运动方向相互垂直，且通过控制外置动力装置即可实现，因此很容易消除卸压时对操作人员的人身造成的危险。本发明实现了“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。
[0013]实验时，根据模拟场合屏蔽煤柱的实际厚度(即突出发生位置与采掘空间的卸压点之间的距离)，通过法兰结构将相应数量的活塞筒连接起来，从而在实验中模拟屏蔽煤柱的实际厚度对瓦斯突出的影响，实验结果更具有实际指导意义。通过调节阀，可以调节渗流出气管单位时间内的出气量，从而模拟实际煤层的渗气速度，使模拟实验更加符合实际情况，从而使实验结果更加准确。通过压力表可以监测压力，每个活塞筒均连接有压力表和渗流出气管，这样便于每个活塞筒单独使用，保证其每一节都可以拆卸并可以独立使用。
[0014]本发明除了能够模拟煤体应力、瓦斯压力，还能够模拟屏蔽煤柱的影响、模拟瓦斯渗流的影响，从而与以往相比，大大提高了试验的仿真程度，试验结果更为准确。本发明实现了“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】
[0015]图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的剖视示意图；
图3是突出筒、加载卸压筒与活塞筒连接处的俯视示意图。
【具体实施方式】
[0016]如图1、图2和图3所示，本发明的瓦斯动力灾害模拟试验台快速释放装置包括突出缸体I，突出缸体I内填充有煤样2和瓦斯气体;突出缸体I连接有活塞筒3，活塞筒3设有两个以上，活塞筒3的总长度与模拟现场屏蔽煤柱的厚度相同；相邻活塞筒3之间通过法兰结构4相连接;末端的活塞筒3通过法兰结构4连接有加载卸压筒5，加载卸压筒5与活塞筒3相连接的一端部连接有突出筒6，所述突出筒6与加载卸压筒5相互垂直;突出筒6和加载卸压筒5的自由端均敞口设置;活塞筒3与加载卸压筒5的截面形状及大小均相同；加载卸压筒5内滑动密封设有活塞头7，活塞头7连接有活塞杆8，活塞杆8伸出加载卸压筒5的自由端部并连接外置动力装置(如液压加载栗、液压缸、气缸、直线电机等等)；图未示外置动力装置。与加载卸压筒5相连接的活塞筒3上设有透明观察窗9;所述每个活塞筒3均连接有渗流出气管10，渗流出气管10上设有调节阀11。
[0017]所述中间活塞筒3设置有2— 5个；
所述每个活塞筒3均连接有压力表12。
[0018]所述活塞筒3的长度优选为150毫米。每套瓦斯动力灾害模拟试验台快速释放装置优选配套5个活塞筒3，具体试验时根据屏蔽煤柱的实际厚度选择相应数量的活塞筒3。活塞筒3之间通过法兰结构4相连接，既能两两固定又能起到很好的密封效果。与加载卸压筒5相连接的活塞筒3上设有透明观察窗9，可以观察卸压后或者发生突出时的煤体运动情况。正常实验加载条件下，活塞头7处于突出口左侧并对煤样2施加一定大小的静载压力。为了模拟采掘影响的卸压，将活塞头7迅速回撤至突出口右侧，看是否发生突出。如果发生了突出则实验成功，如果没有发生突出，则推进活塞杆8对煤样2继续施加不同压力，调节不同实验条件(外载应力与瓦斯压力)可以重复实验，从而减少实验周期提高了实验效率。为了模拟研究不同长度屏蔽煤柱的存在对煤与瓦斯突出强度的影响，可以通过拆卸或安装中间几节活塞筒3来实现不同长度屏蔽煤柱条件下的突出模拟实验。
[0019]采用多段可拆卸的活塞筒3与突出缸体I相连接，每节活塞筒3之间通过密封性可靠的法兰结构4连接，选取不同节数活塞筒3来模拟突出发生点与采掘空间的卸压点之间的不同长度的屏蔽煤柱，能够考察不同长度屏蔽煤柱的存在对突出效果强度的影响；
设置有透明观察窗9，可以观测内部煤体卸压后或者突出发生时活塞筒3内部煤体的运动情况，为动态地描述突出过程提供更直观的依据；
本发明实现了“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。
[0020]本发明还公开了使用上述瓦斯动力灾害模拟试验台快速释放装置的试验方法，按以下步骤进行:
①根据突出发生位置与采掘空间的卸压点之间的实际距离(即屏蔽煤柱的实际厚度)，选择相应数量的活塞筒3，使各活塞筒3通过法兰结构4连接起来后的总长度与屏蔽煤柱的实际厚度相同；
②然后在突出缸体I内和活塞筒3内加入煤样2，控制外置动力装置带动活塞杆8和活塞头7伸入活塞筒3内(即向图1图2中的左向运动)并挤压煤样2，从而对煤体加载实验预定的外载应力，此时活塞头7将活塞筒3内的煤样2与出气筒分隔开来;通过外置加气装置(如高压瓦斯气罐或气栗)向突出缸体I内注入瓦斯气体形成预定的瓦斯压力；
③通过调节阀11调节渗流出气管10单位时间内的出气量，从而模拟实际煤层的渗气速度。控制外置动力装置，迅速向回拉动活塞头7，活塞头7越过突出筒6时，观测是否发生突出现象，完成第一次试验；
④如果第③步骤中没有发生突出现象，控制外置动力装置向左推动活塞头7，使活塞头7向煤样2施加压力;通过活塞头7和外置加气装置将外载应力与瓦斯压力调节为不同的预设置值，快速进行下一次试验，从而减少实验周期，提高了实验效率。通过拆卸或加装活塞筒3、并从突出口装填煤样2，来模拟不同厚度的屏蔽煤柱。
[0021]研发说明:
(I)为了考察研究不同长度屏蔽煤柱的存在对突出效果强度的影响，实验系统不采用以往在突出缸体I的侧壁开口直接释放诱发突出的技术方案，而是在该方向上通过若干段可拆卸的活塞筒3与突出缸体I侧壁开口相连接，每节活塞筒3之间通过密封性可靠的法兰连接，选取不同节数的活塞筒3来模拟突出发生位置与采掘空间的卸压点之间的不同长度的屏蔽煤柱，每节活塞筒3长度优选为150毫米。在每节活塞筒3上设有压力表12和渗流出气管10，可以测量突出前原始瓦斯压力、保证煤体内部气体的流动并记录气体流量数据。
[0022](2)在最外侧活塞筒3壁上设置有一段透明的观察槽，具体位置见附图1处，该透明观察窗9采用可抗高压的钢化玻璃制成的一个观察窗口，通过该观察窗口可以观测内部煤体卸压后或者突出发生时活塞缸内部煤体的运动情况，给动态的描述突出过程提供更直观的依据。
[0023](3)活塞杆8外侧与外置动力装置(如液压加载栗)相连，不仅可以通过活塞杆8对活塞筒3内部的煤体提供静载压力，并且可以通过机械控制快速回撤，采用液压加载栗时，能实现在5s内外撤350mm，回撤位置可控。
[0024]这样的回撤可以让处于高压受载的煤体快速卸压，达到释放煤体内部能量诱发突出的目的。机械化控制操作卸压诱突不仅能够避免手动操作时间过长影响突出强度的问题，同时也避免了出现不安全情况。
[0025](4)加载卸压筒5与活塞筒3相连接的一端部连接有突出筒6，所述突出筒6与加载卸压筒5相互垂直，这样的设计不仅能给参与突出的煤体提供一个突出的空间，还能够在活塞杆8后撤后不发生突出或者突出煤量较小时，可以通过突出口向活塞筒3内部加入煤粉，推进活塞杆8对其加载，进行下一次试验。这样可以重复试验，避免突出缸体重复装卸大量煤样，试验周期变短，试验效率提高。
[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.瓦斯动力灾害模拟试验台快速释放装置，包括突出缸体，突出缸体内填充有煤样和瓦斯气体;其特征在于:突出缸体连接有活塞筒，活塞筒设有两个以上，活塞筒的总长度与模拟现场屏蔽煤柱的厚度相同；相邻活塞筒之间通过法兰结构相连接;末端的活塞筒通过法兰结构连接有加载卸压筒，加载卸压筒与活塞筒相连接的一端部连接有突出筒，所述突出筒与加载卸压筒相互垂直;突出筒和加载卸压筒的自由端均敞口设置;加载卸压筒内滑动密封设有活塞头，活塞头连接有活塞杆，活塞杆伸出加载卸压筒的自由端部并连接外置动力装置;与加载卸压筒相连接的活塞筒上设有透明观察窗;所述每个活塞筒均连接有渗流出气管，渗流出气管上设有调节阀。2.根据权利要求1所述的瓦斯动力灾害模拟试验台快速释放装置，其特征在于:所述中间活塞筒设置有2 — 5个。3.根据权利要求2所述的瓦斯动力灾害模拟试验台快速释放装置，其特征在于:所述每个活塞筒均连接有压力表。4.采用权利要求1一 3中任一项所述瓦斯动力灾害模拟试验台快速释放装置的试验方法，其特征在于依次按以下步骤进行: ①根据突出发生位置与采掘空间的卸压点之间的实际距离，选择相应数量的活塞筒，使各活塞筒通过法兰结构连接起来后的总长度与屏蔽煤柱的实际厚度相同； ②然后在突出缸体内和活塞筒内加入煤样，控制外置动力装置带动活塞杆和活塞头伸入活塞筒内并挤压煤样，从而对煤体加载实验预定的外载应力，此时活塞头将活塞筒内的煤样与出气筒分隔开来;通过外置加气装置向突出缸体内注入瓦斯气体形成预定的瓦斯压力； ③通过调节阀调节渗流出气管单位时间内的出气量，从而模拟实际煤层的渗气速度；控制外置动力装置，迅速向回拉动活塞头，活塞头越过突出筒时，观测是否发生突出现象，完成第一次试验； ④如果第③步骤中没有发生突出现象，控制外置动力装置向左推动活塞头，使活塞头向煤样施加压力;通过活塞头和外置加气装置将外载应力与瓦斯压力调节为不同的预设置值，快速进行下一次试验。5.根据权利要求4所述的试验方法，其特征在于:在所述第④步骤中，通过拆卸或加装活塞筒、并从突出口装填煤样，来模拟不同厚度的屏蔽煤柱。
【文档编号】G01N33/22GK106018732SQ201610476572
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月27日
【发明人】魏建平, 王登科, 姚邦华, 李波, 徐向宇, 秦恒洁
【申请人】河南理工大学